TECCO格栅网斜向受落石冲击试验与数值模拟

俞棠荣，汪 敏，王高胜

(中国人民解放军陆军勤务学院 军事设施系， 重庆 401311)

落石灾害是我国山区主要自然灾害之一，已成为我国交通道路等基础设施建设的重要制约因素。随着西部地区的开发，工程建设将面临着大量潜在的落石灾害，这将给交通线等基础工程的建设和运营带来极大的隐患[1]。因此，落石灾害的防治是急需解决的重要课题。需要强调的是，我国西部地区多崇山峻岭，地理环境较其他地区更加恶劣，部分省市过去囿于技术原因和施工难度导致交通线建设搁置，而近年来这些地区开建了新交通线，交通道路往往穿越高山峡谷，出现大量的高陡边坡，部分交通路段呈现出明显的一侧紧傍陡山、另一侧紧邻深谷的“傍山险路”特征。这些区域交通道路的落石危害更加突出，落石防治更加严峻和迫切。

TECCO格栅网是一种柔性金属网，采用高强度、高韧性特种钢丝编制而成，它与预应力锚杆、缝合绳等部件共同组成柔性防护系统，实现拦截坡面崩塌滚落岩土体运动或加固斜坡防止浅层溜坍、塌落发生的目的，因而广泛应用于落石拦截、边坡防护和巷道支护加固等领域[2～5]。

对于高陡边坡的落石防治，特别是傍山险路区域的落石防治，采用常规的TECCO网覆盖防治或者棚洞保护存在着设施安装条件不满足、积石清理困难以及结构维护不便等问题。可将TECCO网倾斜布置于交通道路的上方，用于拦截并反弹落石，因此TECCO网的倾斜角度是非常重要的，它对落石的拦截和弹出效果有着关键的影响。此外，落石垂直冲击金属网只是理想化的状态，实际大部分落石冲击方向与金属网平面是存在倾斜角度的。因此，研究网的倾斜角度对TECCO网受落石冲击的影响有着重要的意义。为研究不同倾斜角度下TECCO网受落石冲击的特性，开展了室内TECCO网斜向受落石冲击模型试验，应用ANSYS/LS-DYNA软件建立落石斜向冲击TECCO网数值模型，验证并进行数值分析研究。

1 落石斜向冲击TECCO格栅网试验

1.1 试验设计

试验所用TECCO格栅网为T4/80型TECCO网，网的参数见表1。利用钢丝绳卡扣将第1支撑绳、第2支撑绳分别与TECCO网平面中平行于网孔短轴的一对边界连接，2条支撑绳平行固定于反力架上，调整支撑绳使TECCO网刚好张紧拉平。第1支撑绳、第2支撑绳分别固定于前排、后排的反力架上，第2支撑绳高于第1支撑绳，使TECCO网平面与水平面的夹角为30°。

表1 TECCO网参数

第1支撑绳两侧对称位置串联有#1、#2拉压力传感器；第2支撑绳两侧对称串联#3、#4拉压力传感器。#1、#2、#3、#4拉压力传感器量程均为200 kN，额定输出分别为1.482 8、1.488 2、1.488 4、1.494 6 mV/V。拉压力传感器通过桥式传感器与泰斯特动态测试系统连接，记录落石冲击过程中2条支撑绳所承受的瞬时冲击力。高速摄像机固定于TECCO网正前方，记录落石下落、冲击、回弹过程及TECCO网斜向变形过程。整个试验设备布置及连接方式分别如图1所示。

图1 试验布置图

考虑到不规则落石难以控制冲击作用时与金属网接触的试块部位，使试验条件难以重复，且极度不规则落石最终形成的冲击速度小于规则落石，一般并不代表同一现场的最大落石动能，因此试验采用多面体块体或球体[6～7]。本试验采用的是顶角处切去棱长 1/3的14面异形立方体形状的落石，落石用混凝土浇筑，质量分别为20、50 kg，试验通过自动脱钩装置实现落石的无初速度自由脱落。

试验时落石以自由落体方式铅直冲击TECCCO网的中心位置。试验中落石只发生平动，不让其发生转动，主要原因在于：① 在试验技术上为落石施加可控制的转动角速度是非常困难的；② 在落石冲击中，转动角速度的速度矢量与网的接触面近于相切从而迅速削减，且数值上也比平动速度小很多，对冲击峰值荷载影响不大；③ 转动的存在也使落石在冲击初期会发生一定的滚动，经过滚动的缓冲降能，其冲击力偏小，试验结果的安全系数较仅有平动速度的落石冲击试验低。因此，采用只发生平动的落石冲击TECCO网是合理的。

试验设计了不同落石以不同高度斜向冲击TECCO网，试验具体工况见表2。表2中试验工况采用相关参数简记，如“XT-2.5-20-2”表示20 kg落石在2 m高度处自由下落，斜向冲击规格为2.5 m×2.5 m的TECCO网。

表2 斜向冲击试验工况

1.2 试验结果

利用支撑绳两端布置的拉压力传感器和泰斯特动态测试系统(TST6200)记录下落石冲击过程中第1支撑绳、第2支撑绳承受的瞬时冲击力。动态测试系统的采样频率为 1 kHz，摄像机采样频率经调试后设定为 239 帧/s。根据试验中#1、#2、#3、#4拉压力传感器的测试结果，得到不同试验工况下第1支撑绳、第2支撑绳所受的最大瞬时冲击力(受拉为正)，见表3。

2 数值模型的建立与验证

2.1 材料参数与模型建立

采用LS-DYNA软件对落石斜向冲击TECCO网进行数值模拟，选用单元为：落石采用8节点三维实体显式结构单元SOLID164单元模拟；支撑绳采用能够考虑失效的LINK160单元模拟；考虑到遭受落石冲击发生变形时，高强钢丝会受到轴力、弯矩的耦合作用，同时在连接处有剪力存在，因此钢丝采用BEAM161单元来模拟。数值模拟的材料模型为：落石为刚性体模型；高强钢丝以及支撑绳采用塑性随动强化模型和 Cowper-Symonds模型[8]。

在数值计算中，对TECCO网中高强钢丝和支撑绳的本构模型进行简化处理，均采用双线性本构模型。数值计算中各种材料的力学性能参数见表4。对于直径16 mm的支撑绳，其破断拉力为161 kN，采用等效截面面积的方法计算得出其等效面积为 90.96 mm2。落石密度由实际测量预先制作的14面体混凝土块质量与体积计算得到。

表3 不同工况下支撑绳所受最大瞬时冲击力

表4 各种材料的力学性能参数指标

碰撞过程中材料应变率变化较大，这对弹塑性材料的硬化行为产生较大影响，采用Cowper-Symonds 模型来考虑材料的塑性应变效应，用与应变率有关的因数来表示屈服应力，见式(1)：

(1)

TECCO 网由具有规则几何形状的菱形网孔单元组成，网孔之间的连接是由高强钢丝的扭转勾连而成。在建立TECCO网有限元几何模型中，沿网孔短轴方向(图2中x方向)每个连接点处两侧各相邻的梁单元采用共节点连接，沿网孔长轴方向(图2中y方向)每个连接点处的相邻梁单元采用自由度耦合方式实现铰接连接，即TECCO网能够以网孔短轴为轴进行自由折叠，这与实际相符。

图2 TECCO网

为对试验中TECCO网与支撑绳通过钢丝绳卡扣连接进行模拟[9]，在数值分析中可以通过自由度耦合(CP命令)和施加约束方程(CE命令)实现TECCO网与支撑绳的连接。支撑绳两端的边界条件设置为铰接。建立的数值模型见图3。

采用ANSYS/LS-DYNA进行计算时，考虑落石与TECCO网之间的摩擦作用，取落石冲击TECCO网过程中的静、动力摩擦系数均为0.8。落石与TECCO网之间的接触设置CONTACT DEFINITIONS为自动单面接触。为节省计算时间，模型建立时，令落石与TECCO网接触，初始时间为0 s，接触时落石初速度根据试验中落石自由落体高度计算得出，总计算时间为0.4 s。为验证数值模型的有效性，从3个方面进行数值模拟结果和试验测试结果的对比分析：① TECCO网的变形特征；② 第1支撑绳和第2支撑绳所承受冲击力的时程曲线；③ 第1支撑绳、第2支撑绳所承受的最大瞬时冲击力。

图3 数值模型

2.2 数值模拟计算结果

图4给出了20 kg落石以3 m高度斜向冲击TECCO 网工况的数值模拟。通过与高速摄像机拍摄的冲击过程对比，数值模拟与试验冲击落石运动过程吻合较好，说明采用有限元数值模拟方法能够较好地模拟落石冲击 TECCO 网的动态过程。

图4 落石斜向冲击过程的数值模拟(XT-2.5-20-3)

图5给出了XT-2.5-20-2工况下从落石开始接触TECCO网到第1次冲击结束这一阶段(不考虑落石第1次冲击回弹后的第2次冲击)中第1支撑绳试验测试和数值计算得出的拉力时程曲线对比图(受拉为正)，试验测试结果包括#1、#2拉压力传感器测试的时程曲线。从图5中可以看出：试验测试和数值分析中的支撑绳拉力时程曲线上升阶段即从冲击接触到达到峰值冲击荷载这一过程吻合很好。

图5 #1、#2传感器测量值与数值分析结果(XT-2.5-20-2)

表5给出不同工况落石冲击TECCO网过程中支撑绳所受的最大瞬时冲击力以及数值模拟计算结果。通过对比结果发现：数值模拟能够准确地反映出支撑绳在落石冲击过程中所受的最大冲击力。

3 TECCO 网斜向受落石冲击数值分析

在模型试验以及TECCO网斜向受落石冲击数值模型的基础上，对不同倾斜角度的TECCO网受落石冲击特性进行分析。对比分析相同冲击能作用下不同角度(与水平面的夹角)TECCO网的受落石冲击性能，主要对比不同工况下的TECCO网所受落石冲击力、剩余高度、防护宽度及支撑绳所承受冲击力。其中：剩余高度指落石冲击TECCO网达到最大变形时与第1支撑绳的高度差，涉及到金属柔性网变形时的侵限问题；防护宽度指落石冲击TECCO网回弹弹出后向外抛射降落至第1支撑绳的初始水平时，落石距第2支撑绳初始位置的水平距离，涉及到落石被抛出后的威胁边界问题。在数值分析中，考虑到要使落石与TECCO网接触时接触面的几何形状不随TECCO网角度的变化，落石模型采用圆球模型来代替原多面体模型，圆球模型密度设置为2 500 kg/m3，质量50 kg，落石的冲击速度设定为25 m/s，其他参数不变。TECCO网的倾斜角度按照在水平(0°)与竖直(90°)之间每间隔15°进行数值模拟分析。

表6是从数值分析中提取的不同倾斜角度TECCO网的抗落石冲击性能参数。由表6可知：当TECCO网倾角不大时，即倾角为15°、30°，在此范围内落石冲击后的回弹效果较好，支撑绳的最大瞬时冲击力均较大；当角度增大时，剩余高度小幅提高，支撑绳最大瞬时冲击力变化很小，网的防护宽度基本较大，并有增加；当倾角为45°时，落石所受冲击力继续减小，支撑绳所承受的最大瞬时冲击力要比倾角15°、30°工况下的支撑绳承受的最大瞬时冲击力小；而在TECCO网倾角过大时，即倾角为60°、75°工况下，在冲击过程中落石最大瞬时冲击力和支撑绳最大瞬时冲击力明显减小，减小的幅度增大，网的防护宽度急剧减小，且网对落石冲击的回弹效果较差。其中，在TECCO网倾角60°工况下，落石完全是由于滚落冲击第1支撑绳而被弹出，在TECCO网倾角75°工况下，落石几乎没有出现冲击后的回弹现象。

总体来看：TECCO网倾角较小时，落石回弹效果较好，当网的防护宽度基本较大，支撑绳最大瞬时冲击力较大；当倾角越大，落石最大瞬时冲击力和支撑绳最大瞬时冲击力就越小；当倾角过大时，网的防护宽度急剧减小，落石回弹效果明显变差。

表5 试验和数值计算的支撑绳所受最大瞬时冲击力对比

表6 不同冲击角度下TECCO网的抗落石冲击性能

4 结论

1) 建立的TECCO网斜向受落石冲击数值模型，较好地再现了冲击试验过程，数值模拟结果与试验结果吻合较好，验证了数值模型的可行性。

2) 计算表明：落石所受的最大瞬时冲击力和支撑绳最大瞬时冲击力随TECCO网的倾角增大而减小，且随着倾角的增大，冲击力减小的幅度越来越大。

3) 当TECCO网倾角较小时，落石回弹效果较好，网的防护宽度基本较大；当倾角增大时，防护宽度先增加后减小；倾角过大时，TECCO网的防护宽度急剧减小，落石回弹效果明显变差。