CN113705061A - 一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法 - Google Patents

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CN113705061A CN202111260041.0A CN202111260041A CN113705061A CN 113705061 A CN113705061 A CN 113705061A CN 202111260041 A CN202111260041 A CN 202111260041A CN 113705061 A CN113705061 A CN 113705061A
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Abstract

本发明涉及挖填方工程边坡防护技术领域，涉及一种考虑多重非线性因素的数字化柔性防护系统设计方法，具体包括以下步骤：a）确定灾害参数；b）初选系统类型、构件规格；c）建立包含坡面环境数字化信息的计算模型Ⅰ；d）建立包含系统安装形态及初始内力的计算模型Ⅱ；e）建立包含致灾体数字化信息的计算模型Ⅲ；f）进行致灾体与防护系统显式动力计算；g）结果验算。本发明解决了挖填方工程边坡致灾体冲击与柔性防护这一复杂过程的计算难题，精确考虑了大变形、大滑移、接触分离等多重非线性因素，显著提高了挖填方工程边坡防护设计的精确性。

Description

一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法
技术领域
本发明涉及挖填方工程边坡防护技术领域，具体地说，涉及一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法。
背景技术
在挖填方工程边坡灾害防护领域，柔性防护技术已获得广泛应用，但是，目前没有量化的科学设计方法。鉴于致灾体冲击柔性防护系统过程极其复杂，无法采用解析方法进行设计，故目前只能采用数值分析方法进行系统结构设计。但是，致灾体冲击柔性防护系统是一个具有多重非线性问题的动力冲击过程，包括：灾害非线性——坡面形态各异，因此，致灾体运动轨迹、冲击能量、冲击方式具有离散型，还有岩石破碎、泥石流等非线性致灾体；材料非线性——除支撑柱外，钢丝绳、柔性网片均为柔性材料，发生非线性大变形，消能器通过弹塑性大变形消耗冲击能量；接触非线性——主要拦截部件柔性网片由钢丝网环套接而成，随冲击过程，网环间的相对关系存在接触、分离、滑移等多种状态，是典型的非线性接触，等等。目前，在该领域还没有能系统地考虑多重非线性因素的数字化计算方法，因此，提出高精度非线性数值计算方法是提高设计方法合理性、提升柔性防护技术的关键。
发明内容
本发明的内容是提供一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
根据本发明的一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤a：确定灾害参数；通过数字化扫描技术，重构坡面数字化空间信息模型，结合地质勘察建立数字化边坡灾害模型，确定后续防护系统设计参数，包括灾害源空间位置、空间轨迹、冲击动能及致灾范围；
步骤b：初选系统类型、构件规格；根据灾害模型参数、防护需求和相关行业规范要求初步确定系统类型，明确防护冲击动能E k、最小防护高度[H]、容许缓冲距离[D]，匹配相应的构件类型规格及材料物理参数；
步骤c：建立包含坡面环境数字化信息的计算模型Ⅰ；基于步骤a的坡面数字化空间信息模型，建立集成了柔性防护系统几何信息的综合数字化模型，即计算模型Ⅰ，柔性防护系统包括柔性网片、钢丝绳、支撑柱、消能器和绳卡，钢丝绳包括支撑绳、过渡绳和拉锚绳；然后对计算模型Ⅰ进行有限元网格划分，并定义单元类型、截面尺寸、材料、边界、接触关系和求解参数；
步骤d：建立包含系统安装形态及初始内力的计算模型Ⅱ；对计算模型Ⅰ进行初始化计算，包括形态初始化和内力初始化，更新模型的几何形态、单元内力，记为计算模型Ⅱ；
步骤e：建立包含致灾体数字化信息的计算模型Ⅲ；在计算模型Ⅱ中添加边坡致灾体，设置致灾体与防护系统的耦合传力，获得计算模型Ⅲ；
步骤f：进行致灾体与防护系统显式动力计算；计算时间终点设置在冲击力峰值出现之后，提取计算结果；
步骤g：结果验算；验算残余防护高度H和缓冲距离D，验算网片承载力、钢丝绳内力、消能器伸长量、支撑柱稳定性；若验算不通过，返回步骤b，循环直至通过验算。
作为优选，步骤b中，根据防护场景，选择不同的防护体系，包括但不限于：边坡危岩清理施工防护和高陡边坡落石灾害防护均选择引导式防护系统；落石轨迹易预测且不易发生弹跳扩散的防护区域选择被动网防护系统。
作为优选，步骤c中，计算模型Ⅰ采用多种非线性单元集成，包括：离散接触态的柔性网片等效为非线性纤维梁单元、多维多向转动的支撑柱等效为纤维梁单元，考虑垂度变化的钢丝绳等效为索单元，消能器等效为非线性弹簧单元；
步骤c中，柔性网片特点如下：1）纤维化截面：柔性网片由离散的圆形网环套接而成，圆形网环由钢丝盘结多圈而成，采用纤维化的多段一维梁单元等效圆型网环，模拟一维梁单元截面上的弹塑性分区演化；2）非线性本构：计算模型Ⅰ中，柔性网片的材料为多线性弹塑性本构，用以考虑每个网环的多阶段受力行为；3）非线性接触：每个网环划分的网格数量必须保证以直代曲后具有一定的拟合度，每个网环采用不低于16个直线纤维梁单元等效，每个网环间相对独立，成离散接触状态；
步骤c中，支撑柱特点如下：1）纤维化截面：同组成柔性网片的圆形网环，支撑柱采 用纤维化的一维梁单元等效；2）非线性边界：支撑柱锚固端在防护网面法向可自由摆动，在 防护网面平行方向为限幅摆动，摆幅区间大致为(-15°,15°)；因此，在支撑柱锚固端边界设 置中释放三轴旋转约束，并设置非线性旋转弹簧约束水平向偏摆，该旋转弹簧的力-位移曲 线为3个控制点的双折线，控制点分别为原点O r(0, 0)，限制点P r1(
Figure 365704DEST_PATH_IMAGE001
, M r1) ，极限点P r2(
Figure 214668DEST_PATH_IMAGE002
, M r2) ，其中，
Figure 666509DEST_PATH_IMAGE001
为最大水平偏摆角；
步骤c中，消能器特点如下：1）非线性单元：消能器通过塑性变形消耗能量，在计算模型Ⅰ中采用非线性弹簧单元等效；2）非线性本构：消能器材料的力-位移曲线可由试验获得，该曲线为4个控制点的三折线，控制点分别为原点O(0, 0)，启动点P 1(d 1, p 1)，强化点P 2(d 2, p 2)，极限点P 3(d 3, p 3)，OP 1为消能器弹性启动段，P 1 P 2为拉伸消能段，P 2 P 3为极限强化段。
作为优选，步骤c中，构件之间的非线性接触等效方法：1）过渡绳与支撑绳采用预紧绳卡连接，当过渡绳内力过大，超过预紧力时，过渡绳可伸长；绳卡预紧及过渡绳滑移伸长的过程采用非线性塑性材料的梁单元实现，材料的应力-应变曲线同样为4个控制点的三折线，控制点分别为原点O k (0, 0)，启动点P k1(d k1, p k1)，卡阻点P k2(d k2, p k2)，极限点P k3(d k3, p k3)，O k P k1为预紧段，P k1 P k2为滑移段，P k2 P k3为卡阻段；2）钢丝绳在支撑柱端部滑移，滑移段钢丝绳采用安全带单元等效。
作为优选，步骤d中对计算模型Ⅰ进行初始化计算具体步骤为：为消除步骤c建立的防护系统的零应力状态模型与实际模型在几何形态及结构内力上的差异，仅施加重力，为快速获得系统真实几何形态和结构内力，计算模型的全局阻尼需放大，放大系数大于等于10。
作为优选，步骤e中根据致灾体特性，选择相应的等效模型，落石采用有限元实体 模型，泥石流采用光滑粒子流体动力学模型，碎屑流采用离散元模型，针对松散岩石等效模 型单元间设置失效阈值，模拟岩石破碎非线性效应，在离散元颗粒间设置的平行键Bond增 强粒子间原始作用力，粒子间Bond的强度来模拟岩石的破裂强度；粒子间的法向力增量
Figure 999401DEST_PATH_IMAGE003
为：
Figure 485877DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 246023DEST_PATH_IMAGE005
为法向平行键模量；
Figure 185160DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 321743DEST_PATH_IMAGE007
分别为相邻粒子半径；
Figure 193885DEST_PATH_IMAGE008
为平行键等效面 积，
Figure 124931DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 816944DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 757218DEST_PATH_IMAGE011
为放大系数，取为1；
Figure 483866DEST_PATH_IMAGE012
为粒子间相对轴向位移；
粒子间切向力增量
Figure 585814DEST_PATH_IMAGE013
为：
Figure 765122DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 977929DEST_PATH_IMAGE015
为粒子间相对切向位移；
Figure 824662DEST_PATH_IMAGE016
为平行键刚度比，用以确定平行键切向模 量；
粒子间弯矩增量
Figure 91653DEST_PATH_IMAGE017
为：
Figure 23836DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 40334DEST_PATH_IMAGE019
为平行键抗弯刚度，
Figure 475995DEST_PATH_IMAGE020
；
Figure 185325DEST_PATH_IMAGE021
为平行键相对弯曲角度；
粒子间扭矩增量
Figure 339225DEST_PATH_IMAGE022
为：
Figure 159414DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure 715160DEST_PATH_IMAGE024
为平行键抗扭刚度，
Figure 860971DEST_PATH_IMAGE025
；
Figure 236588DEST_PATH_IMAGE026
为平行键相对扭转角度；
粒子间平行键的破坏通过最大拉应力
Figure 860468DEST_PATH_IMAGE027
和剪应力
Figure 270720DEST_PATH_IMAGE028
控制，用以模拟岩石的 破坏失效；控制方程如下：
Figure 587432DEST_PATH_IMAGE029
粒子间平行键的关键参数为：
Figure 715925DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 143496DEST_PATH_IMAGE031
、
Figure 142676DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 364709DEST_PATH_IMAGE033
。
作为优选，步骤e在计算模型Ⅲ中，坡面地质特性差异引起致灾体与坡面为非线性接触，分区设置坡面材料参数，并且各区域与致灾体之间的静摩擦系数和动摩擦系数，形成非线性接触。
本发明的有益效果如下：本方法通过计算非线性灾害参数，设置防护系统的非线性材料、非线性接触、非线性边界及初始化计算，建立了考虑多重非线性的柔性防护系统数字化数值模型，可实现致灾体冲击柔性防护系统的复杂动力冲击过程数字化计算，解决了挖填方工程边坡致灾体冲击与柔性防护这一复杂过程的计算难题，精确考虑了大变形、大滑移、接触分离等多重非线性因素，显著提高了挖填方工程边坡防护设计的精确性。
附图说明
图1为一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法的流程图；
图2为一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法的非线性柔性网片网格划分示意图；
图3为一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法的非线性柔性网片纤维梁单元示意图；
图4为一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法的非线性柔性网片非线性本构示意图；
图5为一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法的支撑柱柱脚横向约束扭转弹簧示意图；
图6为一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法的支撑柱柱脚横向约束扭转弹簧本构示意图；
图7为一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法的消能器力-位移简化曲线示意图；
图8为一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法的绳卡-过渡绳滑移伸长等效单元示意图；
图9为一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法的被动网系统计算初始化示意图；
图10为一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法的引导网系统计算初始化示意图；
图11为一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法的灾害数值计算轨迹结果及防护区域示意图；
图12为一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法的灾害数值计算结果的落石弹跳高度示意图；
图13为一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法的落石冲击柔性防护系统的计算结果示意图；
图14为一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法的落石冲击柔性防护系统的冲击力试验与计算结果对比示意图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法，其包括以下步骤：
步骤a：确定灾害参数。通过数字化扫描技术，重构坡面数字化空间信息模型，结合地质勘察建立数字化边坡灾害模型，确定模型参数，包括灾害源空间位置、空间轨迹、冲击动能及致灾范围等；
步骤b：初选系统类型、构件规格。具体的，根据灾害模型参数、防护需求和相关行业规范要求，明确防护冲击动能E k、最小防护高度[H]、容许缓冲距离[D]，根据基于能量匹配原理的防落石被动柔性防护网系统设计方法，该方法根据防护系统各部分能量消耗比例匹配相应的构件类型规格及材料物理参数；
步骤c：建立包含坡面环境数字化信息的计算模型Ⅰ。具体的，基于步骤a的坡面数字化模型，建立集成了柔性防护系统几何信息的综合数字化模型，即计算模型Ⅰ，柔性防护系统包括柔性网片、钢丝绳、支撑柱、消能器和绳卡，钢丝绳包括支撑绳、过渡绳和拉锚绳；进一步对模型进行有限元网格划分，并定义单元类型、截面尺寸、材料、边界、接触关系、求解参数等；
步骤d：建立包含系统安装形态及初始内力的计算模型Ⅱ。具体的，对计算模型Ⅰ进行初始化计算，包括形态初始化和内力初始化，更新模型的几何形态、单元内力，记为计算模型Ⅱ；
步骤e：建立包含致灾体数字化信息的计算模型Ⅲ。具体的，在计算模型Ⅱ中添加边坡致灾体，设置致灾体与防护系统的耦合传力，获得计算模型Ⅲ；
步骤f：进行致灾体与防护系统显式动力计算。具体的，计算时间终点设置在冲击力峰值出现之后，提取计算结果；
步骤g：结果验算。具体的，验算残余防护高度H和缓冲距离D，验算网片承载力、钢丝绳内力、消能器伸长量、支撑柱稳定性；若验算不通过，返回步骤b，循环直至通过验算。
进一步的，步骤a和步骤e中根据致灾体特性，选择相应的等效模型，如，落石采用 有限元实体模型，泥石流采用光滑粒子流体动力学模型，碎屑流采用离散元模型。针对松散 岩石等效模型单元间设置失效阈值，模拟岩石破碎非线性效应，在离散元颗粒间设置的平 行键（Bond）增强粒子间原始作用力，粒子间的Bond可以承受拉、压、弯、剪、扭等复合应力， 粒子间Bond的强度来模拟岩石的破裂强度。粒子间的法向力增量
Figure 980499DEST_PATH_IMAGE003
为：
Figure 205900DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 325166DEST_PATH_IMAGE005
为法向平行键模量；
Figure 452522DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 555607DEST_PATH_IMAGE007
分别为相邻粒子半径；
Figure 59401DEST_PATH_IMAGE008
为平行键等效面 积，
Figure 564332DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 862589DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 452970DEST_PATH_IMAGE011
为放大系数，一般取为1；
Figure 26034DEST_PATH_IMAGE012
为粒子间相对轴向位 移。
粒子间切向力增量
Figure 854313DEST_PATH_IMAGE013
为：
Figure 854630DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 401149DEST_PATH_IMAGE015
为粒子间相对切向位移；
Figure 777904DEST_PATH_IMAGE016
为平行键刚度比，用以确定平行键切向模 量。
粒子间弯矩增量
Figure 991847DEST_PATH_IMAGE017
为：
Figure 897486DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 196881DEST_PATH_IMAGE019
为平行键抗弯刚度，
Figure 846168DEST_PATH_IMAGE020
；
Figure 914618DEST_PATH_IMAGE021
为平行键相对弯曲角度。
粒子间扭矩增量
Figure 8736DEST_PATH_IMAGE022
为：
Figure 529848DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure 982826DEST_PATH_IMAGE024
为平行键抗扭刚度，
Figure 905782DEST_PATH_IMAGE025
；
Figure 153224DEST_PATH_IMAGE026
为平行键相对扭转角度。
粒子间平行键的破坏通过最大拉应力
Figure 161631DEST_PATH_IMAGE027
和剪应力
Figure 887142DEST_PATH_IMAGE028
控制，用以模拟岩石的 破坏失效。控制方程如下：
Figure 664605DEST_PATH_IMAGE029
粒子间平行键的关键参数为：
Figure 348527DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 313072DEST_PATH_IMAGE031
、
Figure 107853DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 474243DEST_PATH_IMAGE033
。
并且，坡面地质特性差异引起致灾体与坡面为非线性接触，分区设置坡面材料参数，并且各区域与致灾体之间的静摩擦系数和动摩擦系数，形成非线性接触。
进一步的，步骤b中，根据防护场景，选择不同的防护体系，包括但不限于：边坡危岩清理施工防护、高陡边坡落石灾害防护，选择引导式防护系统；落石轨迹易预测且不易发生弹跳扩散的防护区域，选择被动网防护系统。
进一步的，步骤c中，采用多种非线性单元集成，包括：离散接触态的柔性网片等效为非线性纤维梁单元、多维多向转动的支撑柱等效为纤维梁单元，考虑垂度变化的钢丝绳等效为索单元，消能器等效为非线性弹簧单元。
进一步地，步骤c中，柔性网片：1）纤维化截面：如图2，柔性网片由离散的圆形网环套接而成，圆形网环由钢丝盘结多圈而成，采用纤维化的多段一维梁单元等效圆型网环（图3），模拟一维梁单元截面上的弹塑性分区演化；2）非线性本构：计算模型中，多线性弹塑性本构模型（图4），用以考虑每个网环的多阶段受力行为，特别是前阶段弯直变形及后阶段轴向拉伸强化力学行为；3）非线性接触：每个网环划分的网格数量必须保证以直代曲后具有一定的拟合度，优选的，每个网环采用不低于16个直线纤维梁单元等效，每个网环间相对独立，成离散接触状态。
进一步地，步骤c中，支撑柱：1）纤维化截面：同组成柔性网片的圆形网环，支撑柱 采用采用纤维化的一维梁单元等效；2）非线性边界：如图5-6（图5中，i、j、k表示对应的点）， 支撑柱锚固端在防护网面法向可自由摆动，在防护网面平行方向为限幅摆动，摆幅区间大 致为(-15°,15°)。因此，在支撑柱锚固端边界设置中释放三轴旋转约束，并设置非线性旋转 弹簧约束水平向偏摆，该旋转弹簧的力-位移为3个控制点的双折线，控制点分别为原点O r (0, 0)，限制点P r1(
Figure 63488DEST_PATH_IMAGE001
, M r1) ，极限点P r2(
Figure 46487DEST_PATH_IMAGE002
, M r2)，其中，
Figure 113800DEST_PATH_IMAGE001
为最大水平偏摆角。
进一步地，步骤c中，消能器：1）非线性单元：消能器通过塑性变形消耗能量，在计算模型中采用非线性弹簧单元等效；2）非线性本构：消能器材料的力-位移曲线可由试验获得，一般的，该曲线简化为4个控制点的三折线，控制点分别为原点O(0, 0)，启动点P 1(d 1,p 1)，强化点P 2(d 2, p 2)，极限点P 3(d 3, p 3)，OP 1为消能器弹性启动段，P 1 P 2为拉伸消能段，P 2 P 3为极限强化段，如图7。
进一步的，步骤c中，构件之间的非线性接触等效方法：1）过渡绳与支撑绳采用预紧绳卡连接，当过渡绳内力过大，超过预紧力时，过渡绳可伸长。上述绳卡预紧及过渡绳滑移伸长的过程采用非线性塑性材料的梁单元实现，材料的应力-应变曲线同样为4个控制点的三折线，控制点分别为原点O k (0, 0)，启动点P k1(d k1, p k1)，卡阻点P k2(d k2, p k2)，极限点P k3(d k3, p k3)，O k P k1为预紧段，P k1 P k2为滑移段，P k2 P k3为卡阻段，如图8；2）钢丝绳在支撑柱端部滑移，滑移段钢丝绳采用“安全带”单元等效，“安全带”单元与柱端滑移点摩擦系数一般取0.15。
进一步的，步骤d中对计算模型Ⅰ进行初始化计算具体步骤为：为消除步骤c建立的防护系统的零应力状态模型与实际模型在几何形态及结构内力上的差异，仅施加重力，为快速获得系统真实几何形态和结构内力，计算模型的全局阻尼需放大，放大系数一般大于等于10，如图9-10。
本方法可以实现柔性防护网系统大变形、大滑移、接触分离等高度非线性的力学行为高精度反演、设计。
实施例2
本实施例提供一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法，针对某边坡落石灾害点进行柔性防护设计工作，具体步骤如下：
某公路沿河而建，边坡存在落石灾害风险，岩性主要为灰岩，结构面发育较完整， 岩体主要呈块状和层状结构。通过数字化扫描、数字化重构获得坡面空间信息模型，结合地 勘确定灾害源垂直高度约为100m，采用设置粒子间平行键的离散元方法等效落石，通过查 阅相关资料，关键参数设置为：
Figure 600276DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 620142DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 559279DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 695862DEST_PATH_IMAGE037
。坡面分为裸 岩区和植被区，裸岩区落石与坡面静摩擦系数取0.3，动摩擦系数取0.25，植被区落石与坡 面静摩擦系数取0.4，动摩擦系数取0.35。如图11，落石与坡体随机碰撞以及岩石破碎使其 致灾范围呈扩散状，通过三维数值模拟，获得灾害的致灾范围，从而确定防护范围；如图12， 落石在A点和B点弹跳高度包络面最低，适合安装防护网，而B点更靠近道路，为便于落石拦 截后的清理工作，遂选定B点为防护系统安装位置。
由于落石轨迹较为集中，选择被动网系统作为防护措施，设计防护能量为500kJ，支撑柱高5m。根据《边坡柔性防护网系统 JT/T1328-2020》、《铁路边坡柔性被动防护产品落石试验方法与评价TB/T 3449-2016》规定，最小防护高度[H]为2.5m，容许缓冲距离[D]为9.0m。根据《基于能量匹配原理的防落石被动柔性防护网系统设计方法ZL201510797205.1》，防护系统配置为如表1所示。
表1：防护系统初步配置
Figure 36845DEST_PATH_IMAGE039
型号为GS8002的消能器，其力-位移曲线控制点取值分别为原点O(0, 0)，启动点P 1(0.1m, 50kN)，强化点P 2(1.0 m, 80kN)，极限点P 3(1.1m, 120kN)；连接过渡绳和支撑绳的预紧绳卡，启动力为10kN，过渡绳滑移伸长量为0.5m。
进行建模、划分网格、初始化计算后，获得计算模型Ⅱ，将致灾体导入其中，获得计算模型Ⅲ。致灾体为1.6吨落石，冲击速度为25m/s，冲击能量为500kJ。
如图13，由计算结果可知，残余防护高度为4m，大于最小防护高度[H]为2.5m，缓冲距离为3.8m，小于容许缓冲距离[D]为9.0m。支撑柱最大轴压力160kN，小于HW125稳定承载验算轴压力限值178.5kN。同时，消能器均未拉伸至极限，拉伸量最大的为下支撑绳端部的消能器，但仍有0.3m的拉伸余量。与该配置防护系统足尺试验结果对比，冲击力峰值计算误差小于1.5%（图14）。综上，该系统配置满足相关规范及构件验算，达到防护设计要求。
本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤a：确定灾害参数；通过数字化扫描技术，重构坡面数字化空间信息模型，结合地质勘察建立数字化边坡灾害模型，确定后续防护系统设计参数，包括灾害源空间位置、空间轨迹、冲击动能及致灾范围；
步骤b：初选系统类型、构件规格；根据灾害模型参数、防护需求和相关行业规范要求初步确定系统类型，明确防护冲击动能E k、最小防护高度[H]、容许缓冲距离[D]，匹配相应的构件类型规格及材料物理参数；
步骤c：建立包含坡面环境数字化信息的计算模型Ⅰ；基于步骤a的坡面数字化空间信息模型，建立集成了柔性防护系统几何信息的综合数字化模型，即计算模型Ⅰ，柔性防护系统包括柔性网片、钢丝绳、支撑柱、消能器和绳卡，钢丝绳包括支撑绳、过渡绳和拉锚绳；然后对计算模型Ⅰ进行有限元网格划分，并定义单元类型、截面尺寸、材料、边界、接触关系和求解参数；
步骤d：建立包含系统安装形态及初始内力的计算模型Ⅱ；对计算模型Ⅰ进行初始化计算，包括形态初始化和内力初始化，更新模型的几何形态、单元内力，记为计算模型Ⅱ；
步骤e：建立包含致灾体数字化信息的计算模型Ⅲ；在计算模型Ⅱ中添加边坡致灾体，设置致灾体与防护系统的耦合传力，获得计算模型Ⅲ；
步骤f：进行致灾体与防护系统显式动力计算；计算时间终点设置在冲击力峰值出现之后，提取计算结果；
步骤g：结果验算；验算残余防护高度H和缓冲距离D，验算网片承载力、钢丝绳内力、消能器伸长量、支撑柱稳定性；若验算不通过，返回步骤b，循环直至通过验算。
2.根据权利要求1所述的一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法，其特征在于：步骤b中，根据防护场景，选择不同的防护体系，包括但不限于：边坡危岩清理施工防护和高陡边坡落石灾害防护均选择引导式防护系统；落石轨迹易预测且不易发生弹跳扩散的防护区域选择被动网防护系统。
3.根据权利要求1所述的一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法，其特征在于：步骤c中，计算模型Ⅰ采用多种非线性单元集成，包括：离散接触态的柔性网片等效为非线性纤维梁单元、多维多向转动的支撑柱等效为纤维梁单元，考虑垂度变化的钢丝绳等效为索单元，消能器等效为非线性弹簧单元；
步骤c中，柔性网片特点如下：1）纤维化截面：柔性网片由离散的圆形网环套接而成，圆形网环由钢丝盘结多圈而成，采用纤维化的多段一维梁单元等效圆型网环，模拟一维梁单元截面上的弹塑性分区演化；2）非线性本构：计算模型Ⅰ中，柔性网片的材料为多线性弹塑性本构，用以考虑每个网环的多阶段受力行为；3）非线性接触：每个网环划分的网格数量必须保证以直代曲后具有一定的拟合度，每个网环采用不低于16个直线纤维梁单元等效，每个网环间相对独立，成离散接触状态；
步骤c中，支撑柱特点如下：1）纤维化截面：同组成柔性网片的圆形网环，支撑柱采用纤 维化的一维梁单元等效；2）非线性边界：支撑柱锚固端在防护网面法向可自由摆动，在防护 网面平行方向为限幅摆动，摆幅区间大致为(-15°,15°)；因此，在支撑柱锚固端边界设置中 释放三轴旋转约束，并设置非线性旋转弹簧约束水平向偏摆，该旋转弹簧的力-位移曲线为 3个控制点的双折线，控制点分别为原点O r(0, 0)，限制点P r1(
Figure 157150DEST_PATH_IMAGE001
, M r1)，极限点P r2(
Figure 794935DEST_PATH_IMAGE002
, M r2)，其中，
Figure 914201DEST_PATH_IMAGE001
为最大水平偏摆角；
步骤c中，消能器特点如下：1）非线性单元：消能器通过塑性变形消耗能量，在计算模型Ⅰ中采用非线性弹簧单元等效；2）非线性本构：消能器材料的力-位移曲线可由试验获得，该曲线为4个控制点的三折线，控制点分别为原点O(0, 0)，启动点P 1(d 1, p 1)，强化点P 2(d 2,p 2)，极限点P 3(d 3, p 3)，OP 1为消能器弹性启动段，P 1 P 2为拉伸消能段，P 2 P 3为极限强化段。
4.根据权利要求1所述的一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法，其特征在于：步骤c中，构件之间的非线性接触等效方法：1）过渡绳与支撑绳采用预紧绳卡连接，当过渡绳内力过大，超过预紧力时，过渡绳可滑移伸长；绳卡预紧及过渡绳滑移伸长的过程采用非线性塑性材料的梁单元实现，材料的应力-应变曲线同样为4个控制点的三折线，控制点分别为原点O k (0, 0)，启动点P k1(d k1, p k1)，卡阻点P k2(d k2, p k2)，极限点P k3(d k3,p k3)，O k P k1为预紧段，P k1 P k2为滑移段，P k2 P k3为卡阻段；2）钢丝绳在支撑柱端部滑移，滑移段钢丝绳采用安全带单元等效。
5.根据权利要求1所述的一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法，其特征在于：步骤d中对计算模型Ⅰ进行初始化计算具体步骤为：为消除步骤c建立的防护系统的零应力状态模型与实际模型在几何形态及结构内力上的差异，仅施加重力，为快速获得系统真实几何形态和结构内力，计算模型的全局阻尼需放大，放大系数大于等于10。
6.根据权利要求1所述的一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法，其特 征在于：步骤e中根据致灾体特性，选择相应的等效模型，落石采用有限元实体模型，泥石流 采用光滑粒子流体动力学模型，碎屑流采用离散元模型，针对松散岩石等效模型单元间设 置失效阈值，模拟岩石破碎非线性效应，在离散元颗粒间设置的平行键Bond增强粒子间原 始作用力，粒子间Bond的强度来模拟岩石的破裂强度；粒子间的法向力增量
Figure 274513DEST_PATH_IMAGE003
为：
Figure 377598DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 615813DEST_PATH_IMAGE005
为法向平行键模量；
Figure 651902DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 451624DEST_PATH_IMAGE007
分别为相邻粒子半径；
Figure 979688DEST_PATH_IMAGE008
为平行键等效面积，
Figure 287173DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 912189DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 145462DEST_PATH_IMAGE011
为放大系数，取为1；
Figure 426402DEST_PATH_IMAGE012
为粒子间相对轴向位移；
粒子间切向力增量
Figure 209682DEST_PATH_IMAGE013
为：
Figure 659511DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 565150DEST_PATH_IMAGE015
为粒子间相对切向位移；
Figure 598965DEST_PATH_IMAGE016
为平行键刚度比，用以确定平行键切向模量；
粒子间弯矩增量
Figure 248252DEST_PATH_IMAGE017
为：
Figure 549658DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 626199DEST_PATH_IMAGE019
为平行键抗弯刚度，
Figure 147310DEST_PATH_IMAGE020
；
Figure 69129DEST_PATH_IMAGE021
为平行键相对弯曲角度；
粒子间扭矩增量
Figure 493551DEST_PATH_IMAGE022
为：
Figure 537730DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure 749400DEST_PATH_IMAGE024
为平行键抗扭刚度，
Figure 740490DEST_PATH_IMAGE025
；
Figure 813226DEST_PATH_IMAGE026
为平行键相对扭转角度；
粒子间平行键的破坏通过最大拉应力
Figure 965989DEST_PATH_IMAGE027
和剪应力
Figure 461693DEST_PATH_IMAGE028
控制，用以模拟岩石的破坏 失效；控制方程如下：
Figure 256474DEST_PATH_IMAGE029
其中，
Figure 112610DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 701854DEST_PATH_IMAGE031
分别为等效正应力和等效切应力；
Figure 684854DEST_PATH_IMAGE032
为t时刻粒子间的法向力，
Figure 188385DEST_PATH_IMAGE033
为t时刻粒 子间的弯矩，
Figure 409282DEST_PATH_IMAGE034
为t时刻粒子间的切力，
Figure 231745DEST_PATH_IMAGE035
为t时刻粒子间的扭矩；
粒子间平行键的关键参数为：
Figure 170882DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 215455DEST_PATH_IMAGE037
、
Figure 353175DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 284222DEST_PATH_IMAGE039
。
7.根据权利要求1所述的一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法，其特征在于：步骤e在计算模型Ⅲ中，坡面地质特性差异引起致灾体与坡面为非线性接触，分区设置坡面材料参数，并且各区域与致灾体之间的静摩擦系数和动摩擦系数，形成非线性接触。
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