Page 165 - 《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

模型进行对比实验，其他条件相同，即落石重 137.31 kg，冲击速度 20 m/s，冲击方向垂直向下，计算结果
如图 8 所示，可以看出：当模型不含钢筋时，棚顶位移呈单调递增，无回弹现象，且位移量显著变大。这
说明钢筋对混凝土板的变形及破坏影响很大，因此在实际工程中，对混凝土棚洞合理配筋十分重要。

Time/s Time/s
0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

−30
−50 −60
Displacement/mm −100 m=70.30 kg Displacement/mm −120 With bar

−90
m=137.31 kg
Without bar
m=237.26 kg
−150
−150
−200 −180
图 7 不同落石质量下棚顶位移时程曲线 图 8 钢筋对棚顶位移影响
Fig. 7 Time history curve of the shed roof displacements Fig. 8 Effect of the rebar on the shed
with different masses of the rock roof displacement

2.1.4 棚洞塑性应变
不同落石质量下棚洞钢筋混凝土板的塑性应变如图 9 所示。可以看出，在历经多次撞击之后，棚洞
均发生了较大范围的塑性变形，且塑性变形主要集中在棚洞中心及中心周边区域；落石质量越大，钢筋

混凝土板塑性区越大，破坏程度越大；棚洞钢筋混凝土板塑性应变对落石质量敏感性较高，70.3 kg 的落
石 5 次冲击产生的塑性应变范围远不及 237.26 kg 的落石 4 次冲击产生的塑性应变范围；板的破坏是从
跨中下方开始产生裂纹，并逐渐向上部及向两侧延伸。

(a) 70.3 kg, 5 times of impact (b) 137.31 kg, 5 times of impact (c) 237.26 kg, 4 times of impact
图 9 不同落石质量下棚洞塑性应变云图
Fig. 9 Plastic strain contours of shed-tunnel with different masses of the rock

2.2 冲击速度的影响
为讨论冲击速度对棚洞在落石冲击下响应的影响，对球形落石半径固定为 0.25 m（m=137.31 kg）、冲
击速度分别为 15、20、25 m/s 的垂直冲击工况进行模拟。

2.2.1 缓冲层冲击力
不同落石冲击速度下缓冲层冲击力时程曲线如图 10 所示，可以看出：(1) 落石冲击速度越大，峰值
冲击力越大；(2) 在不同的冲击速度下，随着冲击次数增加，峰值冲击力在第 2 次冲击后快速增大，随后趋
于相对稳定；(3) 落石冲击速度越大，峰值冲击力达到最大所需要的冲击次数越少。

2.2.2 缓冲层顶部冲击位移
不同落石冲击速度下缓冲层顶部冲击位移时程曲线如图 11 所示。可以看出：(1) 冲击速度越大，缓
冲层冲击位移就越大；(2) 随着冲击次数的增加，最大冲击位移也逐渐增大，但是之后的几次冲击位移增

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