Page 169 - 《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

棚洞均发生了一定范围的塑性变形，且塑性变形主要集中在棚洞中心及中心周边区域；落石冲击角度越
大，钢筋混凝土板塑性区越大，破坏程度越大；棚洞钢筋混凝土板最大塑性应变对落石角度敏感性较高，
冲击角度 30°的落石 5 次冲击产生的塑性应变远不及冲击角度 90°的落石 5 次冲击产生的塑性应变。

Time/s

0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

−20
Displacement/mm −40 θ=30°

θ=45°
−60
θ=75°
−80 θ=60°
θ=90°
−100

图 20 不同冲击角度下棚顶位移时程曲线
Fig. 20 Time history of the shed roof displacements with different impact angles

(a) 30° (b) 45° (c) 60° (d) 75° (e) 90°

图 21 5 次冲击后不同冲击角度下棚洞塑性应变云图
Fig. 21 Plastic strain contours of shed-tunnel after five times of impact with different impact angles

3 动态响应机理分析

由第 2 节的模拟结果可知，在多次落石冲击下棚洞结构呈现出显著不同于单次冲击下的动态响应
机理。当冲击次数累积到一定程度时，棚洞结构的动力响应特征如棚顶位移等将出现突变（图 7、12、
16 及 20），这说明棚洞出现了明显的破坏特征，这是多次冲击造成的损伤累积到一定程度的结果，即多
次冲击造成的累积破坏不是单次冲击的简单累加，而是存在某一临界值下的突变效应。
多次冲击造成的突变效应还与落石的质量、冲击速度等密切相关，只有当其达到或超过某一临界值
时，才会出现相应的突变效应。如图 7 所示，当落石质量为 70.30 和 137.3 kg 时，在相同的冲击次数下，
二者几乎没有突变效应产生。而当落石质量为 237.26 kg 时，在第 4 次冲击时，棚洞位移就出现了明显的
突变效应。
图 22 给出了不同落石质量和冲击速度下冲击力随冲击次数的变化规律（其中 m=137.31 kg 与
v=20 m/s 对应的曲线重合）。可以看出，当落石质量较小时，随着冲击次数的增加，冲击力逐渐增加。这
是因为，在初始阶段缓冲层比较松散，因此其耗能作用较强，相应的落石冲击力较小。而随着冲击次数
的增加，缓冲层逐渐被压实，其耗能作用逐渐减弱，进而冲击力逐渐增大。然而当落石质量进一步变大，
如 m=237.26 kg 时，随着冲击次数的增加，混凝土棚洞将出现破坏，导致无法承受落石的冲击作用，因而
导致其冲击力降低。这也可以由图 9 所示的棚洞破坏特征看出，当 m=70.30, 137.31 kg 时，棚洞并未出现
明显的破坏特征，而当 m=237.26 kg 时，棚洞则出现了明显的破坏。
如图 22 所示，不同落石冲击速度下的计算结果与不同落石质量下的基本类似，即当冲击速度较小
时，冲击力总体上随着冲击次数的增加而增加，当冲击速度较大时，冲击力随冲击次数的变化规律与大
落石质量类似。这也可以由图 13 所示的棚洞破坏特征看出。因此，重复冲击下棚洞受到的冲击力与缓

055202-10