抗8 000 kJ能级落石冲击被动柔性防护网设计

吴昊 吴逸凡 马亮亮

吴昊, 吴逸凡, 马亮亮. 抗8 000 kJ能级落石冲击被动柔性防护网设计[J]. 爆炸与冲击. doi: 10.11883/bzycj-2024-0150
引用本文: 吴昊, 吴逸凡, 马亮亮. 抗8 000 kJ能级落石冲击被动柔性防护网设计[J]. 爆炸与冲击. doi: 10.11883/bzycj-2024-0150
WU Hao, WU Yifan, MA Liangliang. Design of passive flexible barrier against rockfall impact with 8 000 kJ energy level[J]. Explosion And Shock Waves. doi: 10.11883/bzycj-2024-0150
Citation: WU Hao, WU Yifan, MA Liangliang. Design of passive flexible barrier against rockfall impact with 8 000 kJ energy level[J]. Explosion And Shock Waves. doi: 10.11883/bzycj-2024-0150

抗8 000 kJ能级落石冲击被动柔性防护网设计

doi: 10.11883/bzycj-2024-0150
基金项目: 国家自然科学基金(52378526)
详细信息
    作者简介:

    吴 昊(1981- ),男,博士,教授,wuhaocivil@tongji.edu.cn

    通讯作者:

    马亮亮(1994- ),男,博士,博士后,24310004@tongji.edu.cn

  • 中图分类号: O347.2; TU311.41

Design of passive flexible barrier against rockfall impact with 8 000 kJ energy level

  • 摘要: 常用抗落石冲击被动柔性防护网的防护能级和国内标准检验能级均不高于5 000 kJ,而山区桥梁等重要交通基础设施常常面临更高冲击能级落石灾害的威胁。采用数值模拟方法开展了8 000 kJ能级被动柔性防护网的抗落石冲击分析与设计工作。首先,基于显式动力学有限元软件ANSYS/LS-DYNA对典型被动柔性防护网单环和三环环链拉伸试验、网片顶破试验以及2 000 kJ能级落石冲击足尺防护网试验进行数值模拟复现,通过与网环最大破断力、破断位移和破坏特征、落石冲击全过程以及防护网钢丝绳内力时程等试验数据进行对比,验证了所采用数值模拟方法的可靠性。然后,分析了钢柱倾角、跨距、高度以及消能装置规格等参数对落石冲击下防护网动力行为的影响,结果表明:消能装置规格是控制防护网内力与位移的关键参数;钢柱倾角建议取10°;增加钢柱跨距会减小结构的面内刚度,而对横向锚固力的影响较小;增加钢柱高度会显著提升柱底支反力;改变钢柱高度和跨距需同时合理调整各钢丝绳的锚固位置。最后,通过调整防护网几何尺寸、消能装置规格和添加横向辅助支撑绳等措施给出了2种8 000 kJ能级防护网设计方案,均通过EAD 340059-00-0106标准检验。
  • 图  1  防护网准静态试验与足尺冲击试验

    Figure  1.  Quasi-static and full-scale impact tests of barrier

    图  2  钢柱细部构造

    Figure  2.  Detailed diagrams of steel posts

    图  3  减压环照片及简化性能曲线

    Figure  3.  Photograph and simplified performance curve of the brake ring

    图  4  典型网片组成及建模[22]

    Figure  4.  Composition and modeling of typical net[22]

    图  5  消能装置梁单元的工程应力-应变曲线

    Figure  5.  Engineering stress-strain curve of beam element of energy dissipating device

    图  6  有限元模型

    Figure  6.  Finite element models

    图  7  滑移接触

    Figure  7.  Sliding contact

    图  8  单环网格敏感性分析

    Figure  8.  Mesh size convergence analysis of single-wire ring

    图  9  网环力-位移曲线和破坏模式的预测与试验结果对比

    Figure  9.  Comparisons of predicted and experimental force-displacement curves and failure modes of wire rings

    图  10  典型时刻防护网变形对比

    Figure  10.  Comparisons of instantaneous deformations of barrier

    图  11  钢丝绳内力时程对比

    Figure  11.  Comparisons of cable force-time histories

    图  12  拟分析参数示意图

    Figure  12.  Diagram of parameters to be analyzed

    图  13  消能装置规格曲线

    Figure  13.  Performance curves of energy dissipating devices

    图  14  不同钢柱倾角下防护网的动态响应

    Figure  14.  Dynamic responses of barrier in various steel post inclining angle

    图  15  不同钢柱倾角下防护网的最大变形(侧视图)

    Figure  15.  Maximum deformation of the barrier under various inclining angles of steel post (side view)

    图  16  不同钢柱跨距下防护网的动态响应

    Figure  16.  Dynamic responses of barrier in various steel post spacing

    图  17  不同钢柱高度下防护网的动态响应

    Figure  17.  Dynamic responses of barrier in various steel post height

    图  18  不同消能装置规格下防护网的动态响应

    Figure  18.  Dynamic responses of barrier in various capacities of energy dissipating device

    图  19  2种防护网结构布置

    Figure  19.  Structural layout of two types of barrier designs

    图  20  欧洲标准[14]检验结果

    Figure  20.  Test results based on European standard[14]

    图  21  2种设计方案中防护网的动态响应与耗能分布

    Figure  21.  Dynamic response and energy consumption of two types of barrier designs

    表  1  防护网主要部件参数[19]

    Table  1.   Parameters of main components of barrier[19]

    部件规格破断力/kN消能装置
    FaFs/kNδmax/m
    网片R16/3/300
    上主支撑绳2φ2261080~1002.1
    下主支撑绳2φ2261080~1002.1
    上次支撑绳1φ2230540~502.1
    下次支撑绳1φ2230540~502.1
    侧向支撑绳1φ2230540~501.1
    上拉锚绳1φ2230580~1001.1
    侧向拉锚绳1φ22305
    钢柱HW200×200×8×12
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    表  2  防护网各部件材料模型和参数[19]

    Table  2.   Material models and corresponding parameters of barrier components[19]

    部件材料模型密度/(kg·m–3)泊松比弹性模量/GPa单元类型
    网片*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY7 8500.3200梁单元
    卸扣*MAT_PLASTIC_KINEMATIC7 8500.3206梁单元
    支撑绳*MAT_CABLE_DISCRETE_BEAM7 8500.3150索单元
    落石*MAT_RIGID2 8730.320实体单元
    消能装置*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY7 8500.3200梁单元
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    表  3  冲击工况

    Table  3.   Impact scenarios

    工况 钢柱角度/(°) 钢柱跨度/m 钢柱高度/m 消能装置规格曲线
    1-1 0 9 5.5 0
    1-2 10 9 5.5 0
    1-3 20 9 5.5 0
    1-4 30 9 5.5 0
    2-1 10 10 5.5 0
    2-2 10 11 5.5 0
    3-1 10 9 6.5 0
    3-2 10 9 7.5 0
    4-1 10 9 5.5 1
    4-2 10 9 5.5 2
    4-3 10 9 5.5 3
    4-4 10 9 5.5 4
    4-5 10 9 5.5 5
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    表  4  防护网各部件耗能比例

    Table  4.   Energy consumption ratio of each barrier component

    部件耗能比例系数[25]放大系数设计总耗能能力/kJ
    支撑绳上消能装置0.61.57 200
    拉锚绳上消能装置0.21.52 400
    其他0.21.52 400
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    表  5  防护网各部件规格参数

    Table  5.   Specifications of each barrier component

    部件 规格 破断力/kN 消能装置设计值
    FaFs/kN δmax/m
    方案一 方案二
    网片 R19/3/300
    上主支撑绳 2φ22 610 250~250 4.00 2.00
    下主支撑绳 2φ22 610 250~250 5.00 2.50
    上次支撑绳 1φ22 305 150~150 2.50 1.00
    下次支撑绳 1φ22 305 150~150 2.50 1.00
    辅助支撑绳1和4 2φ22 610 300~300 1.50
    辅助支撑绳2和3 2φ22 610 300~300 3.00
    侧向支撑绳 1φ22 305 150~150 1.50 1.00
    上拉锚绳(内柱) 1φ22 305 150~150 3.00
    上拉锚绳(边柱) 1φ22 305 100~100 1.00
    上拉锚绳 1φ22 305 100~100 2.00
    侧向拉锚绳 1φ22 305
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    表  6  防护网检验通过标准和分级标准[14]

    Table  6.   Test passing criteria and categorising criteria for barrier[14]

    试验 冲击条件 通过标准 通过后分级标准
    SEL-1 落石连续两次冲击网片中心,
    且两次冲击之间无维护
    落石被拦截,连接结构无破坏,残余拦截
    高度HR大于标称高度HN的70%
    SEL-2 落石被拦截
    MEL 落石单次冲击网片中心 落石被拦截 A类:HR≥50%HN
    B类:30%HN<HR<50%HN
    C类:HR<30%HN或上下支撑绳发生断裂
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    表  7  检验能级

    Table  7.   Test energy level

    落石试块冲击能量/kJ冲击速度/(m·s−1)质量/kg名义直径/m
    SEL-1试验2 660267 8701.567
    SEL-2试验2 660267 8701.567
    MEL试验8 0002623 6692.266
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    表  8  消能装置拉伸变形长度数值模拟结果

    Table  8.   Simulation results of the elongations of energy dissipating devices

    布置位置 FaFs/kN 拉伸变形长度/m
    方案一 方案二
    设计值 模拟值 设计值 模拟值
    上主支撑绳 250~250 4.00 3.53 2.00 1.48
    下主支撑绳 250~250 5.00 4.58 2.50 2.09
    上次支撑绳 150~150 2.50 2.25 1.00 0.83
    下次支撑绳 150~150 2.50 2.18 1.00 0.86
    辅助支撑绳1和4 300~300 1.50 0.90/1.28
    辅助支撑绳2和3 300~300 3.00 2.07/2.83
    侧向支撑绳 150~150 1.50 1.18 1.00 0.46
    上拉锚绳(内柱) 150~150 3.00 2.84
    上拉锚绳(边柱) 100~100 1.00 0.28
    上拉锚绳 100~100 2.00 1.87
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-05-23
  • 修回日期:  2024-07-11
  • 网络出版日期:  2024-07-15

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