Page 168 - 《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

落石来说，接触 面积越小，钢筋混凝土板塑性区越大，破坏程度越大；当冲击次数达到 5 次后，钢筋混凝
土板基本完全破坏。

(a) Square 1, 5 times of impact (b) Square 2, 5 times of impact (c) Sphere, 5 times of impact

图 17 不同落石形状下棚洞塑性应变云图
Fig. 17 Plastic strain contours of shed-tunnel with different rock shapes
2.4 冲击角度的影响
为讨论冲击角度的影响，对半径为 0.25 m 的球形落石（m=137.31 kg）以 20 m/s 的速度冲击棚洞的过
程进行模拟，将冲击角度（落石速度方向与缓冲层平面的夹角）分别设置为 30°、45°、60°、75°、90°。

2.4.1 缓冲层冲击力
不同落石冲击速度下缓冲层的冲击力时程曲线如图 18 所示，可以看出：(1) 对比 5 种冲击角度下的
冲击力时程曲线可知，冲击角度越大，峰值冲击力越大；(2) 当冲击角度一定时，随着冲击次数的增加，峰
值冲击力均是在第 2 次冲击后迅速增大，然后趋于稳定。

2.4.2 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 19 所示，可以看出：(1) 冲击角度越大，缓
冲层冲击位移越大；(2) 当冲击角度一定时，随着冲击次数的增加，产生的最大冲击位移逐渐增大，但是之
后的几次冲击增大的幅度都不如第 1 次冲击，当落石冲击角度为 30°、45°、60°、75°、90°时，第 2 次冲击
产生的位移为第 1 次冲击的 48.21%、32.93%、52.38%、52.33%、33.91%。

500 Time/s
θ=30°
θ=45° 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25
400 θ=60°
θ=75°
Impact force/kN 300 −0.1
θ=90°
200

θ=45°
100 Displacement/m −0.2 θ=30°
θ=60°
θ=75°
0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 θ=90°
Time/s −0.3

图 18 不同冲击角度下缓冲层冲击力时程曲线 图 19 不同冲击角度下缓冲层顶部冲击位移时程曲线
Fig. 18 Time history of the impact forces on the Fig. 19 Time history of the buffer top displacements
buffer with different impact angles with different impact angles
2.4.3 棚顶位移
不同落石冲击角度下棚顶位移时程曲线如图 20 所示，可以看出：(1) 冲击角度越大，棚顶位移增加
得越快；(2) 当冲击角度一定时，随着冲击次数的增加，棚顶位移逐渐增大；(3) 每次冲击后棚顶位移的回
弹比例，随冲击角度的增大而减小。

2.4.4 棚洞塑性应变
不同落石冲击角度下棚洞钢筋混凝土板的塑性应变如图 21 所示，可以看出：在历经多次撞击之后，

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