落石沖擊作用下消能棚洞的結(jié)構(gòu)動力破壞機制.pdf

1、消能棚洞是一種落石被動防護結(jié)構(gòu),但其結(jié)構(gòu)的動力響應和破壞機制分析有待進一步的研究。本文依托國家自然基金項目(編號:51408084),采用模型試驗、小波分析、數(shù)值模擬等研究手段,研究了不同落石形狀、下落高度、質(zhì)量、砂墊層厚度等因素作用下對落石沖擊消能棚洞的動力響應規(guī)律及破壞機制。本文取得的研究成果如下:
　　(1)通過模型試驗的方法,揭示了不同落石高度、形狀、砂墊層和質(zhì)量條件下的加速度變化規(guī)律。不同形狀的落石在隨著質(zhì)量及高度的增加

2、,落石沖擊棚洞頂板的加速度大致呈線性增加。在相同工況條件下,球形落石沖擊棚洞頂板的加速度明顯大于其它形狀的落石沖擊棚洞頂板的加速度。以落石質(zhì)量為5kg及下落高度為2m為例,圓柱形、立方體形、長方體形和球形落石沖擊棚洞頂板的加速度從25.56g增加到40.73g;在上述工況下,球形落石比長方體形落石沖擊棚洞頂板的加速度大18.29％、比立方體形落石沖擊棚洞頂板的加速度大35.57％和比圓柱體形落石沖擊棚洞頂板的加速度大59.33％;當棚洞

3、頂板鋪設砂墊層時,墊層可以有效減少球形落石沖擊棚洞產(chǎn)生的加速度。落石沖擊棚洞(鋪設設置3cm墊層)產(chǎn)生的加速度比落石沖擊棚洞產(chǎn)生的加速度減少了48.64％、而落石沖擊棚洞(鋪設12cm墊層)比落石沖擊棚洞產(chǎn)生的加速度減少了77.72％,數(shù)據(jù)表明,墊層對落石沖擊棚洞耗能效果非常顯著。
　　(2)通過消能棚洞的落石沖擊試驗,分析了落石沖擊消能棚洞產(chǎn)生的加速度變化規(guī)律,獲得了消能支座可以明顯減少落石沖擊消能棚洞頂板產(chǎn)生的加速度。以質(zhì)量為

4、5kg及下落高度為2m的球形落石為例,當落石沖擊消能棚洞較普通棚洞項板產(chǎn)生的加速度減少了52.82％,數(shù)據(jù)表明消能棚洞的耗能效果非常顯著。
　　(3)基于傅立葉變化對消能棚洞的沖擊加速度信號進行了時頻分析,獲得了加速度沖擊信號的頻譜、對數(shù)譜、功率譜和信號自相關中極大值對應的振動頻率及其變化規(guī)律。且通過頻譜分析發(fā)現(xiàn)消能棚洞頻譜的最大值較普通棚洞降低了59.74％,因此消能棚洞的消能效果顯著。并且消能棚洞頻譜的主頻較普通棚洞有較大差異

5、,消能棚洞的極大值位于兩側(cè),即49Hz和951Hz處,而普通棚洞的極大值位于中間,即436Hz和564Hz處;通過棚洞沖擊信號的自相關分析發(fā)現(xiàn)消能棚洞的自相關曲線峰值較普通棚洞降低了82.57％,且消能棚洞的沖擊信號具有一定的周期性和頻率。
　　(4)基于小波分析方法對比分析了消能棚洞與普通棚洞沖擊信號的能量分布特征,對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)消能棚洞的能量比主要分布在頻帶2和頻帶3;消能棚洞的落石沖擊能量主要分布在15.625～62.5Hz頻

6、段,占總能量的63.73％;普通棚洞的落石沖擊能量主要分布在0～15.625Hz頻段,占總能量的74.30％,表明消能棚洞設計時應主要考慮中頻沖擊,普通棚洞設計時應該主要考慮低頻沖擊。
　　(5)基于數(shù)值模擬方法分析了消能棚洞位移及等效應力的分布規(guī)律和消能棚洞的破壞機制,對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)球形落石沖擊消能棚洞的等效應力較普通棚洞的等效應力減少了22.54％,數(shù)據(jù)表明,消能棚洞的耗能效果明顯;通過數(shù)值模擬分析各個觀測點的位移可知,消能棚洞