Page 161 - 《爆炸与冲击》2025年第5期

第 45 卷 刘红岩，等： 多次落石冲击下棚洞结构动力响应数值模拟 第 5 期

准确预测十分困难 [1-2] 。为此，实际工程中多采用拦石墙、柔性防护网、棚洞等被动防护结构对山区公
路、建筑物等进行防护。其中由于棚洞结构可最大限度地适应原始地形，减少对山体和植被的破坏，因
[3]
而在实际工程中得到了广泛应用 。为此，落石冲击下棚洞结构的动力响应研究引起了学者的广泛关
注。概括而言，目前研究主要集中在以下 3 个方面：落石冲击力计算方法、落石冲击力影响因素和棚洞
结构的动态响应及破坏机理。
[4]
在落石冲击力计算理论方面，最早是由 Hertz 基于弹性接触理论提出了两球体对心碰撞时的接触
压力，而后很多学者在此基础上进行了一系列的研究。何思明等 [5] 将构筑物视为理想弹塑性体，通过对
经典的 Hertz 接触理论 [4] 进行修正，提出了考虑材料弹塑性变形的大块石冲击力计算方法；陈颖骐等 [6]
[4]
基于经典的 Hertz 接触理论 和 Thornton 弹塑性假设 ，考虑拦石墙的相关因素，提出了相应的落石冲击
[7]
力计算方法，并用于锚索抗滑桩冲击力计算。Zheng 等 [8] 通过考虑层状复合板的塑性变形及冲击损伤效
应，基于经典的 Hertz 接触理论 [4] 及永久压痕理论，提出了相应的冲击力计算方法。陈泰江等 [9] 将落石
简化为刚体，基于 Hertz 接触理论 ，考虑棚洞结构的非弹性变形，采用函数拟合法得到了落石法向冲击
[4]
力理论计算公式。刘红岩 [10] 通过考虑落石对钢筋混凝土桩板墙的动态损伤特性，提出了考虑损伤的落
石冲击力计算方法。
在冲击力影响因素方面，相关研究主要集中在落石及缓冲层参数对落石冲击力的影响。闫鹏等 [11]
开展了球形、锥形和平头等 3 种典型形状落石冲击棚洞垫层的模型试验，发现落石形状对试验结果有显

著影响，在相同条件下，平头落石的冲击力最大。Wu 等 [12] 利用室外落石冲击试验，研究了上覆砂土垫层
的钢筋混凝土板所受冲击力与垫层厚度的关系，发现作用于缓冲层表面的冲击力与缓冲层厚度呈指数
关系。Nakajima 等 [13] 通过一系列实验，研究了落石重量、尺寸、形状、刚度、材料、运动方式等对冲击力
的影响，发现最大落石冲击力与上述参数之间存在较大的离散性。苏宇宸等 [14] 采用室内模型试验研究
了多次落石重复冲击下再生混凝土垫层的缓冲性能，认为相比石英砂垫层，首次冲击下采用前者防护的
棚洞顶板中心处传递力减小了 83%，且应力分布更均匀。Shen 等 [15] 利用离散元法模拟研究了颗粒状土
壤缓冲层对落石冲击力的影响机制，结果表明落石最大冲击力随着落石圆形度的增加而增加。Ouyang 等 [16]
提出了一种结合土工格栅加筋土和发泡聚苯乙烯土工泡沫的新型棚洞隧道保护系统，通过有限元方法
对落石冲击的瞬态力学过程进行了计算分析，结果表明该系统可以有效地吸收落石能量，进而降低落石
冲击力。王爽等 [17] 利用 ANSYS/LS-DYNA 软件，研究了落石冲击下隧道大跨度棚洞的动力响应，比较了

普通土与轻质土两种垫层对落石冲击的缓冲作用，认为后者可明显减小落石冲击力。Zhong 等 [18] 基于
SPH-FEM 耦合方法，利用 ANSYS/LS-DYNA 软件建立了动态冲击数值模型，分析了动态冲击响应特性
和惯性效应，并计算了随机样本扩展量，提出了冲击力和惯性效应系数的评估方法。Wang 等 [19] 采用近
场动力学方法研究了落石冲击下棚洞结构的动态响应规律，认为非圆形落石对棚洞的冲击力较大。黄
福有等 [20] 采用离散元-有限差分耦合方法研究了颗粒级配对落石冲击垫层动态响应的影响，认为颗粒级
配对落石冲击力等影响较大。

在棚洞结构的动态响应及破坏机理方面，Olsson [21] 基于 Hertz 接触理论提出了各向异性复合板在小
质量冲击下的动态响应模型；王东坡等 [22] 在此基础上研究了钢筋混凝土棚洞在落石冲击下的弹塑性动
力响应机制。如前所述，很多学者如王爽等 [17] 、Zhong 等 [18] 、Wang 等 [19] 均采用数值模拟方法研究了落石
冲击下棚洞结构的动态响应及破坏机理。
然而上述研究大多均着眼于单次落石冲击对棚洞造成的影响，而对多次落石冲击对棚洞结构造成
的累积破坏关注较少。而在实际工程中，棚洞结构服务年限较长，因此往往会承受多次落石冲击。为
此，基于 ANSYS/LS-DYAN 有限元软件，建立有限元（finite element method, FEM）-光滑粒子流体动力学
（smooth particle hydrodynamics, SPH）方法数值模型，利用 ANSYS/LS-DYAN 软件的完全重启动技术，对
多次落石冲击下棚洞结构的动力响应进行更加系统研究，以探究落石速度、质量、角度、形状等 4 个因
素对多次落石冲击下棚洞结构动力响应的影响规律。

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