落石冲击作用下消能棚洞的结构动力破坏机制
消能棚洞是一种落石被动防护结构,但其结构的动力响应和破坏机制分析有待进一步的研究。本文依托国家自然基金项目(编号:51408084),采用模型试验、小波分析、数值模拟等研究手段,研究了不同落石形状、下落高度、质量、砂垫层厚度等因素作用下对落石冲击消能棚洞的动力响应规律及破坏机制。本文取得的研究成果如下: (1)通过模型试验的方法,揭示了不同落石高度、形状、砂垫层和质量条件下的加速度变化规律。不同形状的落石在随着质量及高度的增加,落石冲击棚洞顶板的加速度大致呈线性增加。在相同工况条件下,球形落石冲击棚洞顶板的加速度明显大于其它形状的落石冲击棚洞顶板的加速度。以落石质量为5kg及下落高度为2m为例,圆柱形、立方体形、长方体形和球形落石冲击棚洞顶板的加速度从25.56g增加到40.73g;在上述工况下,球形落石比长方体形落石冲击棚洞顶板的加速度大18.29％、比立方体形落石冲击棚洞顶板的加速度大35.57％和比圆柱体形落石冲击棚洞顶板的加速度大59.33％;当棚洞顶板铺设砂垫层时,垫层可以有效减少球形落石冲击棚洞产生的加速度。落石冲击棚洞(铺设设置3cm垫层)产生的加速度比落石冲击棚洞产生的加速度减少了48.64％、而落石冲击棚洞(铺设12cm垫层)比落石冲击棚洞产生的加速度减少了77.72％,数据表明,垫层对落石冲击棚洞耗能效果非常显著。 (2)通过消能棚洞的落石冲击试验,分析了落石冲击消能棚洞产生的加速度变化规律,获得了消能支座可以明显减少落石冲击消能棚洞顶板产生的加速度。以质量为5kg及下落高度为2m的球形落石为例,当落石冲击消能棚洞较普通棚洞项板产生的加速度减少了52.82％,数据表明消能棚洞的耗能效果非常显著。 (3)基于傅立叶变化对消能棚洞的冲击加速度信号进行了时频分析,获得了加速度冲击信号的频谱、对数谱、功率谱和信号自相关中极大值对应的振动频率及其变化规律。且通过频谱分析发现消能棚洞频谱的最大值较普通棚洞降低了59.74％,因此消能棚洞的消能效果显著。并且消能棚洞频谱的主频较普通棚洞有较大差异,消能棚洞的极大值位于两侧,即49Hz和951Hz处,而普通棚洞的极大值位于中间,即436Hz和564Hz处;通过棚洞冲击信号的自相关分析发现消能棚洞的自相关曲线峰值较普通棚洞降低了82.57％,且消能棚洞的冲击信号具有一定的周期性和频率。 (4)基于小波分析方法对比分析了消能棚洞与普通棚洞冲击信号的能量分布特征,对比结果发现消能棚洞的能量比主要分布在频带2和频带3;消能棚洞的落石冲击能量主要分布在15.625～62.5Hz频段,占总能量的63.73％;普通棚洞的落石冲击能量主要分布在0～15.625Hz频段,占总能量的74.30％,表明消能棚洞设计时应主要考虑中频冲击,普通棚洞设计时应该主要考虑低频冲击。 (5)基于数值模拟方法分析了消能棚洞位移及等效应力的分布规律和消能棚洞的破坏机制,对比结果发现球形落石冲击消能棚洞的等效应力较普通棚洞的等效应力减少了22.54％,数据表明,消能棚洞的耗能效果明显;通过数值模拟分析各个观测点的位移可知,消能棚洞顶板处位移较普通棚洞顶板位移减少了32.0％～37.5％;消能棚洞的立柱中心观测点位移较普通棚洞立柱中心观测点位移减少了31.43％,并且消能棚洞各个观测点的位移均小于普通棚洞观测点的位移;这说明消能棚洞的消能效果明显。
消能棚洞;落石冲击作用;动力响应;破坏机制
重庆交通大学
硕士
土木工程；岩土工程
王林峰
2018
中文
U451
85
2018-08-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）