Page 163 - 《爆炸与冲击》2025年第5期
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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
1.3 模型可靠性验证
首先利用缓冲层冲击力验证数值模型的可靠性，将缓冲层冲击力定义为落石在冲击过程中所受到
的力并进行相应的监测。设置球体正向冲击缓冲层，共进行 3 次冲击，冲击高度分别为 5、6、7 m，即接
触到缓冲层时的冲击速度分别为 9.90、10.84、 140
11.71 m/s。缓冲层冲击力模拟结果分别与 Wu 等 [12] Simulated result in this paper
120 Ref. [25] Ref. [26] Ref. [27]
的试验结果以及常用冲击力计算公式 [25-29] 比较， Ref. [28] Ref. [29] Ref. [12]
以验证模型可靠性，结果见图 3。可以看出，模 100
拟值与实验值吻合较好，冲击力随落石下落高度 Impact force/kN 80
的增加均呈近似线性增加。各方法计算得到的 60
冲击力均有所不同，在相同工况下冲击力计算结
40
果最大相差约 5 倍。这是因为每种方法考虑的
因素各有侧重，比如瑞士法 [28] 和日本道路公团法 [29] 20
5 6 7
因为没有考虑缓冲层厚度因素，导致计算结果较 Falling height/m
其他方法偏大。总体来看，由本文数值模型得到
图 3 冲击力计算结果对比图
的冲击力计算结果介于瑞士法和隧道手册法之 Fig. 3 Comparison of impact force calculation results
间，计算结果较可靠。
除了验证缓冲层冲击力的可靠性外，还需验证钢筋混凝土板破坏过程与实验结果是否相符。设置
球体连续多次正向冲击，每次冲击间隔 0.05 s，冲击速度均为 20 m/s，观察钢筋混凝土板破坏情况。由图 4
可知，数值模拟结果显示跨中主裂纹首先出现在底部，而后向上不断扩展、延伸与贯通，与试验结果较为
吻合，说明该数值模型可以很好地用于模拟落石冲击下钢筋混凝土板的破坏过程。为此，下面采用该模
型对多次落石冲击下的棚洞结构动力响应进行模拟研究。
Crack 1
20 cm
(a) Crack initiation and propagation (b) Crack coalescence
图 4 钢筋混凝土板破坏过程的模拟与试验结果对比
Fig. 4 Comparison between the simulated and test results of the
reinforced concrete plane damaging process
2 数值模拟及结果分析
多次落石冲击下棚洞结构动力响应的数值模拟采用 LS-DYNA 软件的完全重启动技术，即将前一次
落石冲击的计算结果作为下一次落石冲击计算的初始条件，通过*STRESS_INTIALIZATION 关键字实现
初始化过程，保证数值计算过程中信息的连续性。下面分别研究不同落石质量 m、速度 v、冲击角度 θ、
形状条件下，棚洞在间隔 Δt=0.05 s 的多次落石冲击下的动力响应规律，如棚洞受到的冲击力、冲击深
度、棚顶位移、塑性应变等，其中：冲击力是指落石与缓冲层相互作用的冲击力时程关系曲线，从中可以
判断缓冲层所受峰值冲击力及其变化规律；冲击深度是指缓冲层受冲击后表面节点发生的纵向位移，可
以直观表明撞击的作用效果，将落石直接接触的点即缓冲层上表面中心点确定为位移监测点；棚顶位移
是指钢筋混凝土板上表面节点最大纵向位移，选取上表面中心点作为监测点；棚洞塑性应变可以直观表
明钢筋混凝土板受破坏情况。
这里需要说明的是，通过试算发现，部分工况下当落石冲击为 5 次时，棚洞就已经发生了完全破坏，
导致计算结果不收敛。因此，为了进行对比，本研究的落石冲击次数选定为 5 次。
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