山区桥梁柔性防护棚洞抗冲击性能研究

我国西部山区崩塌落石灾害频发，柔性棚洞是一种常见的被动防护措施，凭借结构轻巧、安装方便等特点，适用于桥梁结构的落石防护。为研究桥梁钢结构柔性防护棚洞在落石冲击下的响应，本文运用LS-DYNA显式动力学分析软件对落石冲击桥梁柔性防护棚洞进行仿真模拟，分析不同冲击速度、不同冲击位置等对柔性棚洞以及桥梁结构冲击响应的影响，得到棚洞结构中高强钢丝网、钢拱圈和钢横梁3种主要构件及T梁结构本身在冲击作用下的响应规律。研究结果表明：落石冲击柔性防护棚洞结构的不同位置，产生的冲击响应均随着落石速度的增加而增大；其中落石冲击防护网时桥梁受到的冲击效应最小，在防护网未被冲破的情况下不会对桥梁结构造成太大损伤；而落石直接冲击钢拱圈时桥梁受到的冲击效应最大，钢基座下方混凝土在较低能级冲击下就会破坏。另外还对多落石冲击工况进行初步尝试，为桥梁落石防护的工程设计提供参考依据。     

隧道洞口柔性棚洞防护结构可靠性分析及应用

为了解决山区高速铁路隧道洞口的落石问题,结合工程实例建立柔性棚洞数值模型,模拟了落石冲击过程,从能量、变形、应力3方面对柔性棚洞防护结构可靠性进行了分析。结果表明:柔性棚洞能够对初始动能为100 kJ的落石进行有效拦截,受落石冲击柔性棚洞防护结构没有出现支撑绳和环形网破断。与传统的钢筋混凝土棚洞相比,柔性棚洞在结构受力、施工速度、环保、经济性等方面均有显著优势,适用于隧道洞口落石防护,尤其是快速抢修抢建工程。     

消能棚洞的落石冲击计算及消能效果研究

基于结构动力学基本原理,根据落石冲击棚洞时的动力特性,并考虑棚洞和消能支座的弹性和黏滞性,推导落石冲击力随时间变化的计算公式。根据消能棚洞的结构特性和受力条件,建立消能棚洞的振动模型,推导消能棚洞刚度系数的计算公式,进而得到消能棚洞的落石冲击力计算公式。以国道G319武隆境内的某棚洞和铁路丰沙线的某棚洞为例,对消能棚洞的消能效果进行分析。结果表明,采用消能棚洞形式后,落石冲击力可消减50%左右,横梁最大弯矩以及纵梁上、下侧最大弯矩可分别降低15%以上,17.3%和6.9%,说明消能棚洞对落石冲击力和棚洞内力的消减效果明显,较大地提高了棚洞的承载能力。     

3种隧道洞口落石防护方案对比分析

为解决既有隧道洞口落石防护问题,比较了钢桁架棚洞、柔性棚洞以及波纹钢板棚洞3种落石防护结构的优缺点,并采用有限元软件对其可靠性进行数值模拟。研究结果表明:3种防护结构均能对能级为100 kJ的落石进行有效拦截;钢桁架棚洞为刚性结构,不利于落石的缓冲及能量吸收,会发生局部变形损伤,适用于洞口坡面陡峭、桥面与地面高差不大、围岩条件较好地段;柔性棚洞以柔克刚能充分吸收落石的冲击能量,适用于洞口场地施工条件差的隧道以及既有工程改造项目;波纹钢板棚洞施工速度快、强度高,更适用于洞口抢修工程。     

基于落石模型试验的棚洞垫层力学响应及优化设计

结合边坡落石灾害现状,基于落石模型试验,系统分析落石质量、下落高度、垫层厚度、加筋位置、加筋材料等因素对落石冲击力及其动态演化的影响,揭示落石冲击棚洞的动力响应规律,结合垫层自重与落石冲击作用双因素影响确定垫层最优厚度,并对垫层设计提出优化建议。结果表明：随着垫层厚度增加,棚洞所受落石冲击力呈非线性减小,减小幅度先大后小而后趋于稳定;在同一垫层厚度下,棚洞所受落石冲击力随落石高度和落石质量近似呈线性增大;当复合垫层设计为“5 cm河砂+聚苯乙烯泡沫(EPS)+10 cm河砂”时,落石中心处土压力峰值相较于纯河砂垫层降低约60%,缓冲耗能效果最佳;通过多元回归分析得到了落石冲击力计算公式,且计算结果与实验数据吻合良好。     

落石冲击作用下柔性棚洞结构灵敏度分析

研究目的:柔性棚洞是一种拦截边坡落石的被动防护结构,凭借施工方便、经济环保等特点广泛运用于落石灾害防护领域,但是目前没有规范指导柔性棚洞结构进行设计.本文基于能量法建立落石冲击柔性棚洞结构失效模型等三个模型,采用Sobol'全局灵敏度分析法得到柔性棚洞结构参数一阶、全局灵敏度,提出柔性棚洞结构优化设计思路.研究结论:(...     

落石冲击大跨度拱形明洞结构作用机理研究

研究目的:为探明落石冲击作用于拱形明洞结构荷载分布规律,确保明洞结构安全,本文以铁路双线双耳墙式明洞为研究对象,采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,通过改变落石质量、冲击速度和回填土厚度分析落石冲击力和落石冲击所在横、纵断面明洞结构受到的冲击压应力,提出计算落石冲击力、冲击压应力的方法。研究结论:(1)当回填土厚度从1 m增大至4 m时,落石冲击力没有明显变化,而落石冲击作用于明洞结构的最大压应力迅速减小,说明应以落石冲击压应力和回填土自重应力作为明洞结构设计依据;(2)落石冲击压应力随着距落石冲击点水平距离的增大而减小,近似成圆台形分布,其扩散角约为50°;(3)落石冲击力、冲击压应力随落石质量、冲击速度的增大而增大;(4)综合落石质量和冲击速度提出了以冲击能量计算落石冲击力和冲击压应力的方法;(5)本研究成果可为明洞设计提供参考。     

落石冲击作用下棚洞-拦石墙顶板及缓冲层的动力响应

以黔张常铁路（黔江—张家界—常德）为例，采用离散元软件PFC3D与有限差分软件FLAC 3D进行耦合计算，研究落石冲击棚洞-拦石墙顶板及缓冲层的动力响应，优化棚洞-拦石墙顶板及缓冲层设计，并对掺有轮胎颗粒的缓冲层进行研究。结果表明：可适当减小棚顶厚度，达到减轻结构自重与节省原料的目的，但棚顶厚度不宜小于0.4 m；适当增加缓冲层厚度可以减小落石冲击力，从而减小顶板挠度与应力，且缓冲层厚度不宜低于0.50 m；缓冲层添加20%～30%轮胎颗粒能有效提升缓冲层防护效果。     

铁路防治危岩落石桥梁-棚洞一体化结构设计研究

危岩落石灾害是世界范围内高山峡谷地区一种常见的地质灾害类型，具有分布范围广、破坏力强、发生突然等特点，对其危害范围内的构筑物和人类活动构成了严重威胁。当受种种条件限制，考虑空间、地形和投资等因素，桥梁-棚洞一体化结构在提高山区铁路危岩落石防治技术综合水平、保障铁路运营安全方面优势明显。基于RocFall等软件，探讨了危岩落石的冲击计算参数、冲击能量、影响范围、桥梁-棚洞一体化结构的防护能级与防护范围等，提出适用于高速铁路常用跨度32 m简支箱梁的钢筋混凝土刚架式桥梁-棚洞一体化结构设计方案。结果表明：钢筋混凝土刚架式桥梁-棚洞一体化结构在500 kJ的防护能级及以下是可行的；主力(单线活载)+落石冲击荷载为最不利荷载组合，也是结构设计的荷载控制组合，此时结构响应和各项指标满足规范要求。     

基于离散元方法的落石冲击力变化规律研究

采用PFC 2D离散元软件模拟落石冲击铁路棚洞现场试验,从落石冲击力大小、冲击作用时间2方面将数值计算结果与试验结果进行对比分析,验证了数值模拟计算结果与试验结果基本一致。对不同半径、不同密度的落石冲击作用进行了数值模拟,发现在冲击能量相同的情况下,同一密度而半径小或者相同半径而密度小的落石冲击力更大;落石回弹加速度在相同高度的条件下也遵循同一密度而半径小或者相同半径而密度小的落石回弹加速度更大的规律。     

Z形刚架半棚式明洞方案比选和设计分析

为了选择落石威胁下的严重偏压地形地段的合理工程方案,满足工程美学和环保要求,通过各种方案比选,提出一种新型结构形式—Z形刚架半棚式明洞。针对落石冲击荷载进行计算分析,分析结果表明:在各种冲击角度下,冲击荷载小于1800 k N时,各部位第一主应力均小于混凝土抗拉极限强度;Z形刚架半棚式明洞具有较强的抗落石冲击能力,具有较好的安全性。Z形刚架半棚式明洞具有开挖小,能承受落石荷载较大,受力特性较好,结构美观,对沿途景观和植被破坏小,施工较为方便等优点,具有较好的应用前景,可给隧道设计、施工和研究提供有益的借鉴和参考。     

落石冲击拱形明洞结构作用力传递机理模型试验研究

通过改变落石质量、下落高度及明洞回填土厚度,利用缩尺模型试验分析了落石冲击点明洞横、纵断面结构不同部位的冲击压应力以及拱顶加速度。研究结果表明:作用于隧道明洞结构的冲击压应力及其分布范围随落石质量、下落高度的增大而增大;在靠近落石冲击点正下方一定区域内,压应力随回填土厚度的增大而减小,而在较远区域压应力则随回填土厚度先增大后减小;冲击压应力最大值位于拱顶冲击部位,并随着距拱顶冲击点距离的增大而减小;拱形明洞竖向加速度最大,其次是纵向,横向最小。     

张吉怀铁路土峪隧道危岩落石特征及防护措施研究

山区铁路隧道进出口常面临危岩落石的威胁，依托张吉怀铁路开展高陡边坡危岩落石勘察及防护措施研究。土峪隧道进出口山体陡峭，竖向节理发育，岩体破碎，分布大量危岩落石，对铁路施工及运营构成巨大威胁。通过遥感解译、三维激光扫描、现场调查等“空-天-地”综合勘察手段，查清了土峪隧道进出口的危岩落石分布范围和特征；采用落石模拟软件Rockfall对洞口落石的运动轨迹进行模拟，分析落石的影响范围、冲击速度、弹跳高度和冲击能量，结合土峪隧道进出口地形、地质条件，提出“清除锚固+棚洞/明洞+主被动网”的综合防护措施；最后，总结形成了山区铁路隧道口硬质岩陡峭边坡危岩落石的勘察方法和加固防护设计原则。     

铁路隧道进出口段落石冲击力计算分析

研究目的:崩塌落石是高陡的岩质边坡中,一种常见地质灾害,如不加以治理,可能造成交通中断以及巨大的人员伤亡和经济损失。在山区修建铁路工程时,尤其是隧道进出口段,为了防止崩塌落石对轨道结构的影响,常采用明洞、棚洞等处理措施,落石冲击力是进行明洞、棚洞及拦石墙等被动防治结构设计的主要荷载之一。目前,落石冲击力主要是通过一些半经验半理论的公式计算得到,这些方法的适用性、合理性有待通过充分研究讨论。研究结论:本文对几种已有的落石冲击力计算方法进行了探讨分析,结合襄渝铁路隧道口增设棚洞工程,采用路基工程手册法、隧道手册法、Labiouse法、Kawahara法、杨其新法等方法进行了落石冲击力计算,结果表明这5种计算方法的计算结果在量值上相差不大,路基工程手册法、隧道手册法计算结果稍大。考虑到两手册中的经验方法经过了大量的工程验证,因此推荐以两手册方法的计算结果作为增设棚洞工程设计时的设计荷载,并据此开展工程设计。     

设于桥梁上方的新型棚洞研究

研究目的:结合内昆线喇叭溪棚洞地形、地质条件及既有构筑物现状对棚洞的结构方案进行研究比选,优化棚洞结构型式。研究方法:通过结构计算分析棚洞结构设计的控制因素,针对控制因素对棚洞结构方案进行研究比选,确定棚洞的结构方案。研究结果:通过系统的方案研究,最终选定了独立钢筋混凝土框架与简支梁组合的结构型式。本棚洞已于2002年6月修建完成,使用情况良好。研究结论:对于喇叭溪棚洞这种多次超静定结构,混凝土收缩徐变及降温引起的温度应力对结构设计起控制作用。通过采用本棚洞设计采用的独立钢筋混凝土框架与简支梁组合的结构型式,既可以保证棚洞结构的整体稳定性,又可以大大降低温度附加应力。     

艰险山区高速铁路隧道洞口新型棚洞结构研究

研究目的:艰险山区高速铁路隧道洞口坡面落石防护问题是制约安全运营的重要因素,本文以西安至成都高速铁路项目为依托,结合地形特点,提出两种新型棚洞结构:桥隧一体化柔性钢网棚洞及柱、梁支撑式钢筋混凝土棚洞,分析各自特点,并提出适用条件。研究结论:(1)柱、梁支撑式钢筋混凝土棚洞的上部结构自重大,需单独设置基础,工序复杂,施工难度大,投资大,但耐久性好,后期维护成本低,在轨面标高与地面高差较大、高地震区采用时,务必进行详细检算分析;(2)桥隧一体化柔性钢网棚洞可以与桥设为一体,不需单独设置基础,具有制作安装方便、经济美观等优点,但钢材耐久性差,需定期防锈处理,后期维护成本高;(3)轨面距沟心地面高差是影响两种新型棚洞型式选取的重要因素,一般高差小于15 m时优先选用柱、梁支撑式钢筋混凝土棚洞;(4)该研究成果可在铁路隧道洞口落石防护中推广使用。     

EPS板抗冲击复合结构在既有铁路落石防护中的应用北大核心

为了保证线路安全,许多邻近陡峭山坡的铁路采用了棚洞来防护山坡落石。国内外研究发现,可以采用"EPS板+钢筋混凝土板+表层砂土"的复合结构代替传统的洞顶填土,不仅可以减少结构设计荷载,而且施工便捷,解决了山区土方少且运输不便的问题。抗冲击试验表明,该复合结构可有效分散冲击力,将洞顶单位面积承受的荷载减少至传统填土结构的10%,有效保护棚洞结构安全。本文结合西(安)(安)康铁路白沙滩隧道进口落石防护工程,详细介绍了EPS板抗冲击复合结构在既有铁路落石防护中的应用。     

EPS板抗冲击复合结构在既有铁路落石防护中的应用

为了保证线路安全,许多邻近陡峭山坡的铁路采用了棚洞来防护山坡落石。国内外研究发现,可以采用"EPS板+钢筋混凝土板+表层砂土"的复合结构代替传统的洞顶填土,不仅可以减少结构设计荷载,而且施工便捷,解决了山区土方少且运输不便的问题。抗冲击试验表明,该复合结构可有效分散冲击力,将洞顶单位面积承受的荷载减少至传统填土结构的10%,有效保护棚洞结构安全。本文结合西(安)(安)康铁路白沙滩隧道进口落石防护工程,详细介绍了EPS板抗冲击复合结构在既有铁路落石防护中的应用。     

地震区遮拦危岩落石的框架棚洞设计

内昆铁路沿横江两岸行进，地形陡峻，危岩落石的出露形式以红砂坪隧道出口段为代表，该处地震动峰加速度为0．2g，为防止危岩落石，保证河道顺畅，选用合理的结构型式，接长框架棚洞。     

横梁腹板切口形状对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响研究

在正交异性钢桥面板中,横梁腹板与纵肋连接部位及横梁腹板切口边缘处较容易发生疲劳开裂,为了弄清横梁腹板切口形状对这两个构造细节疲劳性能的影响规律,采用有限单元法,通过在3种作用下采用不同切口形状的正交异性板各考察点主拉应力或面外应力比率的对比研究,得出以下结论:(1)在剪切作用下,切口形状对纵肋与横梁连接部位的应力影响不大,切口边缘半径对横梁切口边缘拉应力影响很大;(2)在支撑作用下,切口尺寸越大,纵肋与横梁连接部位的应力越大;(3)在面外作用下,切口尺寸越大,横梁对纵肋的面外转动变形约束越小,面外应力比率越小。