关于TB/T 3449—2016《铁路边坡柔性被动防护产品落石冲击试验方法与评价》的几点修订建议

2023-12-07陶永康陈昌山段彩红

四川冶金 2023年5期

陶永康,陈昌山,段彩红

(1.四川省工业环境监测研究院,成都 610046)

边坡柔性防护网系统在20世纪50年代开发,对各类斜坡坡面崩塌落石、风化剥落和雪崩等自然灾害起到了良好的防护效果,在国内外已得到广泛应用[1-5]。目前国内已建成有3座落石冲击试验平台开展边坡柔性防护网系统落石冲击试验检测与研究[6]。如图1所示,为一种垂直落石冲击试验平台。本文讨论的问题均为该种平台的相关问题。TB/T 3449-2016《铁路边坡柔性被动防护产品落石冲击试验方法与评价》作为边坡柔性防护网系统最重要的试验标准之一,实施6年来为中国边坡防护行业的发展做出了应有的贡献,使边坡柔性防护网系统落石冲击试验成为验证防护网系统性能的最直观的检测试验,也越来越受到相关工程方和生产企业所接受。但在标准运用于实际试验的过程中,也出现了一些争议。由于本试验平台建设费用较高,试验周期较长,所以单次试验费用高,一旦出现争议可能导致试验结果不可接受,造成较大的经济损失。笔者结合多次落石冲击试验结果及相关研究[7-11],以及自身的一些实践和认识,提出几点建议,以供下次本标准换版修订时参考。

图1 垂直冲击试验平台示意图

1 落石速度测量问题

1.1 标准中存在的速度测量问题

TB/T 3449-2016中第5.4.1条规定“被动防护网试验时,在距离冲击点最后1m范围内试块的平均速度不应小于25 m/s;柔性格栅网试验时,在距离冲击点最后1m范围内试块的平均速度不应小于15 m/s”。第5.6.2条规定“试块速度可采用激光测速仪或雷达测速仪测量,也可采用影像记录分析法测量,精度不低于0.1 m/s”。由于符合测量精度的激光测速仪和雷达测速仪价格高昂,且落石冲击的落点不可控,落点偏离网面中心的随机性较高,导致使用该两种仪器测速的操作性不强。实际试验中大多采用高速摄像机记录影像,然后通过影像分析法测量速度。标准规定高速摄像机的参数要求为像素不低于500万,帧率不低于100帧/s。为满足标准规定的被动防护网试验时,在距离冲击点最后1m范围内试块的平均速度不应小于25 m/s的要求,可知落石运动时间不应低于0.04 s,若使用100帧/s的摄像机,在最后1 m范围内的影像帧数不应少于4帧。若最后1 m范围内的影像帧数为3帧,则平均速度约为33.3 m/s;若帧数为5帧,则平均速度为20 m/s。由此可以看出,使用100帧/s的摄像机测速精度根本无法满足本标准规定的速度精度(0.1 m/s)要求。经计算,要满足0.1 m/s的测速精度,至少应使用5000帧/s的高速摄像机。同时满足本标准像素不低于500万,帧率不低于5000帧/s的高速摄像机价格高昂,动辄四五十万以上,显然不经济。而且若使用5000帧/s的高速摄像机测速,在最后1m范围内的影像帧数约有200帧,极大的增加了影像分析的难度。另外,由于落石冲击试验时,钢柱与水平面有一个夹角θ,标准规定θ≤30°,如图2所示,试验安装时θ一般多在10°～20°之间。这导致了网面中心高度的不确定性,增加了在影像分析时识别落锤接触网面前最后1m范围的难度。故通过影像分析法测量落石距离冲击点最后1m的平均速度也存在诸多困难。

说明:1——拉锚绳;2——钢柱;3——金属柔性网图2 垂直冲击试验平台防护网安装示意图

1.2 速度测量解决方法

综合以上问题,笔者提出一种考虑空气阻力的通过牛顿第二定律和能量守恒方法计算在距离落石冲击点最后1 m范围内试块的平均速度和确定冲击高度的方法。标准规定被动防护网试验时,在距离冲击点最后1 m范围内试块的平均速度不应小于25 m/s。通常情况下空气阻力f与物体和空气相对速度的平方成正比[12],则空气阻力可表示成

f=-kv2

(1.1)

f方向与速度方向相反,k是由空气的密度、物体的形状及体积决定一个常数。根据周雨青[13]等人对球类运动空气阻力的计算和分析得出空气阻力经验公式为

(1.2)

(1.3)

其中ρ是空气密度,A是物体的迎风面积,k是比例系数,C是空气阻力系数,球状物体一般取C=0.5[14],本标准规定的落石试块为一个正26面体,可近似为球状物体。试块下落所受的外力为

F合=mg-kv2

(1.4)

根据牛顿第二定律有

mg-kv2=ma

(1.5)

其中a为加速度,可以得到考虑空气阻力的重力加速度为

(1.6)

本标准规定落石在距离冲击点最后1 m范围内试块的平均速度不应小于25 m/s,本文取平均速度为25 m/s研究。设落石接触网面时的速度为v,落石在接触网面前1 m的的速度为v1,落石在接触网面前最后1 m范围内的运动时间为t=1/25=0.04 s,运动距离为h=1 m,冲击高度为H,落石接触网面时的冲击动能为Ek,可以得到

(1.7)

(1.8)

将(1.7)带入(1.8)可得到一个关于v的一元二次方程

(1.9)

解此方程可得

(1.10)

再根据自由落体运动能量守恒定律可得

(1.11)

将(1.6)带入(1.11)得

(1.12)

由于(1.10)和(1.12)中所有参数都已知,故可以很容易算出落石接触网面时的速度v和冲击高度H,进一步算出落石接触网面时的冲击动能Ek。

在现实试验中,一般通过忽略空气阻力的自由落体运动能量守恒方程确定在保证冲击速度为25 m/s时的冲击高度。然后再通过标准规定的不同冲击能级,确定落石试块的重量。再结合公式(1.10)-(1.12),笔者提供了一组落石冲击试验的冲击试块重量、冲击高度、冲击速度、冲击势能和冲击动能数据,见表1。

表1 落石冲击试验参数

经实践,该组参数能很好的指导现实中落石冲击试验。解决了使用现有测速设备测量难、测不准的难题。建议在下次标准修订时加入此类表格参数指导试验开展。

2 冲击能量问题

TB/T 3449-2016中第5.5条规定了试验步骤,并给出了不同被动防护产品的SEL(正常工作能级)和MEL(最大试验能级)试验的能级。在现实试验中,落石冲击能级计算,一般是通过冲击动能(即落石试块接触网面时的动能)确定。但是防护网系统所吸收的能量还包括从落石接触网面到落石被截停这段缓冲距离l3的势能,缓冲距离如图3所示。所以防护网所吸收的能量还应包括这段势能Ep′,若缓冲距离按3 m计算,该段势能约等于冲击动能的10 %,所以防护网所吸收的总能量约等于Ek×110 %。

图3 垂直冲击试验平台缓冲距离

同时由于标准中没有明确试验中冲击能量的偏差范围,这给实际试验工作带来了疑问。实际试验中,一般是选择略微高于规定能级但不超过规定能级的5 %的能量。再结合落石试块接触网面后防护网额外吸收的势能,建议在下次标准修订时加入试验能级偏差±5 %。

3 试验平台结构形式问题

TB/T 3449-2016标准对试验平台建造材质和结构形式并没有明确要求。根据笔者调查了解国内三座落石冲击试验平台,其中两座是混凝土挡墙形式,一座是钢结构形式。混凝土挡墙试验平台如图4所示,在落石冲击网面时,挡墙会承受较大的力矩,长期受到较大的力矩作用,容易使混凝土产生微裂纹,进而扩展成裂缝或开裂,极端情况下可能在进行落石冲击试验时导致混凝土挡墙倒塌。经笔者调查,现在已在服役的两座混凝土挡墙落石冲击试验平台中,已经有一座出现了裂缝和开裂情况,如图5所示。一旦出现这种裂缝或开裂情况,极难修复,存在很大的安全风险隐患。

图4 某混凝土挡墙落石冲击试验平台

图5 某混凝土挡墙落石冲击试验平台上的裂纹

另一种钢结构形式的落石冲击试验平台,其主体结构为规格H700×300×13×24 mm、材质Q355B的H型钢,先通过高强紧固件连接副固定再经过焊接建造而成,结构刚度足够大(笔者的另一篇文章对此有详细分析),完全满足落石冲击试验要求,其三维构型类似一个拉长形的金字塔结构,如图6所示。由于其结构特点,落石冲击落点几乎都在冲击试验平台立面投影里,故其所受的力矩较小,整体结构稳定,不易倾翻。另外钢结构试验平台还具有不易损坏,维修方便、改装容易、建造成本低、建造材料环保等优点。