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桥隧相连落石防护新型结构动力响应分析
作者:网站采编关键词:
摘要：FANG Qianbao, ZHANG Xiaoqiang. Study on the Dynamic Behavior of New Type Rockfall Protection Structure at the Junction of the Bridge and Tunnel [J].High Speed Railway Technology,2019,10(6):63-68. 山区铁路地形复杂，桥隧相连工程相
FANG Qianbao, ZHANG Xiaoqiang. Study on the Dynamic Behavior of New Type Rockfall Protection Structure at the Junction of the Bridge and Tunnel [J].High Speed Railway Technology,2019,10(6):63-68.
山区铁路地形复杂，桥隧相连工程相当普遍。受地质发育的影响，桥隧相连处落石灾害较频繁，严重威胁列车运行的安全。因此，桥隧相连处落石防护新型结构设计技术作为山区铁路工程建设中急需解决的重要课题，已有不少学者对其开展了研究。李冬生[1]等人针对沪昆铁路客运专线长沙至玉屏段桥隧相连工程难题，创造性提出桥隧串联分离式洞门结构。王爽[2]等人以成兰铁路中新民隧道出口段大跨度棚洞结构为例，分析了棚洞钢筋混凝土结构受落石冲击作用的损伤特性。刘成清[3]等人利用有限元软件，分析了钢筋混凝土棚洞不同位置处受不同能量落石冲击时的动力和静力响应，得到了不同工况下冲击动力系数与冲击能量的拟合关系。刘雷[4]以张(家界)怀(化)客运专线邓家坡隧道为工程背景，分析棚洞结构受落石冲击的影响因素，对比了不同形式缓冲层受落石冲击的影响。
本文以成昆铁路桥隧相连工程整体式棚洞为工程背景，对桥隧相连处新型落石防护结构在落石冲击作用下的动力响应影响进行分析。具体研究内容如下：
(1)缓冲层形式对防护结构动力响应的影响分析。研究不同种类缓冲层材料组成，对比不同缓冲层形式的减震吸能效果，为新型落石防护结构选择合理的缓冲形式；研究同一落石能级下，新型防护结构的缓冲层受力变形特征，分析棚洞顶板结构变形及损伤情况。
(2)落石作用点对新型防护结构动力响应的影响分析。研究落石作用点对新型落石防护结构附加内力的影响，对新型落石防护结构立柱和翼缘板薄弱处的附加内力和附加变形进行分析研究，通过引入落石附加内力和变形冲击系数，分析落石冲击力对新型落石防护结构产生的最大动力响应，研究其沿线路方向的分布特征。
1缓冲层在落石冲击作用下的动力响应研究
1.1模型概况
缓冲效果良好的缓冲层能最大限度地吸收落石的冲击能级，为新型防护结构的设计加固提供便利。利用ABAQUS软件建立拱形棚洞落石防护结构模型，如图1所示。棚洞为钢筋混凝土结构，顶板上布置缓冲层。棚洞高10 m，跨度13.4 m，顶板厚 0.7 m，缓冲层厚1.0 m。混凝土型号为C40，受力主筋为HRB400，立柱箍筋为HPB300。分别在顶板的上下两侧布置受力筋和分布筋，按0.2 m×0.2 m间距布置，立柱和挡墙也布设钢筋。
图1结构模型示意图(m)
日本对明洞和棚洞缓冲层的研究起步较早，发明和应用了许多种缓冲层，常用的形式主要由三层复合缓冲材料[5]构成。EPS复合材料由于密度低且具有良好的多孔性，已被广泛应用于工程领域[6]。本文数值模拟中分别分析了土、砂、土-EPS-砂、土-砂-EPS 4种缓冲层对落石冲击的缓冲效果，对比研究不同缓冲层的缓冲效果。参考欧洲技术指导准则[7]的建议标准，采用质量 3 200 kg(体积为1.0 m3，半径为0.63 m)的球形刚体模拟落石冲击。日本学者Muraishi[8]等人对1987～1997年日本156起铁路沿线落石事件的落石能量进行了统计分析，发现约有90%的落石能级集中分布在 1 000 kJ以下。本文采取 1 000 kJ落石能级对棚洞沿列车行径方向8.49 m的结构进行分析。模型的材料参数如表1所示。
表1材料参数材料E/MPaνγ/(kN/m3)C/MPa?/(°)土150..0530砂钢筋2.1×混凝土3.25×钢筋2.1×
1.2不同缓冲层在落石冲击作用下的变形受力分析
缓冲层对落石冲击力减震吸能效果影响主要通过缓冲层所受冲击力和冲击深度来评价[9]，综合比较分析这两项指标，能更准确地选取合理的缓冲层。
1.2.1不同缓冲层受到的落石冲击力分析
利用ABAQUS软件提取落石与缓冲层接触面的接触力，近似得到落石冲击力[10]，绘制不同缓冲层在 1 000 kJ落石冲击作用下的冲击力时程曲线，如图2所示。对比不同缓冲层下的冲击力峰值，如表2所示。
图2落石冲击力时程曲线
表kJ落石冲击下不同缓冲层冲击力峰值缓冲层形式无缓冲层砂土土-砂-EPS土-EPS-砂冲击力峰值/kN38 324.78 650.37 627.86 220.55 424.9
由图2和表2可知，在同一落石冲击作用下，在防护结构上部布置缓冲层能大幅度减小落石对结构的冲击；缓冲层所受的冲击力峰值由大到小分别为砂缓冲层、土缓冲层、土-砂-EPS复合缓冲层、土-EPS-砂复合缓冲层，由此可见复合缓冲层具有明显的吸能效果；EPS材料铺设于中间层的复合缓冲层比EPS材料铺设于底层的复合缓冲层所受的冲击力峰值小790 kN，故将EPS材料铺设于中间层的复合缓冲层更能充分发挥材料吸能效果。
文章来源：《世界复合医学》 网址: http://www.sjfhyx.cn/qikandaodu/2020/1214/578.html