邊坡柔性防護網系統落石沖擊鋼結構試驗平臺穩定性驗證

陶永康,羅遠才

(1.四川省工業環境監測研究院,四川 成都 610046;2.成都開物華科技有限公司,四川 成都 611700)

我國是一個多山的國家,特別是西部和東南部山區,各種地質災害經常發生,加之人口眾多、幅員遼闊,各類工程的建設和開發必然會帶來大量的坡面地質災害問題,邊坡治理工程問題日益增多,在鐵路、公路、水電站、礦山等工程沿線尤為突出。邊坡柔性防護網系統因其工廠化生產、組合式安裝,越來越多地應用到了邊坡災害治理當中。為了能夠有效及系統地對邊坡柔性防護系統質量進行檢測,為生產廠家提供改進優化配置技術支持,需要建設邊坡柔性防護網系統防護性能檢測用的落石沖擊試驗平臺[1-5]。目前國內現已建成有2座試驗平臺開展邊坡落石柔性防護網系統沖擊試驗研究[6],在進行邊坡柔性防護網系統沖擊試驗時,均采用將防護網安裝在混凝土墻體上進行,即邊坡柔性防護網系統沖擊試驗平臺為混凝土墻體[7],如圖1所示。這種方式雖然抗壓強度好,但是其抗拉強度低,易出現墻體拉裂;因為試驗時防護網的拉繩對結構形成的都是拉應力,所以采用混凝土墻體需要很高的強度來抵抗產生的拉應力,有可能導致墻體拉裂。并且,混凝土澆筑好后易出現收縮不均勻,產生細微裂縫或中間空洞等缺陷,給試驗過程帶來了不可控性和安全隱患[8]。同時,該類試驗平臺還有建造成本高,建造周期長,使用材料不環保,維護成本高,使用壽命短等缺點。據了解現階段已建成的兩座混凝土擋墻平臺均無法開展標準TB/T 3449-2016《鐵路邊坡柔性被動防護產品落石沖擊試驗方法與評價》規定的最大5000 kJ能級的落石沖擊試驗。

圖1 混凝土結構落石沖擊試驗平臺

為了克服現有技術方法的不足,本文提出一種邊坡柔性防護網系統落石沖擊試驗鋼結構試驗平臺,鋼結構能夠避免瞬間拉應力大,尖峰脈沖拉力將結構體拉裂的情況,且該平臺為三維空間穩定結構,柔性防護網橫向展開安裝在鋼結構試驗平臺上,沖擊試驗時具有良好的受力狀態,不易傾翻,如圖2所示。本文通過有限元模擬了2000 kJ和5000 kJ能級落石沖擊試驗時,試驗平臺所受力情況。

圖2 鋼結構落石沖擊試驗平臺

1 鋼結構試驗平臺的結構

鋼結構試驗平臺主要由地基、H型鋼(規格為H300×700×25×25 mm和H300×500×20×20 mm,材質為Q355B)、連接加強板、連接螺栓等組成。各連接節點加工后通過高強螺栓連接副固定后,再將所有接縫處焊接固定,整個鋼結構試驗平臺可以看成是一個整體構件。整個試驗平臺系統還配套有起吊裝置、力及位移檢測傳感器、高速攝影機、綜合測控單元等,可以完成整個沖擊試驗,并測量記錄各種拉繩、支撐繩的拉力、落石沖擊速度、防護網緩沖距離、殘余攔截高度等。起吊裝置一般采用汽車式吊車或塔吊[9]。

鋼結構沖擊試驗平臺三維空間穩定結構包括柔性防護網支撐部和固定支撐部,柔性防護網支撐部置于固定支撐部上。柔性防護網支撐部包括:多個并列的錐形體和支撐框架,錐形體置于支撐框架上;在支撐框架上利用固定件和錐形體上設置的固定件配合固定柔性防護網安裝。固定支撐部包括:多個立柱和橫梁構成支撐架,在立柱之間設有斜拉梁,在固定支撐架內部形成多個三角形結構或多邊形結構;固定支撐框架置于安裝地基上。如圖3、圖4所示。根據TB/T 3449-2016《鐵路邊坡柔性被動防護產品落石沖擊試驗方法與評價》,除3000 kJ和5000 kJ能級的防護網落石沖擊落點在鋼結構沖擊試驗平臺三維平面投影外約1 m處,其余能級防護網沖擊落點均在平臺三維平面投影內。平臺整體所承受的力矩較小,穩定性更好。

圖3 鋼結構試驗平臺的構成(整體)

圖4 鋼結構試驗平臺的構成(裝網)

邊坡柔性防護網系統各主要固定部件(上拉繩、上下支撐繩、側拉繩、基座、鋼柱)安裝示意圖如圖5-圖8所示。

圖5 上拉繩安裝點示意圖

圖6 上下支撐繩安裝點示意圖

圖7 側拉繩安裝點示意圖

圖8 基座和鋼柱安裝點示意圖

2 鋼結構試驗平臺的受力理論計算及有限元分析

落石沖擊試驗時,將柔性防護網系統按照產品工程設計圖紙要求安裝在試驗平臺上,主要通過基座、支撐繩、拉繩等構件與試驗平臺固定。典型的被動防護網結構如圖9所示。防護網由三跨組成,每跨寬10 m,總寬度30 m,防護網攔截高度5.5 m。本文模擬和實測的被動防護網均采用該尺寸。

(a)立面

鋼結構試驗平臺按最大5000 kJ能級落石沖擊試驗設計、校核并制作。以下按5000 kJ能級被動防護網落石沖擊試驗受力計算,5000 kJ被動防護網容許緩沖距離為15 m[10],此處按最惡劣條件5 m的緩沖距離考慮?？紤]空氣阻力作用,重力加速度g取9.79 m/s2,經計算要達到5000 kJ的能級,需將16 t的落石從距離網面32.8 m的高空由靜止釋放,設置為初始速度為0的自由落體運動[11],此時落石的觸網速度將達到25.29 m/s。根據能量守恒定律[12]可知

1/2mv2+mgh=(F-mg)h

(1)

式中:m——落石重量/kg;v——觸網速度/(m/s);g——重力加速度/(m/s2);h——緩沖距離/m;F——作用在防護網上的力/kN。

計算可得,作用在防護網面上的力的平均值F=823 kN。由于整個防護網系統主要通過布設在各支撐繩和拉錨繩上的減壓環啟動收縮變形吸收能量[13],通過大量減壓環動力性能試驗統計出減壓環啟動過程中力的平均值約等于最大力的50%～60%,取平均力和最大力轉換系數為0.55,故最大力Fmax=1495 kN。取最大力作為作用在防護網上的力約150 t,上下支撐繩均按2/3大小的力考慮,上下支撐繩受力均為100 t,上下支撐繩均按雙繩設計,則單繩拉力為50 t,通過空間力系,如圖10所示,計算上拉繩中間位置受力大小為40 t,側邊受力大小為20 t,垂直于基座安裝面受力大小為40 t,沿基座安裝面向下受力大小為33.5 t。

圖10 防護網空間力系

使用有限元分析軟件對鋼結構試驗平臺進行靜應力分析。簡化模型,將爬梯、護欄等不參與受力的結構去除。固定鋼結構試驗平臺地基位置,對上拉錨繩中間固定位置施加1×400 kN的載荷(共計4處),對側邊上拉繩固定位置施加1×200 kN的載荷(共計4處),對上支撐繩固定位置施加1×500 kN的載荷(共計4處),對下支撐繩固定位置施加1×500 kN的載荷(共計4處),對側拉錨繩固定位置施加1×200 kN的載荷(共計2處),對基座固定位置施加垂直于基座安裝板1×400 kN的載荷(共計4處),并向下施加1×335 kN的載荷(共計4處)。鋼結構材質選擇Q355B,對鋼結構試驗平臺模型進行網格化處理,然后對鋼結構試驗平臺模型進行有限元分析。應力分析結果如圖11所示,變形量分析結果如圖12所示。

(a)整體圖

結果顯示:模型最大受力位置為側拉繩固定位置,應力為138 MPa,遠小于材質為Q355B的H型鋼的屈服強度355 MPa[14],約有2.6倍的安全系數。此位置應力較大的原因為受力點在梁的中部,且受力基本垂直于鋼梁,故應力較大。

模型最大變形位置為中間頂部上拉繩固定位置,變形為12 mm,變形量對于緩沖距離影響微弱,可忽略。

3 混凝土擋墻結構和鋼結構試驗平臺2000 kJ能級有限元分析

3.1 混凝土擋墻試驗平臺2000 kJ能級試驗受力分析

2000 kJ被動防護網容許緩沖距離為10 m[9],此處按5 m的緩沖距離考慮?？紤]空氣阻力作用,重力加速度g取9.79 m/s2,經計算要達到2000 kJ的能級,需將6.31 t的落石從距離網面32.6 m的高空由靜止釋放,此時落石的觸網速度將達到25.19 m/s。

根據公式(1)計算可得,作用在防護網面上的力的平均值F=524 kN。由于整個防護網系統主要通過布設在各支撐繩和拉錨繩上的減壓環啟動收縮變形吸收能量,通過大量減壓環動力性能試驗統計出減壓環啟動過程中力的平均值約等于最大力的50%～60%,取平均力和最大力轉換系數為0.55,故最大力Fmax=953 kN。取最大力作為作用在防護網上的力約95 t,上下支撐繩均按2/3大小的力考慮,上下支撐繩受力均為63 t,上下支撐繩均按雙繩設計,則單繩拉力為31.5 t,通過空間力系計算上拉繩中間位置受力大小為16.8 t,側邊受力大小為10 t,垂直于基座安裝面受力大小為20 t,沿基座安裝面向下受力大小為16.8 t。

固定混凝土擋墻地基位置,對上拉錨繩中間固定位置施加1×168 kN的載荷(共計4處),對側邊上拉繩固定位置施加1×100 kN的載荷(共計4處),對上支撐繩固定位置施加1×315 kN的載荷(共計2處),對下支撐繩固定位置施加1×315 kN的載荷(共計2處),對側拉錨繩固定位置施加1×80 kN的載荷(共計2處),對基座固定位置施加垂直于基座安裝板1×200 kN的載荷(共計4處),并向下施加1×168 kN的載荷(共計4處)。材質選擇鋼筋混凝土,對混凝土擋墻試驗平臺模型進行網格化處理,然后對平臺模型進行有限元分析。應力分析結果如圖13所示,變形量分析結果如圖14所示。

結果顯示:模型應力整體較小,最大應力在根部基礎位置。模型最大變形位置為頂部上拉繩固定位置,變形量為6.89 mm。

3.2 鋼結構試驗平臺2000 kJ能級試驗受力分析

同樣的2000 kJ被動防護網容許緩沖距離為10 m,此處按5 m的緩沖距離考慮?？紤]空氣阻力作用,重力加速度g取9.79 m/s2,經計算要達到2000 kJ的能級,需將6.31 t的落石從距離網面32.6 m的高空由靜止釋放,此時落石的觸網速度將達到25.19 m/s。

鋼結構試驗平臺各受力點位置、受力大小和方向與混凝土擋墻試驗平臺2000 kJ能級試驗時一致。有限元應力分析結果如圖15所示,變形量分析結果如圖16所示。

圖15 鋼結構試驗平臺2000 kJ理論應力分析

圖16 鋼結構試驗平臺2000 kJ理論變形量分析

結果顯示:模型整體應力較小,最大應力仍然位于側拉繩固定位置處約75 MPa。模型最大變形位置仍為中間頂部上拉繩固定位置,變形量為4.15 mm。該變形量小于混凝土擋墻試驗平臺模型在同能級試驗時的最大變形量。

4 鋼結構試驗平臺理論受力模型與實測受力情況的比較

在鋼結構試驗平臺上進行2000 kJ能級落石沖擊試驗,并記錄各繩受力情況。各部件受力情況如圖17所示,由圖中力-時間曲線可以看出,各部件受力發生在約0.5 s的極短時間內,且力值呈很多波峰狀,這是因為邊坡柔性防護網系統上各減壓環等消能件啟動進行能量吸收的結果,避免了防護網系統瞬間承受較大的沖擊力而產生破損失效情況發生[15]。圖中上支撐繩單繩拉力為18.87 t,上支撐繩均為雙繩設計,則上支撐繩總共受力大小為37.7 t,下支撐繩單繩拉力為11.96 t,下支撐繩也為雙繩設計,則下支撐繩總共受力大小為23.9 t,上拉繩中間位置受力大小為10.43 t,側邊受力大小為8.12 t?；颁撝窗惭b測力傳感器故無數據,該處按理論模型受力賦值。有限元應力分析結果如圖18所示,變形量分析結果如圖19所示。結果顯示:按實測受力作為邊界條件進行有限元分析,模型整體應力仍然較小,最大應力仍然位于側拉繩固定位置處約60 MPa,略小于理論受理模型的最大應力75 MPa。最大變形位置同樣為中間頂部上拉繩固定位置,最大變形量為3.53 mm,略小于理論受力模型最大變形量4.15 mm。

圖17 2000kJ能級落石沖擊試驗時各部件受力情況

圖18 鋼結構試驗平臺2000 kJ實測受力時應力分析

圖19 鋼結構試驗平臺2000kJ實測受力時變形量分析

由2000 kJ能級邊坡防護網系統落石沖擊試驗各部件實測受力與理論受力模型比較可知,落石沖擊試驗時各部件實測受力小于理論模型受力。通過實測受力作為邊界條件模擬計算出的鋼結構試驗平臺最大應力和最大變形量均略小于理論模型最大應力和最大變形量,且位置也基本相符。說明本文進行的理論模型分析符合實際情況,分析結果可信。

5 鋼結構試驗平臺對試驗結果的影響分析

5.1 對防護網緩沖距離的影響

通過有限元分析,結果顯示鋼結構平臺在5000 kJ能級落石沖擊時,按5 m緩沖距離的嚴苛條件分析,最大受力瞬間會產生12 mm的變形,5000 kJ能級的邊坡柔性防護網容許緩沖距離為15 m,鋼結構試驗平臺的變形只占緩沖距離的0.8 ‰。且實際試驗過程中試驗平臺不會持續受力,故其影響幾乎可以忽略不計。

5.2 對防護網吸能特性的影響

鋼結構試驗平臺在落石沖擊試驗過程中會產生微小變形,但這種變形均在鋼結構的彈性變形范圍內,且發生時間僅在0.5 s左右,幾乎不會消耗能量,所以鋼結構試驗平臺對柔性防護網系統的能量吸收性能產生影響可忽略不計。

5.3 對防護網抗沖擊性能的影響

在鋼結構試驗平臺受力最大的5000 kJ能級落石沖擊試驗中,鋼結構試驗平臺最大變形量不超過12 mm,相比于邊坡柔性防護網系統的網片、拉繩、支撐繩和減壓環等能量吸收裝置累計幾米到十幾米的變形量,鋼結構平臺自身彈性變形瞬間吸收再瞬間釋放的一小部分能量,對沖擊能量峰值的影響幾乎可以忽略不計。

6 結論

鋼結構試驗平臺雖然設計和建設成本較高,但其卓越的性能使其成為首選。它具有極強的抗沖擊能力,可承受反復沖擊試驗而不產生裂紋、崩落等現象,抗震性能優異,不存在瞬間坍塌風險,保障試驗人員和設備的安全。

本文在受力分析時,將理論沖擊緩沖距離設定為5米嚴苛條件,增大試驗平臺的理論受力,并考慮了受力不均性。經過計算,該平臺具有2.6倍的安全系數,強度和剛度高,完全滿足5000 kJ能級落石沖擊試驗的要求。

通過2000 kJ能級落石沖擊試驗有限元分析得知,鋼結構試驗平臺最大變形量小于混凝土擋墻試驗平臺相同能級試驗的最大變形量。實測受力與理論模型比較表明,鋼結構試驗平臺各部件實測受力小于理論模型受力。模擬計算得出的最大應力和變形量略小于理論模型,且位置基本相符。這說明本文進行的理論模型分析符合實際情況,可信可靠。

采用鋼結構為主體的柔性防護網落石沖擊試驗平臺系統不僅具備優良的力學特性和穩定性,而且易于控制質量、建設周期短、環保安全、易于維護、使用壽命長等優勢,不會影響落石沖擊試驗的緩沖距離、吸能特性和抗沖擊性能,是一種優秀的新型試驗平臺。