索托式柔性防落石缓冲结构多柔体动力学模拟

摘要

山区交通干线的隧道洞口常常遭遇落石侵袭，为保证运营安全，洞口的落石防护显得异常重要。交通干线洞口常设置防护棚洞结构，但是，目前国内外普遍缺乏对其落石冲击作用及结构动力学行为的基础研究报道。因此，研究隧道洞口防护对提高落石防护的安全性有重要的工程意义与理论价值。 为此，本文提出了一种新型索托式柔性缓冲结构，该结构可与既有任意棚洞整合成“柔性缓冲棚洞系统”。论文对索托式柔性缓冲结构展开了非线性多柔体动力学模拟，主要研究内容如下： 1.基于落石灾害防治研究背景，对交通干线洞口常用防护棚洞结构的现状展开研究（第1章）。分析了棚洞结构、缓冲层（结构）研究现状，总结了柔性钢棚洞目前存在的问题，并给出了本文的研究内容。 2.设计建立了索托式柔性缓冲结构体系(第2章)。分析了结构体系组成、结构的受力、传力、缓冲工作特性，提出了与既有典型棚洞结构的整合方法。 3.研究了结构单元力学行为，包括环形网变形受力特征，消能器工作原理，支撑绳接触滑移特性（第3章）。研究发现：环形具有弯-拉两阶段变形受力特性。U形消能器的耗能机制为屈服-摩擦混合式耗能，依靠钢棒与销轴摩擦耗能、钢棒变形耗能。 4.构建了索托式柔性缓冲结构的多柔体数值模型，开展了落石冲击动力分析，研究了托索式柔性缓冲结构的冲击动力学行为（第 4 章）。研究表明：冲击区的环形网、支撑绳、柔性支撑、索托柱内力及变形较大，非冲击区受到冲击影响小。系统主要依靠消能构件和环形网吸收能量，而钢丝绳、支撑钢结构耗能极小，支撑钢结构基本处于弹性工作状态。 5.研究了索托式缓冲结构与钢结构棚洞的整合应用（第5章）。实现了索托式缓冲结构与实际钢棚洞的整合设计，开展了非线性冲击动力分析，研究了柔性防护棚洞的冲击动力响应。研究发现：落石初始动能为 1000kJ，柔性防护棚洞仍然可以实现自清理功能，未发生结构性破坏；柔性缓冲结构具有“分区受力”特征，非冲击接触区受落石冲击影响较小；柔性防护棚洞可依靠消能构件和环形网吸收落石冲击能量，规避结构的损伤耗能；合理的设置，可保证钢结构处于弹性工作状态，可实现重复利用。

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