CN112883612A - 一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法。该方法包括以下几个关键步骤：确定落石被动柔性防护网系统的冲击力分布模式；建立计算模型；施加初始冲击力；设置加载系数；进行静力非线性计算；判断落石被动柔性防护网系统内能达到防护能级；进行落石被动柔性防护网系统构件的内力验算；进行落石被动柔性防护网系统的构造设计。本发明所述静力加载系数设计法大幅降低了落石被动柔性防护系统的设计难度，可代替复杂的动力计算作为工程设计方法。

Description

一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法
技术领域
本发明涉及一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法，属于边坡地质灾害防护领域。
背景技术
落石灾害是土木工程领域所面临的最为严重的坡面地质灾害之一。落石被动柔性防护系统因其防护能级高、安装便捷、环保性能好等优势已在崩塌落石灾害的防治中获得大量应用，并取得了显著成效。由于落石被动柔性防护系统在遭受落石冲击过程中具有高度几何非线性、材料非线性、接触非线性以及冲击大变形的特征，理论计算分析难度大，工程应用上主要采用足尺冲击试验对系统的性能进行检验，但是成本高、周期长，且未能结合具体工点特征进行单独设计，这对落石被动柔性防护系统工程应用的可靠性造成隐患。数值计算虽然能够一定程度上克服足尺冲击试验的上述不足，但现有技术中，相关科研人员往往采用建模难度大、理论基础要求高的显式动力方法进行计算分析，具有较大的使用门槛，普及难度大，不能普遍适用于广大的一线工程设计人员。因此，亟需一种广大一线工程设计人员能快速掌握的可靠的、简化的工程设计方法，提高落石被动柔性防护网系统工程应用的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法，主要解决广大的一线工程设计人员尚无适用的工程设计方法的难题，提高落石被动柔性防护网系统工程应用的可靠性。
本发明的上述目的通过如下技术方案来实现，包括如下步骤：
一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法，包括如下步骤：
步骤一：确定落石被动柔性防护网系统的冲击力分布模式
根据落石被动柔性防护网系统的防护能级Ed确定冲击力分布范围；
根据落石被动柔性防护网系统的防护能级Ed确定冲击力分布范围内冲击力分布模式，即冲击力在分布范围内不同位置的相对大小；
步骤二：建立计算模型
建立落石被动柔性防护网系统整体计算模型，定义柔性防护网系统的材料参数、截面尺寸和边界条件；
步骤三：在计算模型中施加落石冲击力并进行静力非线性计算
根据冲击力分布模式，在计算模型中施加初始冲击力F；
定义加载系数λ；
对落石被动柔性防护网系统模型施加F×λ荷载，并进行荷载作用下的静力非线性计算；
监测不同荷载步条件下落石被动柔性防护网系统的应变能Es，当Es≥Ed时，落石冲击荷载施加完成；
步骤四：进行落石被动柔性防护网系统构件的内力验算
提取各部件的峰值内力，进行构件验算，当未能满足要求时，进行系统配置调整；
步骤五：进行落石被动柔性防护网系统的构造设计。
进一步地，根据防护能级Ed，确定整体冲击试验所要求的落锤特征尺寸L。
进一步地，在冲击力分布范围L×L区域内，将其由中心区域向外依次划分为不同的加载区Q1～Qn，初始冲击力F以压力荷载形式施加于加载区Q1～Qn。
进一步地，将冲击力分布范围L×L区域划分为若干个l×l小方格，互不共边的小方格为加载区，其中，l＝0.7d，d为防护网的网环直径。
进一步地，与中心区域小方格共边的4个小方格所占的区域为Q1；与Q1小方格处于对顶角位置并且相比于Q1远离中心区域的小方格所占的区域为Q2；……与Qn-1小方格处于对顶角位置并且相比于Qn-1远离中心区域的小方格所占的区域为Qn。
进一步地，在建立落石被动柔性防护网系统整体计算模型前，需要假定落石被动柔性防护网系统的结构形式以及初始配置。
进一步地，系统的应变能Es包括网片(1)、钢柱(2)、上支撑绳(3)、下支撑绳(4)、端支撑绳(5)、耗能器(6)、上拉锚绳(7)、侧拉锚绳(8)变形所产生的应变能。
进一步地，加载完成后校核系统各部件内力、变形是否满足要求。
进一步地，根据落石被动柔性防护网系统的防护能级Ed确定加载区Q1～Qn：
250kJ能级落石被动柔性防护网系统只在Q1区施加冲击力；500kJ～1500kJ能级落石被动柔性防护网系统在Q1和Q2区施加冲击力；2000kJ～5000kJ能级落石被动柔性防护网系统在Q1、Q2和Q3区施加冲击力，本领域技术人员可根据能级大小，根据经验确定是否在加载区Q1～Qn的一部分施加冲击力。
进一步地，250kJ能级落石被动柔性防护网系统Q1区冲击力相对值为1.0；500kJ能级落石被动柔性防护网系统Q1和Q2区冲击力相对值为1.0和0.47；750kJ能级落石被动柔性防护网系统Q1和Q2区冲击力相对值为1.0和0.52；1000kJ能级落石被动柔性防护网系统Q1和Q2区冲击力相对值为1.0和0.66；1500kJ能级落石被动柔性防护网系统Q1和Q2区冲击力相对值为1.0和0.79；2000kJ能级落石被动柔性防护网系统Q1、Q2和Q3区冲击力相对值为1.0、0.83和0.43；3000kJ能级落石被动柔性防护网系统Q1、Q2和Q3区冲击力相对值为1.0、0.97和0.45；5000kJ能级落石被动柔性防护网系统Q1、Q2和Q3区冲击力相对值为1.0、1.1和0.59。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明首次提出了一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法，明确了落石被动柔性防护网系统静力加载系数设计法的流程，使得该类结构的设计有据可依，是对现有技术的极大补充和完善。
(2)明确了落石冲击荷载的分布范围及分布模式。
(3)基于有限元计算方法，明确了建立计算模型的基本原则及加载判断准则，使其更具备可操作性。
本发明所述一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法，逻辑清晰、简化合理，能够大幅度降低落石被动柔性防护系统的设计难度，相比动力计算方法更加适合工程设计人员使用。本发明具有实质性特点和进步，拥有十分广泛的市场应用前景，非常适合推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法的落石被动柔性防护网系统的结构示意图。
图2为本发明一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法的流程图。
图3为本发明所述一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法中250kJ能级落石被动柔性防护网系统的冲击力加载区。
图4为本发明所述一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法的500kJ～1500kJ能级落石被动柔性防护网系统的冲击力加载区。
图5为本发明所述一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法的2000kJ能级落石被动柔性防护网系统的冲击力加载区。
图6为本发明所述一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法的3000kJ～5000kJ能级落石被动柔性防护网系统的冲击力加载区。
图7为本发明所述一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法的实施例的冲击力加载示意图。
图8为本发明所述一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法的实施例的非线性静力计算时落石被动柔性防护网系统应变能—加载系数(Es—λ)曲线。
图9为本发明所述一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法的实施例的落石被动柔性防护网系统加载完成后的变形图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1-3，本发明所述的落石被动柔性防护网系统结构包括：网片1，钢柱2，上支撑绳3，下支撑绳4，端支撑绳5，耗能器6，上拉锚绳7，侧拉锚绳8；网片1穿挂在上支撑绳3、下支撑绳4、和端支撑绳5上；上支撑绳3、下支撑绳4和上拉锚绳7上设置耗能器6。
本申请的一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法，包括如下步骤：
步骤一：确定落石被动柔性防护网系统的冲击力分布模式
根据落石被动柔性防护网系统的防护能级Ed确定冲击力分布范围；
根据落石被动柔性防护网系统的防护能级Ed确定冲击力分布范围内冲击力分布模式，即冲击力在分布范围内不同位置的相对大小；
步骤二：建立计算模型
建立落石被动柔性防护网系统整体计算模型，定义柔性防护网系统的材料参数、截面尺寸和边界条件；
步骤三：在计算模型中施加落石冲击力并进行静力非线性计算
根据冲击力分布模式，在计算模型中施加初始冲击力F；
定义加载系数λ；
对落石被动柔性防护网系统模型施加F×λ荷载，并进行荷载作用下的静力非线性计算；
监测不同荷载步条件下落石被动柔性防护网系统的应变能Es，当Es≥Ed时，落石冲击荷载施加完成；
步骤四：进行落石被动柔性防护网系统构件的内力验算
提取各部件的峰值内力，进行构件验算，当未能满足要求时，进行系统配置调整；
步骤五：进行落石被动柔性防护网系统的构造设计。
其中，整体冲击试验所要求的落锤特征尺寸L，可根据防护能级Ed，参照《铁路边坡柔性被动防护产品落石冲击试验方法与评价》(TB/T 3449-2016)来确定。
在冲击力分布范围L×L区域内，将其由中心区域向外依次划分为不同的加载区Q1～Qn，初始冲击力F以压力荷载形式施加于加载区Q1～Qn。在本申请的实施例中，冲击力分布范围L×L区域划分为若干个l×l小方格，互不共边的小方格为加载区，其中，l＝0.7d，d为防护网的网环直径。与中心区域小方格共边的4个小方格所占的区域为Q1；与Q1小方格处于对顶角位置并且相比于Q1远离中心区域的小方格所占的区域为Q2；……与Qn-1小方格处于对顶角位置并且相比于Qn-1远离中心区域的小方格所占的区域为Qn。
进一步地，根据落石被动柔性防护网系统的防护能级Ed确定加载区Q1～Qn：
250kJ能级落石被动柔性防护网系统只在Q1区施加冲击力；500kJ～1500kJ能级落石被动柔性防护网系统在Q1和Q2区施加冲击力；2000kJ～5000kJ能级落石被动柔性防护网系统在Q1、Q2和Q3区施加冲击力。可以理解，本领域技术人员可根据能级大小，根据经验确定是否在加载区Q1～Qn的全部或一部分施加冲击力(参见图5-6)。
实施例
本实施例拟设计一款防护能级为3000kJ，网环直径为300mm的落石被动柔性防护网系统，根据图2所示设计流程，进一步说明本发明所述一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法的具体步骤：
步骤一：确定落石被动柔性防护网系统的冲击力分布模式。
防护能级为3000kJ的落石被动柔性防护网分布范围如图6所示，Q1、Q2和Q3区冲击力相对值为1.0、0.97和0.45。
步骤二：建立落石被动柔性防护网系统整体计算模型。
本实施例中，采用NIDA-MNN程序建立该落石被动柔性防护网系统的计算模型，并定义除落石冲击荷载外的所有模型内容，包括材料、截面、边界条件等。落石被动柔性防护网系统共三跨，每跨跨度为10m，柱高为6.6m，网片选择环形网(建模时等效处理为正交网片)，耗能器选择GS-8002型减压环。有限元计算软件的种类不限于以上的具体实施方式，本领域技术人员可根据需要进行选取。
初始配置如下表所示：
Figure BDA0002939637200000061
步骤三：在计算模型中施加落石冲击力并进行静力非线性计算。
首先根据冲击力分布模式，在计算模型中施加初始冲击力F；假定Q1区冲击力为1000kN，则Q2和Q3区冲击力970kN和450kN，施加冲击力F如图7所示；定义目标加载系数λ＝1.0；开展落石被动柔性防护网系统模型在F×λ荷载作用下的静力非线性计算；
监测不同荷载步条件下落石被动柔性防护网系统的应变能Es，当Es＝Ed时，落石冲击荷载施加完成。如图8所示，当λ＝0.4时Es＝3100kJ，大于Ed＝3000kJ，因此，可判定为加载结束，即Q1、Q2和Q3区的实际荷载F×λ分别为400kN，388kN和182kN。
步骤四：进行落石被动柔性防护网系统的内力验算。
各部件内力与承载力如下表所示，系统变形如图9所示。
Figure BDA0002939637200000071
步骤五：进行落石被动柔性防护网系统的构造设计。
落石被动柔性防护网系统的构造设计主要包括设计上支撑绳(3)、下支撑绳(4)与钢柱(2)间的连接方式。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：确定落石被动柔性防护网系统的冲击力分布模式
根据落石被动柔性防护网系统的防护能级Ed确定冲击力分布范围；
根据落石被动柔性防护网系统的防护能级Ed确定冲击力分布范围内冲击力分布模式，即冲击力在分布范围内不同位置的相对大小；
步骤二：建立计算模型
建立落石被动柔性防护网系统整体计算模型，定义柔性防护网系统的材料参数、截面尺寸和边界条件；
步骤三：在计算模型中施加落石冲击力并进行静力非线性计算
根据冲击力分布模式，在计算模型中施加初始冲击力F；
定义加载系数λ；
对落石被动柔性防护网系统模型施加F×λ荷载，并进行荷载作用下的静力非线性计算；
监测不同荷载步条件下落石被动柔性防护网系统的应变能Es，当Es≥Ed时，落石冲击荷载施加完成；
步骤四：进行落石被动柔性防护网系统构件的内力验算
提取各部件的峰值内力，进行构件验算，当未能满足要求时，进行系统配置调整；
步骤五：进行落石被动柔性防护网系统的构造设计。
2.根据权利要求1所述的一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法，其特征在于，根据防护能级Ed，确定整体冲击试验所要求的落锤特征尺寸L。
3.根据权利要求2所述的一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法，其特征在于，在冲击力分布范围L×L区域内，将其由中心区域向外依次划分为不同的加载区Q1～Qn，初始冲击力F以压力荷载形式施加于加载区Q1～Qn。
4.根据权利要求3所述的一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法，其特征在于，将冲击力分布范围L×L区域划分为若干个l×l小方格，互不共边的小方格为加载区，其中，l＝0.7d，d为防护网的网环直径。
5.根据权利要求4所述的一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法，其特征在于，与中心区域小方格共边的4个小方格所占的区域为Q1；与Q1小方格处于对顶角位置并且相比于Q1远离中心区域的小方格所占的区域为Q2；……与Qn-1小方格处于对顶角位置并且相比于Qn-1远离中心区域的小方格所占的区域为Qn。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法，其特征在于，在建立落石被动柔性防护网系统整体计算模型前，需要假定落石被动柔性防护网系统的结构形式以及初始配置。
7.根据权利要求1-6之一所述的一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法，其特征在于，系统的应变能Es包括网片(1)、钢柱(2)、上支撑绳(3)、下支撑绳(4)、端支撑绳(5)、耗能器(6)、上拉锚绳(7)、侧拉锚绳(8)变形所产生的应变能。
8.根据权利要求1-7之一所述的一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法，其特征在于，加载完成后校核系统各部件内力、变形是否满足要求。
9.根据权利要求3-5之一所述的一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法，其特征在于，根据落石被动柔性防护网系统的防护能级Ed确定加载区Q1～Qn：
250kJ能级落石被动柔性防护网系统只在Q1区施加冲击力；500kJ～1500kJ能级落石被动柔性防护网系统在Q1和Q2区施加冲击力；2000kJ～5000kJ能级落石被动柔性防护网系统在Q1、Q2和Q3区施加冲击力。
10.根据权利要求9所述的一种基于能级适配的柔性防护网系统静力加载系数设计法，其特征在于，250kJ能级落石被动柔性防护网系统Q1区冲击力相对值为1.0；500kJ能级落石被动柔性防护网系统Q1和Q2区冲击力相对值为1.0和0.47；750kJ能级落石被动柔性防护网系统Q1和Q2区冲击力相对值为1.0和0.52；1000kJ能级落石被动柔性防护网系统Q1和Q2区冲击力相对值为1.0和0.66；1500kJ能级落石被动柔性防护网系统Q1和Q2区冲击力相对值为1.0和0.79；2000kJ能级落石被动柔性防护网系统Q1、Q2和Q3区冲击力相对值为1.0、0.83和0.43；3000kJ能级落石被动柔性防护网系统Q1、Q2和Q3区冲击力相对值为1.0、0.97和0.45；5000kJ能级落石被动柔性防护网系统Q1、Q2和Q3区冲击力相对值为1.0、1.1和0.59。
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