Page 170 - 《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

冲层的压实情况和棚洞 结构的破坏情况密切相 700
关，要结合起来进行综合分析。 600 m=237.26 kg, v=20 m/s
因此，若要使棚洞出现明显的累积破坏效 m=137.31 kg, v=25 m/s
应，落石产生的冲击力应足以使棚洞出现明显的 500 m=137.31 kg, v=20 m/s
塑性变形甚至损伤破坏，而不是仅仅处于弹性变 Impact force/kN 400 m=137.31 kg, v=15 m/s
形范围，这样棚洞在每次落石冲击下均会出现不 300
同程度的塑性变形即结构的细观损伤破坏，进而 200 m=70.3 kg, v=20 m/s
多次冲击作用造成的损伤累加效应将最终导致
100
棚洞结构出现宏观破坏。因而在实际工程中应 1 2 3 4 5
重 视 棚 洞 结 构 在 多 次 落 石 冲 击 下 的 累 积 破 坏 Impact times
效应。 图 22 冲击力随冲击次数的变化曲线

Fig. 22 Variation of the impact force with the impact number
4 结 论

(1) 根据冲击力、钢筋混凝土板破坏过程等 2 个角度的验证结果，本文建立的 FEM-SPH 耦合模型对
于模拟落石对棚洞结构的冲击具有较强的适应性。
(2) 冲击力、冲击位移、棚顶位移、棚洞塑性应变范围均与落石质量、速度、角度呈正相关；落石形
状不同时，长方体落石冲击产生的冲击力、棚顶位移、塑性应变均大于球体落石，球体落石冲击产生的
缓冲层顶部冲击位移大于长方体落石，而且对于长方体落石而言，缓冲层顶部冲击位移、棚顶位移、塑
性区与接触面积呈负相关；随着冲击次数的增加，在不同落石质量、速度、形状 3 种工况下，峰值冲击力
均在第 2 次冲击后快速增大，随后趋于相对稳定。但是当落石形状为长方体时，第 1 次冲击产生的冲击
力最大；随着冲击次数的增加，最大冲击位移逐渐增大，但之后的几次冲击增加幅度基本都不如第 1 次，
第 2 次冲击产生的冲击位移普遍只有第一次冲击的 28.42%～55.46%；冲击位移及棚顶位移在落石冲击
后均会出现回弹现象。钢筋的存在可以有效延缓棚洞破坏，因此要注重对棚洞结构的合理配筋。
(3) 在实际工程中，棚洞必然会受多次落石冲击作用，且随着冲击次数的增加，棚洞位移等将出现突
变性增加，故建议采用增加棚洞易遭受冲击位置处的配筋、缓冲层厚度等措施以提高其抗冲击性能。
另外需要说明的是本文主要采用数值模拟对多次落石冲击下棚洞结构的动力响应进行研究，其准
确性在很大程度上受材料本构模型及其参数影响，而由于材料在冲击等动力作用下的复杂性，导致本文
选取的材料本构模型与参数可能会与实际情况存在一定误差，因而该研究结果的合理性仍需通过相关
试验进行验证或完善。

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