抗落石沖擊棚洞結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、棚洞作為一種落石被動(dòng)防護(hù)結(jié)構(gòu)，在工程中得到了廣泛應(yīng)用。但其結(jié)構(gòu)的抗沖擊動(dòng)力響應(yīng)問題、結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化分析有待進(jìn)一步研究。本文依托國(guó)家自然基金（編號(hào):51108488），運(yùn)用數(shù)值模擬方法，分析了不同結(jié)構(gòu)形式棚洞的抗落石沖擊動(dòng)力響應(yīng)，得到較優(yōu)的棚洞結(jié)構(gòu)形式為半拱斜柱式棚洞;對(duì)半拱斜柱式棚洞結(jié)構(gòu)做了進(jìn)一步優(yōu)化;做了不同棚洞結(jié)構(gòu)形式下的落石沖擊力對(duì)比分析。取得的主要研究成果如下:
　　(1)半拱斜柱式棚洞、門式斜柱式棚洞、半拱直柱式棚洞以及

2、門式直柱式棚洞結(jié)構(gòu)在落石豎向沖擊棚洞洞頂時(shí)，棚洞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力均在柱結(jié)構(gòu)處。相同條件下，半拱斜柱式棚洞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力最小、拱頂沉降量最小，即半拱斜柱式棚洞為較優(yōu)的棚洞結(jié)構(gòu)形式。對(duì)于斜柱式棚洞，結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力分布從大到小為:柱頂端內(nèi)側(cè)＞柱底端內(nèi)側(cè)＞托梁頂端內(nèi)側(cè)＞落石沖擊位置下方。隨著棚洞結(jié)構(gòu)形式的不同，落石最大沖擊力由大到小為:門式直柱式＞門式斜柱式＞半拱斜柱式＞半拱直柱式。落石沖擊力大小不僅受落石、墊層、棚洞消能材料等

3、的影響，同時(shí)受棚洞結(jié)構(gòu)的形式差異影響也較大，建議在落石沖擊力的計(jì)算中考慮結(jié)構(gòu)形式這一重要影響因素。
　　(2)在不同落石沖擊位置下，半拱斜柱式棚洞結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力差異較大。落石沖擊位置橫向越靠近斜柱，結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力越大，且遠(yuǎn)大于其他位置。故結(jié)構(gòu)最不利的沖擊位置為斜柱頂部附近，建議在棚洞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，考慮落石沖擊位置的不同造成的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)差異。
　　(3)在不同落石沖擊角度沖擊下，半拱斜柱式棚洞結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力差異較大。最

4、大等效應(yīng)力隨沖擊角度的變化從大至小依次為:45°＞15°＞30°＞60°＞0°，即在落石沖擊角度為45°時(shí)，棚洞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力最大。同時(shí)，落石法向沖擊力隨落石沖擊角度的增大而減小，落石切向沖擊力隨落石沖擊角度的增大呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在角度為45°時(shí)切向沖擊力達(dá)到最大值。建議在棚洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，以落石45°沖擊角度做為結(jié)構(gòu)安全性的控制標(biāo)準(zhǔn)。
　　(4)半拱斜柱式棚洞在柱斜率為1∶0時(shí)結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力最大，柱斜率為1∶0.

5、2時(shí)結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力較小，柱斜率為1∶0.25時(shí)結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力最小。柱斜率為1∶0時(shí)頂板垂向位移最大，柱斜率為1∶0.25時(shí)頂板垂向位移較小，柱斜率為1∶0.3時(shí)頂板垂向位移最小。建議半拱斜柱式棚洞斜柱斜率較優(yōu)的取值范圍為1∶0.2～1∶0.3。
　　(5)在不同柱間距下，半拱斜柱式棚洞結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力振蕩頻率基本一致，但等效應(yīng)力峰值出現(xiàn)的時(shí)刻不一致且無(wú)明顯規(guī)律。總體表現(xiàn)為柱間距越大結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力越大。從安全、經(jīng)濟(jì)等角度考慮，5

6、m斜柱間距設(shè)置可視為合理取值。
　　(6)在半拱斜柱式棚洞結(jié)構(gòu)的斜柱截面優(yōu)化中，對(duì)柱結(jié)構(gòu)采取的橫向加強(qiáng)措施效果明顯，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的較大等效應(yīng)力在柱身分布較均勻。而對(duì)柱結(jié)構(gòu)采取的縱向加強(qiáng)，雖然棚洞結(jié)構(gòu)加強(qiáng)處等效應(yīng)力有所減小，但斜柱底部?jī)?nèi)側(cè)依然有較大應(yīng)力出現(xiàn)，未能改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。故建議在棚洞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，可考慮柱結(jié)構(gòu)的橫向過渡加強(qiáng)，縱向則可不需設(shè)置過渡區(qū)。
　　(7)隨著半拱斜柱式棚洞結(jié)構(gòu)頂板傾角的不同，結(jié)構(gòu)受沖擊后產(chǎn)生的等

7、效應(yīng)力差異較大。對(duì)于頂板傾角為負(fù)值的結(jié)構(gòu)，柱底部外側(cè)等效應(yīng)力較頂板傾角為0°時(shí)有所增大，對(duì)于頂板傾角為正值的結(jié)構(gòu)，柱頂部外側(cè)等效應(yīng)力較頂板傾角為0°時(shí)有所增大?；颈憩F(xiàn)為頂板傾角0°時(shí)結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力最小，即頂板傾角0°時(shí)為最優(yōu)角度。
　　(8)探索了一種頂部為弧形的棚洞頂板結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果表明:弧形頂板結(jié)構(gòu)在不同的落石沖擊位置下產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力均比平面頂板結(jié)構(gòu)要小，平均可減小3％～12％。同時(shí)，落石沖擊力受棚洞結(jié)構(gòu)局部的變化影響也比