抗落石沖擊棚洞結構研究.pdf

1、棚洞作為一種落石被動防護結構，在工程中得到了廣泛應用。但其結構的抗沖擊動力響應問題、結構形式的優(yōu)化分析有待進一步研究。本文依托國家自然基金（編號:51108488），運用數值模擬方法，分析了不同結構形式棚洞的抗落石沖擊動力響應，得到較優(yōu)的棚洞結構形式為半拱斜柱式棚洞;對半拱斜柱式棚洞結構做了進一步優(yōu)化;做了不同棚洞結構形式下的落石沖擊力對比分析。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、門式直柱式棚洞結構在落石豎向沖擊棚洞洞頂時，棚洞結構產生的最大等效應力均在柱結構處。相同條件下，半拱斜柱式棚洞結構產生的最大等效應力最小、拱頂沉降量最小，即半拱斜柱式棚洞為較優(yōu)的棚洞結構形式。對于斜柱式棚洞，結構最大等效應力分布從大到小為:柱頂端內側＞柱底端內側＞托梁頂端內側＞落石沖擊位置下方。隨著棚洞結構形式的不同，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，同時受棚洞結構的形式差異影響也較大，建議在落石沖擊力的計算中考慮結構形式這一重要影響因素。
　　(2)在不同落石沖擊位置下，半拱斜柱式棚洞結構的最大等效應力差異較大。落石沖擊位置橫向越靠近斜柱，結構等效應力越大，且遠大于其他位置。故結構最不利的沖擊位置為斜柱頂部附近，建議在棚洞結構的設計中，考慮落石沖擊位置的不同造成的結構動力響應差異。
　　(3)在不同落石沖擊角度沖擊下，半拱斜柱式棚洞結構的最大等效應力差異較大。最

4、大等效應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，棚洞結構產生的最大等效應力最大。同時，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先增加后減小的趨勢，在角度為45°時切向沖擊力達到最大值。建議在棚洞結構設計中，以落石45°沖擊角度做為結構安全性的控制標準。
　　(4)半拱斜柱式棚洞在柱斜率為1∶0時結構最大等效應力最大，柱斜率為1∶0.

5、2時結構最大等效應力較小，柱斜率為1∶0.25時結構最大等效應力最小。柱斜率為1∶0時頂板垂向位移最大，柱斜率為1∶0.25時頂板垂向位移較小，柱斜率為1∶0.3時頂板垂向位移最小。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，半拱斜柱式棚洞結構的等效應力振蕩頻率基本一致，但等效應力峰值出現的時刻不一致且無明顯規(guī)律?？傮w表現為柱間距越大結構最大等效應力越大。從安全、經濟等角度考慮，5

6、m斜柱間距設置可視為合理取值。
　　(6)在半拱斜柱式棚洞結構的斜柱截面優(yōu)化中，對柱結構采取的橫向加強措施效果明顯，結構產生的較大等效應力在柱身分布較均勻。而對柱結構采取的縱向加強，雖然棚洞結構加強處等效應力有所減小，但斜柱底部內側依然有較大應力出現，未能改善結構的應力集中現象。故建議在棚洞結構的設計中，可考慮柱結構的橫向過渡加強，縱向則可不需設置過渡區(qū)。
　　(7)隨著半拱斜柱式棚洞結構頂板傾角的不同，結構受沖擊后產生的等

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