滾石轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能背景下的柔性防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)有限元探究

宋道國，徐建平，唐黎明

（四川金洪源金屬網(wǎng)欄制造有限公司，四川成都 610000）

近年來，尤其是在我國的邊遠(yuǎn)山區(qū)地帶，邊坡落石以及崩巖等山地自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，使依山修建的公路經(jīng)常會(huì)受到邊坡落石的威脅，由于自然災(zāi)害具有多發(fā)性和突發(fā)性，難以讓人預(yù)測，邊坡落石的發(fā)生不但會(huì)造成交通堵塞嚴(yán)重也影響民生基礎(chǔ)設(shè)施安全，而且會(huì)嚴(yán)重威脅財(cái)產(chǎn)安全和生命健康權(quán)。因此，及時(shí)對容易發(fā)生邊坡落石等自然災(zāi)害的山區(qū)采取有效的邊坡防護(hù)措施是十分有必要的。

目前，針對邊坡滾石、落石等自然災(zāi)害，邊坡防護(hù)采取的傳統(tǒng)措施主要為混凝土結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。由于邊坡落石所處的地勢原因，結(jié)合實(shí)際工程運(yùn)用中，混凝土結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的施工困難，沒有較大的空間適合系統(tǒng)的搭建。因此，相比于其他防護(hù)結(jié)構(gòu)，防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)憑借其安全經(jīng)濟(jì)適用性的優(yōu)勢被廣泛推廣應(yīng)用，尤其是柔性防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在邊坡滾石防治中扮演了重要的角色。

1 柔性防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的概述

柔性防護(hù)網(wǎng)是用于包裹覆蓋斜坡或者巖石實(shí)現(xiàn)防護(hù)滾石下落以鋼絲繩網(wǎng)為主體的柔性防護(hù)網(wǎng)。柔性防護(hù)網(wǎng)主體是鋼絲繩網(wǎng)，還包括格柵網(wǎng)，鋼絲繩網(wǎng)是通過沖壓工藝將熱鍍鋅高強(qiáng)度鋼絲繩制作成全封閉的十字扣，從而得到韌性高、強(qiáng)度高以及鋪展性較好的柔性防護(hù)網(wǎng)。

1.1 柔性防護(hù)網(wǎng)的作用原理

在進(jìn)行邊坡落石防護(hù)時(shí)，將柔性防護(hù)網(wǎng)包裹在需要防護(hù)的邊坡上，從而限制邊坡巖石下落或破壞，在一定范圍內(nèi)控制落石的運(yùn)動(dòng)。柔性防護(hù)網(wǎng)的作用原理與面層護(hù)坡體系相類似，當(dāng)落石沖擊防護(hù)網(wǎng)時(shí)，憑借防護(hù)網(wǎng)的柔性將沖擊載荷消散，沒有消散掉的載荷傳遞到防護(hù)網(wǎng)的四周，最后把剩余沖擊載荷達(dá)到最小程度再傳到地表層，使整體防護(hù)網(wǎng)承受較大的沖擊載荷，從而降低固定系統(tǒng)例如錨桿所承受的載荷力[1]。

1.2 柔性防護(hù)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

柔性防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要由耗能構(gòu)件、金屬網(wǎng)、鋼柱和拉錨繩四個(gè)主要部分組成。其中，在滾石沖擊過程中，起主要防護(hù)作用的是耗能構(gòu)件。目前，常用的耗能構(gòu)件主要由鋼管、鋁套筒和鋼絲繩三部分組成。在進(jìn)行邊坡滾石防護(hù)過程中，將鋼絲繩一端固定，另一端連接在防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)上，通過鋼管與鋁管套筒的摩擦和鋼管的大變形耗散沖擊動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)其耗能作用以及對防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的過載保護(hù)作用。因此，耗能構(gòu)件作為防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的主要組件，在防護(hù)網(wǎng)攔截落石沖擊時(shí)起著至關(guān)重要的作用。

1.3 柔性防護(hù)網(wǎng)的分類

目前，柔性防護(hù)網(wǎng)主要分為主動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)和被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)兩類[2]，它們的主要區(qū)別如表1 所示。

2 滾石轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能分析

滾石是我國西部山區(qū)常見的一種地質(zhì)災(zāi)害，它分布范圍比較廣泛，發(fā)生突然且頻率高，嚴(yán)重威脅其周圍的人們以及各種構(gòu)筑物。

2.1 滾石的幾何特征

滾石一般分為三種形狀，主要為圓球狀、板形、條形，圓球狀滾石阻力小，滾動(dòng)速度快，板形和條形滾石阻力大，滾動(dòng)速度慢[3]。

2.2 滾石動(dòng)能分析

將滾石當(dāng)作一種運(yùn)動(dòng)剛體。

E=12mv2+12Iω2+Ep

式中：m-滾石的質(zhì)量；v-滾石的運(yùn)動(dòng)速度；I-滾石的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω-滾石的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。

其中：I=V1V2R2ρdV≈0.4m×r2（球體）

表1 主動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)和被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)的區(qū)別

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：E≈1.2Ek=0.6mv2

2.3 滾石的運(yùn)動(dòng)軌跡分析

（1）滾石運(yùn)動(dòng)軌跡大多數(shù)沿著邊坡，為坡面形狀，其運(yùn)動(dòng)速度的變化主要受坡面摩擦作用控制，主要運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1 所示。

圖1 滾石的運(yùn)動(dòng)軌跡

此時(shí)，滾石的運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算如下：

v=v0+2as

a=gsinα-μcosα

其中：v0-起始運(yùn)動(dòng)速度；μ-摩擦系數(shù)。

（2）滾石在向下滑落的過程中，若出現(xiàn)離開斜面的情況，運(yùn)動(dòng)軌跡為各接觸點(diǎn)間滾石運(yùn)動(dòng)拋物線段的組合，出現(xiàn)阻尼作用。

此時(shí)，滾石的運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算如下：

v=βv0

滾石起跳時(shí)垂直于斜面的速度：A1=β1vx′cosα-vy′sinα

滾石起跳時(shí)沿斜面的速度：A2=β2vx′sinα+vy′cosα

落地時(shí)水平方向的速度：vx″=A1cosα+A2sinα

落地時(shí)豎直方向的速度：vy″=A2cosα-A1sinα其中：v0-起始運(yùn)動(dòng)速度；β-阻尼系數(shù)。

2.4 影響滾石轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能的因素

2.4.1 邊坡條件

邊坡條件主要包括邊坡的高度、坡度以及邊坡的地質(zhì)條件，高度和坡度的大小會(huì)直接影響滾石的穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)特征。地質(zhì)條件主要分為坡面表面地質(zhì)條件和坡體內(nèi)部的地質(zhì)條件，坡面的地質(zhì)條件會(huì)影響滾石在坡面運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力，坡體內(nèi)部的地質(zhì)會(huì)改變坡面的形態(tài)，不僅會(huì)影響坡面的承載力，還會(huì)在一定程度上影響滾石運(yùn)動(dòng)的頻率。

2.4.2 塊石條件

塊石條件主要包括塊石的尺寸、形狀以及分布位置。塊石的尺寸會(huì)影響滾石轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的沖擊力。塊石的形狀會(huì)影響滾石的穩(wěn)定性，改變滾石的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，比如球狀滾石更容易以滾動(dòng)的方式運(yùn)動(dòng)，方狀滾石更容易以滑動(dòng)的方式運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方式的不同會(huì)影響滾石轉(zhuǎn)動(dòng)過程中沖擊力的大小。

2.5 滾石沖擊力的研究現(xiàn)狀

綜合文獻(xiàn)研究所述，國內(nèi)外研究滾石沖擊力的方法主要分為四種，如下所述：

（1）按滾石能量計(jì)算，沖擊力的計(jì)算只考慮了滾石的能量，完全忽略了滾石和柔性防護(hù)網(wǎng)的材料本身特性，從而沒有考慮不同材質(zhì)對沖擊力的影響，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。

（2）按柔性防護(hù)網(wǎng)的彈性模量計(jì)算，沖擊力的計(jì)算只考慮柔性防護(hù)網(wǎng)的彈性模量因素，忽略了柔性防護(hù)網(wǎng)的材料本身特性以及滾石的運(yùn)行速度和質(zhì)量，計(jì)算結(jié)果受限制較大，從而導(dǎo)致沖擊力的計(jì)算不準(zhǔn)確。

（3）按柔性防護(hù)網(wǎng)和滾石的材料特性和彈性模量計(jì)算，但由于以不同尺度為基準(zhǔn)，使計(jì)算公式的結(jié)果存在較大的偏差。

（4）按計(jì)算公式的量綱分析原理，充分研究沖擊力與滾石之間的關(guān)系，以及沖擊力與柔性防護(hù)網(wǎng)之間的關(guān)系，主要考慮彈性模量和滾石質(zhì)量、速度等，雖然該方法整體考慮了滾石和柔性防護(hù)網(wǎng)的影響因素，但由于忽略了滾石運(yùn)動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能對沖擊力的影響，從而導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。

3 滾石轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能背景下的柔性防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)有限元分析

在滾石沖擊防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)過程中，耗能構(gòu)件承受的是動(dòng)力沖擊荷載。經(jīng)研究分析，國內(nèi)外在防護(hù)網(wǎng)關(guān)鍵耗能構(gòu)件的試驗(yàn)設(shè)備的加載沖擊力、速度及行程，都無法滿足落石沖擊產(chǎn)生的巨大沖擊力、速度及行程，目前國內(nèi)外的分析僅限于靜力試驗(yàn)、靜力和動(dòng)力的有限元分析，如圖2 所示。

圖2 靜力試驗(yàn)之后的耗能構(gòu)件

基于靜力分析的基礎(chǔ)，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)已有試驗(yàn)結(jié)果分析了耗能構(gòu)件的耗能性能，得知啟動(dòng)荷載以及破壞機(jī)制等特性是建立在靜力分析的基礎(chǔ)上。據(jù)文獻(xiàn)記載，有學(xué)者提出了耗能構(gòu)件的集中設(shè)計(jì)方法，對其靜力耗能性能進(jìn)行試驗(yàn)研究；研究耗能構(gòu)件的靜力耗能性能，對耗能構(gòu)件進(jìn)行靜力試驗(yàn)和動(dòng)力有限元分析；研究不同型號、不同參數(shù)的耗能構(gòu)件的有限元分析并提出耗能構(gòu)件的優(yōu)化方案等。但現(xiàn)有文獻(xiàn)研究并無法真實(shí)反映實(shí)際沖擊作用下的耗能機(jī)理和工作狀態(tài)。

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者對耗能構(gòu)件的研究現(xiàn)狀可知，防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中耗能構(gòu)件的研究多著重于靜力試驗(yàn)和動(dòng)力有限元分析，而在滾石沖擊防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)、耗能構(gòu)件啟動(dòng)后，其動(dòng)力力學(xué)性能更能反映其實(shí)際的工作狀態(tài)。

根據(jù)現(xiàn)有耗能構(gòu)件耗能方式的局限性及設(shè)計(jì)不足之處，自行研發(fā)設(shè)計(jì)的耗能構(gòu)件動(dòng)力加載試驗(yàn)裝置，基于自行設(shè)計(jì)研發(fā)的動(dòng)力加載裝置，對新型耗能構(gòu)件進(jìn)行充足的動(dòng)力試驗(yàn)研究、有限元分析和理論分析。具體步驟如下：

（1）通過改變耗能構(gòu)件相應(yīng)的參數(shù)，可得到一系列的試驗(yàn)結(jié)果。

（2）通過參數(shù)分析的方法，可以進(jìn)行新型耗能構(gòu)件的啟動(dòng)荷載、變形特點(diǎn)、耗能性能、破壞形態(tài)和破壞機(jī)制的研究，并且通過改變新型耗能構(gòu)件的參數(shù)進(jìn)行控制變量的動(dòng)力試驗(yàn)方法，對其進(jìn)行基于動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果的性能優(yōu)化，進(jìn)而提出更適應(yīng)與承受動(dòng)力作用的耗能構(gòu)件，設(shè)計(jì)研發(fā)更經(jīng)濟(jì)高效的新型耗能構(gòu)件。

（3）結(jié)合沖擊試驗(yàn)和有限元分析，擬合出新型耗能構(gòu)件的啟動(dòng)荷載、失效荷載、耗散能量的計(jì)算公式，用于耗能構(gòu)件的工程設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

本文研究了落石沖擊過程中的防護(hù)網(wǎng)關(guān)鍵耗能構(gòu)件的能量耗散機(jī)理。結(jié)合沖擊試驗(yàn)和有限元分析，運(yùn)用動(dòng)力性能指標(biāo)，擬合出新型耗能構(gòu)件的啟動(dòng)荷載、失效荷載、耗散能量的計(jì)算公式，用于耗能構(gòu)件的工程設(shè)計(jì)，提出防護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)耗能構(gòu)件的耗能計(jì)算公式，不斷優(yōu)化其動(dòng)力力學(xué)性能和耗能性能，從而為柔性防護(hù)網(wǎng)耗能構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供理論指導(dǎo)，對優(yōu)化后的經(jīng)濟(jì)高效的耗能構(gòu)件在柔性防護(hù)網(wǎng)的應(yīng)用具有重要意義，提升了柔性防護(hù)網(wǎng)抵御落石災(zāi)害的安全性。