边坡柔性防护网系统落石冲击钢结构试验平台稳定性验证

陶永康,罗远才

(1.四川省工业环境监测研究院,四川 成都 610046;2.成都开物华科技有限公司,四川 成都 611700)

我国是一个多山的国家,特别是西部和东南部山区,各种地质灾害经常发生,加之人口众多、幅员辽阔,各类工程的建设和开发必然会带来大量的坡面地质灾害问题,边坡治理工程问题日益增多,在铁路、公路、水电站、矿山等工程沿线尤为突出。边坡柔性防护网系统因其工厂化生产、组合式安装,越来越多地应用到了边坡灾害治理当中。为了能够有效及系统地对边坡柔性防护系统质量进行检测,为生产厂家提供改进优化配置技术支持,需要建设边坡柔性防护网系统防护性能检测用的落石冲击试验平台[1-5]。目前国内现已建成有2座试验平台开展边坡落石柔性防护网系统冲击试验研究[6],在进行边坡柔性防护网系统冲击试验时,均采用将防护网安装在混凝土墙体上进行,即边坡柔性防护网系统冲击试验平台为混凝土墙体[7],如图1所示。这种方式虽然抗压强度好,但是其抗拉强度低,易出现墙体拉裂;因为试验时防护网的拉绳对结构形成的都是拉应力,所以采用混凝土墙体需要很高的强度来抵抗产生的拉应力,有可能导致墙体拉裂。并且,混凝土浇筑好后易出现收缩不均匀,产生细微裂缝或中间空洞等缺陷,给试验过程带来了不可控性和安全隐患[8]。同时,该类试验平台还有建造成本高,建造周期长,使用材料不环保,维护成本高,使用寿命短等缺点。据了解现阶段已建成的两座混凝土挡墙平台均无法开展标准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》规定的最大5000 kJ能级的落石冲击试验。

图1 混凝土结构落石冲击试验平台

为了克服现有技术方法的不足,本文提出一种边坡柔性防护网系统落石冲击试验钢结构试验平台,钢结构能够避免瞬间拉应力大,尖峰脉冲拉力将结构体拉裂的情况,且该平台为三维空间稳定结构,柔性防护网横向展开安装在钢结构试验平台上,冲击试验时具有良好的受力状态,不易倾翻,如图2所示。本文通过有限元模拟了2000 kJ和5000 kJ能级落石冲击试验时,试验平台所受力情况。

图2 钢结构落石冲击试验平台

1 钢结构试验平台的结构

钢结构试验平台主要由地基、H型钢(规格为H300×700×25×25 mm和H300×500×20×20 mm,材质为Q355B)、连接加强板、连接螺栓等组成。各连接节点加工后通过高强螺栓连接副固定后,再将所有接缝处焊接固定,整个钢结构试验平台可以看成是一个整体构件。整个试验平台系统还配套有起吊装置、力及位移检测传感器、高速摄影机、综合测控单元等,可以完成整个冲击试验,并测量记录各种拉绳、支撑绳的拉力、落石冲击速度、防护网缓冲距离、残余拦截高度等。起吊装置一般采用汽车式吊车或塔吊[9]。

钢结构冲击试验平台三维空间稳定结构包括柔性防护网支撑部和固定支撑部,柔性防护网支撑部置于固定支撑部上。柔性防护网支撑部包括:多个并列的锥形体和支撑框架,锥形体置于支撑框架上;在支撑框架上利用固定件和锥形体上设置的固定件配合固定柔性防护网安装。固定支撑部包括:多个立柱和横梁构成支撑架,在立柱之间设有斜拉梁,在固定支撑架内部形成多个三角形结构或多边形结构;固定支撑框架置于安装地基上。如图3、图4所示。根据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》,除3000 kJ和5000 kJ能级的防护网落石冲击落点在钢结构冲击试验平台三维平面投影外约1 m处,其余能级防护网冲击落点均在平台三维平面投影内。平台整体所承受的力矩较小,稳定性更好。

图3 钢结构试验平台的构成(整体)

图4 钢结构试验平台的构成(装网)

边坡柔性防护网系统各主要固定部件(上拉绳、上下支撑绳、侧拉绳、基座、钢柱)安装示意图如图5-图8所示。

图5 上拉绳安装点示意图

图6 上下支撑绳安装点示意图

图7 侧拉绳安装点示意图

图8 基座和钢柱安装点示意图

2 钢结构试验平台的受力理论计算及有限元分析

落石冲击试验时,将柔性防护网系统按照产品工程设计图纸要求安装在试验平台上,主要通过基座、支撑绳、拉绳等构件与试验平台固定。典型的被动防护网结构如图9所示。防护网由三跨组成,每跨宽10 m,总宽度30 m,防护网拦截高度5.5 m。本文模拟和实测的被动防护网均采用该尺寸。

(a)立面

钢结构试验平台按最大5000 kJ能级落石冲击试验设计、校核并制作。以下按5000 kJ能级被动防护网落石冲击试验受力计算,5000 kJ被动防护网容许缓冲距离为15 m[10],此处按最恶劣条件5 m的缓冲距离考虑。考虑空气阻力作用,重力加速度g取9.79 m/s2,经计算要达到5000 kJ的能级,需将16 t的落石从距离网面32.8 m的高空由静止释放,设置为初始速度为0的自由落体运动[11],此时落石的触网速度将达到25.29 m/s。根据能量守恒定律[12]可知

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

(1)

式中:m——落石重量/kg;v——触网速度/(m/s);g——重力加速度/(m/s2);h——缓冲距离/m;F——作用在防护网上的力/kN。

计算可得,作用在防护网面上的力的平均值F=823 kN。由于整个防护网系统主要通过布设在各支撑绳和拉锚绳上的减压环启动收缩变形吸收能量[13],通过大量减压环动力性能试验统计出减压环启动过程中力的平均值约等于最大力的50%～60%,取平均力和最大力转换系数为0.55,故最大力Fmax=1495 kN。取最大力作为作用在防护网上的力约150 t,上下支撑绳均按2/3大小的力考虑,上下支撑绳受力均为100 t,上下支撑绳均按双绳设计,则单绳拉力为50 t,通过空间力系,如图10所示,计算上拉绳中间位置受力大小为40 t,侧边受力大小为20 t,垂直于基座安装面受力大小为40 t,沿基座安装面向下受力大小为33.5 t。

图10 防护网空间力系

使用有限元分析软件对钢结构试验平台进行静应力分析。简化模型,将爬梯、护栏等不参与受力的结构去除。固定钢结构试验平台地基位置,对上拉锚绳中间固定位置施加1×400 kN的载荷(共计4处),对侧边上拉绳固定位置施加1×200 kN的载荷(共计4处),对上支撑绳固定位置施加1×500 kN的载荷(共计4处),对下支撑绳固定位置施加1×500 kN的载荷(共计4处),对侧拉锚绳固定位置施加1×200 kN的载荷(共计2处),对基座固定位置施加垂直于基座安装板1×400 kN的载荷(共计4处),并向下施加1×335 kN的载荷(共计4处)。钢结构材质选择Q355B,对钢结构试验平台模型进行网格化处理,然后对钢结构试验平台模型进行有限元分析。应力分析结果如图11所示,变形量分析结果如图12所示。

(a)整体图

结果显示:模型最大受力位置为侧拉绳固定位置,应力为138 MPa,远小于材质为Q355B的H型钢的屈服强度355 MPa[14],约有2.6倍的安全系数。此位置应力较大的原因为受力点在梁的中部,且受力基本垂直于钢梁,故应力较大。

模型最大变形位置为中间顶部上拉绳固定位置,变形为12 mm,变形量对于缓冲距离影响微弱,可忽略。

3 混凝土挡墙结构和钢结构试验平台2000 kJ能级有限元分析

3.1 混凝土挡墙试验平台2000 kJ能级试验受力分析

2000 kJ被动防护网容许缓冲距离为10 m[9],此处按5 m的缓冲距离考虑。考虑空气阻力作用,重力加速度g取9.79 m/s2,经计算要达到2000 kJ的能级,需将6.31 t的落石从距离网面32.6 m的高空由静止释放,此时落石的触网速度将达到25.19 m/s。

根据公式(1)计算可得,作用在防护网面上的力的平均值F=524 kN。由于整个防护网系统主要通过布设在各支撑绳和拉锚绳上的减压环启动收缩变形吸收能量,通过大量减压环动力性能试验统计出减压环启动过程中力的平均值约等于最大力的50%～60%,取平均力和最大力转换系数为0.55,故最大力Fmax=953 kN。取最大力作为作用在防护网上的力约95 t,上下支撑绳均按2/3大小的力考虑,上下支撑绳受力均为63 t,上下支撑绳均按双绳设计,则单绳拉力为31.5 t,通过空间力系计算上拉绳中间位置受力大小为16.8 t,侧边受力大小为10 t,垂直于基座安装面受力大小为20 t,沿基座安装面向下受力大小为16.8 t。

固定混凝土挡墙地基位置,对上拉锚绳中间固定位置施加1×168 kN的载荷(共计4处),对侧边上拉绳固定位置施加1×100 kN的载荷(共计4处),对上支撑绳固定位置施加1×315 kN的载荷(共计2处),对下支撑绳固定位置施加1×315 kN的载荷(共计2处),对侧拉锚绳固定位置施加1×80 kN的载荷(共计2处),对基座固定位置施加垂直于基座安装板1×200 kN的载荷(共计4处),并向下施加1×168 kN的载荷(共计4处)。材质选择钢筋混凝土,对混凝土挡墙试验平台模型进行网格化处理,然后对平台模型进行有限元分析。应力分析结果如图13所示,变形量分析结果如图14所示。

结果显示:模型应力整体较小,最大应力在根部基础位置。模型最大变形位置为顶部上拉绳固定位置,变形量为6.89 mm。

3.2 钢结构试验平台2000 kJ能级试验受力分析

同样的2000 kJ被动防护网容许缓冲距离为10 m,此处按5 m的缓冲距离考虑。考虑空气阻力作用,重力加速度g取9.79 m/s2,经计算要达到2000 kJ的能级,需将6.31 t的落石从距离网面32.6 m的高空由静止释放,此时落石的触网速度将达到25.19 m/s。

钢结构试验平台各受力点位置、受力大小和方向与混凝土挡墙试验平台2000 kJ能级试验时一致。有限元应力分析结果如图15所示,变形量分析结果如图16所示。

图15 钢结构试验平台2000 kJ理论应力分析

图16 钢结构试验平台2000 kJ理论变形量分析

结果显示:模型整体应力较小,最大应力仍然位于侧拉绳固定位置处约75 MPa。模型最大变形位置仍为中间顶部上拉绳固定位置,变形量为4.15 mm。该变形量小于混凝土挡墙试验平台模型在同能级试验时的最大变形量。

4 钢结构试验平台理论受力模型与实测受力情况的比较

在钢结构试验平台上进行2000 kJ能级落石冲击试验,并记录各绳受力情况。各部件受力情况如图17所示,由图中力-时间曲线可以看出,各部件受力发生在约0.5 s的极短时间内,且力值呈很多波峰状,这是因为边坡柔性防护网系统上各减压环等消能件启动进行能量吸收的结果,避免了防护网系统瞬间承受较大的冲击力而产生破损失效情况发生[15]。图中上支撑绳单绳拉力为18.87 t,上支撑绳均为双绳设计,则上支撑绳总共受力大小为37.7 t,下支撑绳单绳拉力为11.96 t,下支撑绳也为双绳设计,则下支撑绳总共受力大小为23.9 t,上拉绳中间位置受力大小为10.43 t,侧边受力大小为8.12 t。基座及钢柱未安装测力传感器故无数据,该处按理论模型受力赋值。有限元应力分析结果如图18所示,变形量分析结果如图19所示。结果显示:按实测受力作为边界条件进行有限元分析,模型整体应力仍然较小,最大应力仍然位于侧拉绳固定位置处约60 MPa,略小于理论受理模型的最大应力75 MPa。最大变形位置同样为中间顶部上拉绳固定位置,最大变形量为3.53 mm,略小于理论受力模型最大变形量4.15 mm。

图17 2000kJ能级落石冲击试验时各部件受力情况

图18 钢结构试验平台2000 kJ实测受力时应力分析

图19 钢结构试验平台2000kJ实测受力时变形量分析

由2000 kJ能级边坡防护网系统落石冲击试验各部件实测受力与理论受力模型比较可知,落石冲击试验时各部件实测受力小于理论模型受力。通过实测受力作为边界条件模拟计算出的钢结构试验平台最大应力和最大变形量均略小于理论模型最大应力和最大变形量,且位置也基本相符。说明本文进行的理论模型分析符合实际情况,分析结果可信。

5 钢结构试验平台对试验结果的影响分析

5.1 对防护网缓冲距离的影响

通过有限元分析,结果显示钢结构平台在5000 kJ能级落石冲击时,按5 m缓冲距离的严苛条件分析,最大受力瞬间会产生12 mm的变形,5000 kJ能级的边坡柔性防护网容许缓冲距离为15 m,钢结构试验平台的变形只占缓冲距离的0.8 ‰。且实际试验过程中试验平台不会持续受力,故其影响几乎可以忽略不计。

5.2 对防护网吸能特性的影响

钢结构试验平台在落石冲击试验过程中会产生微小变形,但这种变形均在钢结构的弹性变形范围内,且发生时间仅在0.5 s左右,几乎不会消耗能量,所以钢结构试验平台对柔性防护网系统的能量吸收性能产生影响可忽略不计。

5.3 对防护网抗冲击性能的影响

在钢结构试验平台受力最大的5000 kJ能级落石冲击试验中,钢结构试验平台最大变形量不超过12 mm,相比于边坡柔性防护网系统的网片、拉绳、支撑绳和减压环等能量吸收装置累计几米到十几米的变形量,钢结构平台自身弹性变形瞬间吸收再瞬间释放的一小部分能量,对冲击能量峰值的影响几乎可以忽略不计。

6 结论

钢结构试验平台虽然设计和建设成本较高,但其卓越的性能使其成为首选。它具有极强的抗冲击能力,可承受反复冲击试验而不产生裂纹、崩落等现象,抗震性能优异,不存在瞬间坍塌风险,保障试验人员和设备的安全。

本文在受力分析时,将理论冲击缓冲距离设定为5米严苛条件,增大试验平台的理论受力,并考虑了受力不均性。经过计算,该平台具有2.6倍的安全系数,强度和刚度高,完全满足5000 kJ能级落石冲击试验的要求。

通过2000 kJ能级落石冲击试验有限元分析得知,钢结构试验平台最大变形量小于混凝土挡墙试验平台相同能级试验的最大变形量。实测受力与理论模型比较表明,钢结构试验平台各部件实测受力小于理论模型受力。模拟计算得出的最大应力和变形量略小于理论模型,且位置基本相符。这说明本文进行的理论模型分析符合实际情况,可信可靠。

采用钢结构为主体的柔性防护网落石冲击试验平台系统不仅具备优良的力学特性和稳定性,而且易于控制质量、建设周期短、环保安全、易于维护、使用寿命长等优势,不会影响落石冲击试验的缓冲距离、吸能特性和抗冲击性能,是一种优秀的新型试验平台。