袁 松 黎良仆

(四川省交通运输厅交通勘察设计研究院，四川 成都 610017)

基于LS-DYNA的EPS垫层棚洞耗能减震分析★

袁 松 黎良仆

(四川省交通运输厅交通勘察设计研究院，四川 成都 610017)

以某在建项目为背景，基于LS-DYNA建立了数值计算模型，模拟了落石冲击棚洞结构的全过程，揭示了EPS缓冲材料缓冲耗能作用，结果表明：EPS垫层棚洞较传统砂垫层棚洞抗落石冲击性能有一定提高，能广泛应用于实际工程中。

钢筋混凝土棚洞，EPS聚苯乙烯垫层，落石，动力有限元

0 引言

我国西部地区地势险峻，落石灾害时有发生，对依山而建的大量公路造成了严重威胁。棚洞作为落石防护结构，耐久性高、能够与环境协调发展，故而在西部山区公路广泛应用。

JTG/T D70—2010公路隧道设计细则[1]中对棚洞洞顶回填做出了明确规定：当存在落石崩塌危害时，洞顶回填土厚度不宜小于1.5 m，对落石灾害严重区域应酌情加厚。这样导致设计时截面尺寸增大，配筋量增加，不利于结构抗震，建设成本也不易控制。通过在棚洞顶部混凝土板与回填土层之间铺设一层缓冲材料，既减轻棚洞自重，又能吸收落石冲击能量，保护棚洞结构，故成为该领域研究热点。Zarnani等[2]首先在挡土墙与土体之间填充EPS(聚苯乙烯)层，孙洪利等[3]在超前支护桩后设置EPS垫层，结果表明采用EPS垫层后最大土压力都大大减小；何思明等[4]将落石冲击EPS垫层棚洞看成是正交各向异性复合板冲击问题，求解了EPS垫层棚洞钢筋混凝土板的冲击动力响应理论解。纵观上述研究，缺少实际工程下的整体性研究。本文在前人基础上，基于LS-DYNA，结合实际在建项目，模拟落石冲击棚洞结构全过程，以期为工程实际提出建议。

1 有限元数值模拟实验

研究对象取四川省交通运输厅交通勘察设计研究院设计的G245线乌斯河至甘洛县城段公路改建工程棚洞，按12 m×6 m一跨足尺模型和实际配筋进行建模。实际模型配筋图如图1所示。

由于落石冲击棚洞涉及复杂的功能转化，研究过程中忽略对结果影响较小的因素，作出如下假设：1)不考虑冲击过程中落石的破坏和回填土层飞溅的现象；2)不考虑落石斜向冲击棚洞的情况。

1.1 单元及材料

表1 HJC C30混凝土材料模型材料参数及取值

表2 材料参数

材料密度/kg·m-3弹模/MPa屈服极限/MPa泊松比钢筋78002×1054000.3砂土2000390.1480.3EPS泡沫203.50.140.1落石30002.5×104—0.2

1.2 边界条件

砂垫层与泡沫、泡沫与棚洞顶板之间采用面面自动接触，上部T型梁与下部顶端梁之间采用面面普通接触，顶端梁下部节点全部约束，固定所有自由度。

1.3 模态分析

冲击问题中阻尼对结果影响较大。LS-DYNA 中阻尼力通过式(1)计算施加到模型的每个节点[8]。

(1)

其中,Ds为阻尼系数；m为结构质量；v为运动速度；Ds的算法由式(2)给出：

(Ds)critical=2ωmin

(2)

其中,ωmin为该结构的基频，故需进行模态分析得到结构的基频。

本文采用整体式模型，将钢筋分布于整个单元中，采用Solid65单元，钢筋的贡献度通过调整单元的材料力学参数得以实现[9]，混凝土选择线弹性本构关系。由此得到结构基频为：30.298 Hz。

棚洞结构一阶振型见图3。

根据ωn=f×2π，可由计算结果得到ωmin，再根据式(2)求得阻尼系数。

综上建立有限元模型如图4所示，整体模型共有161 855个节点，46 211个Beam单元，115 640个Solid单元。

2 数值实验结果分析

计算可得棚洞结构受落石冲击作用下任意时间各点处钢筋应力值、挠度时程曲线如图5所示。分别计算4 t落石从40 m高度落下冲击钢筋混凝土棚洞，EPS垫层填充厚度分别取0.3 m，0.6 m(即1.5 m砂土+0.3 m EPS;1.5 m砂土+0.6 m EPS)，各工况下落石动能时程曲线绘制如图6所示。

如图6所示，EPS不同填充厚度下落石能量衰减的曲线有一定差异，0.6 m EPS的曲线向右上方偏移，两条曲线均出现了三个明显的拐点，本文认为这是由EPS材料力学性质决定：弹性段吸收较小能量，进入屈服阶段后，能量—时间曲线斜率逐渐变陡，表明进入能量吸收的主要阶段，而后斜率逐渐降低，材料进入硬化阶段，材料被逐渐压实，耗能水平有所下降。0.6 m EPS曲线与0.3 m EPS曲线相比，拐点有所滞后，即材料进入硬化阶段时，吸收能量比0.3 m EPS多，整个耗能阶段的时间更长，故随着填充缓冲材料厚度的增加，结构耗能更加明显。

通过计算，棚洞结构不填充EPS垫层时，4 t落石从40 m落高落下，T梁主筋应力值达到401.2 MPa，跨中挠度值为0.042 m，其结果见表3，达到HRB400钢筋屈服极限以及梁挠度限值δ<12/300=0.04 m，即达到棚洞结构极限承载能力。填充0.6 m EPS后，4 t落石从50 m落下冲击棚洞，棚洞T型梁挠度值达到0.041 m，由此可见，采用1.5 m砂土+0.6 m EPS垫层棚洞的安全性能是1.5 m砂土垫层棚洞的1.2倍。

表3 数值实验结果对比

3 结语

本文以实际在建工程为背景，重点研究砂垫层+不同厚度EPS的复合垫层在落石冲击荷载下棚洞抗落石冲击性能和耗能减震原理，基于数值模拟实验得到如下结论：1)棚洞顶部设置砂+EPS的复合垫层形式能够有效降低落石冲击下结构受力钢筋的应变值与主梁挠度值。2)EPS垫层耗能减震能力随着EPS填充厚度的提高而提高，棚洞结构抗落石冲击性能得到加强，这与EPS材料本身力学性能有关。3)以规范要求最低砂土垫层厚度为基准，采用填充EPS垫层可以在较大落石冲击能量下有效降低结构自重及建设成本，是一种安全、经济的棚洞垫层材料。

[1] JTG/T D70—2010，公路隧道设计细则[S].

[2] Zarnani S,Bathurst R J.Numerical parametric study of a ex-panded polystyrene(EPS)geofoam seismic buffers[J].Canadian Geotechnical Journal,2009,46(3):318-338.

[3] 孙洪利,刘元雪,叶四桥,等.超前支护桩桩后EPS垫层优化设置的数值模拟[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2011(4):786-789，879.

[4] 王东坡,何思明,欧阳朝军,等.滚石冲击荷载下棚洞钢筋混凝土板动力响应研究[J].岩土力学,2013(3):881-886.

[5] 汪 敏,石少卿,阳友奎.柔性棚洞在落石冲击作用下的数值分析[J].工程力学,2014(5):151-157.

[6] 熊益波，陈剑杰，胡永乐，等.混凝土Johnson-Holmquist本构模型关键参数研究[J].工程力学，2012(1):121-127.

[7] N Kishi,H Konno,K Ikeda,etc..Prototype impact tests on ultimate impact resistance of PC rock-sheds[J].International Journal of Impact Engineering,2002,27(9):969-985.

[8] LS-DYNA ®KEYWORD USER’S MANUAL[Z].2005.

[9] 贾 涛，刘世忠.基于ANSYS实体模型对小跨径钢筋混凝土简支梁旧桥的模态分析[J].兰州交通大学学报，2008(3):9-12.

Study on the energy dissipation of shed with EPS cushion by LS-DYNA★

Yuan Song Li Liangpu

(SichuanCommunicationSurveying&DesignInstitute,Chengdu610017,China)

Taking the in-built project as the background, the thesis establishes numerical calculation model on the basis of LS-DYNA, simulates the whole process of rockfall shocking hanger tunnel, and demonstrates the damping and energy dissipation effect of EPS cushioning materials. Results show that: comparing to sandy cushion hanger tunnel, the shock-resisting performance of EPS cushion hanger tunnel has been improved, which can be widely applied in actual engineering.

steel reinforce concrete hanger tunnel, EPS polystyrene cushion, rockfall, dynamic finite element

1009-6825(2017)02-0050-02

2016-11-04★:四川省交通科技项目(项目编号：2012B4-2)

袁 松(1983- )，男，硕士，工程师； 黎良仆(1990- )，男，助理工程师

TU375.4

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