Page 166 - 《爆炸与冲击》2026年第4期

第 46 卷 吴 昊，等： 落石冲击框架T梁式RC棚洞损伤破坏评估 第 4 期

试验，结果表明：铺设砂-EPE 复合垫层 RC 棚洞顶板的挠度峰值、振动加速度和横向应变分别平均降低
93.9%、89.6% 和 93.4%，且 EPE 位于复合垫层底部时缓冲耗能性能更优。Delhomme 等 [13] 开展了 1/3 缩
尺的框架板式 RC 棚洞顶板抗落锤冲击试验，发现 RC 顶板主要呈现局部冲切、整体弯曲和表面压碎等

3 种破坏模式。Othman 等 [14] 开展了 RC 板抗落锤多次冲击试验，分析了钢筋布置形式与配筋率对 RC 板
抗冲击性能的影响。结果表明：落锤冲击力的持续时间与 RC 板的配筋率成反比；提高配筋率可显著减
小双向配筋 RC 板的峰值和残余挠度，但对单向配筋 RC 板的峰值挠度影响较小。Xiao 等 [15] 开展了

15 组 RC 板抗落锤冲击试验，分析了锤头形状和直径以及冲击能量对四边固支 RC 板动力行为的影响。
结果表明：落锤侵入深度随着冲击接触面积的减小和冲击能量的增大而增加，扁平形落锤更易造成

RC 板的冲切破坏。
由于 RC 棚洞冲击试验的成本较高且周期较长，数值模拟可以更加全面地获取冲击过程中落石运动
和棚洞结构的损伤演化等信息。如 Xiao 等 [15] 通过对所开展的 RC 板抗落锤冲击试验进行数值模拟分
析，指出提高混凝土强度和 RC 板厚度均可有效提升 RC 板的抗冲击性能。Zhong 等 [16] 采用光滑粒子流
体动力学-有限元（smoothed particle hydrodynamics-finite element method, SPH-FEM）耦合的数值模拟方法
研究了铺设砂垫层框架板式 RC 棚洞顶板的抗落石冲击性能。结果表明：相同冲击能量下，增大落石质
量使 RC 板损伤更严重；提高混凝土强度可有效提升 RC 板抗落石冲击性能；砂垫层厚度由 60 cm 增加
至 90 cm 可使 RC 板抗落石冲击性能提升 25%～30%。Zhao 等 [17] 同样基于 SPH-FEM 数值模拟方法分析
了落石质量（103～298 kg）和速度（9.9～11.7 m/s）对铺设砂土垫层的框架板式 RC 棚洞顶板动力行为的影
响，得出在落石多次冲击作用下，落石冲击力、侵入垫层深度、棚洞顶板位移以及钢筋塑性应变均与落
石质量和速度呈正相关。王爽等 [18] 对铺设传统和轻质土垫层的大跨度框架板式 RC 棚洞抗落石冲击性
能开展了数值模拟分析，其中落石简化为球体，冲击能量为 65～1 040 kJ，结果表明：与传统土垫层相比，
轻质土垫层可明显降低落石冲击力和棚洞顶板挠度峰值，建议轻质土铺设厚度为 1～2 m。王东坡等 [19]
开展了落石冲击铺设松散/密实砂垫层板式 RC 棚洞的数值模拟分析，其中落石质量为 10 kg，冲击速度
为 7.75～11.83 m/s，结果表明松散砂垫层的耗能效果优于密实砂垫层，且增加垫层厚度可有效降低落石的
冲击力。王星等 [20] 开展了质量为 11.7 t 落石以 6～18 m/s 速度冲击铺设砂-EPE 复合垫层板式 RC 棚洞顶
板的数值模拟分析，得出复合垫层可减小顶板峰值应力 62.6% 和峰值位移 57.5%，并且建议 EPE 垫层铺
设的厚度为 0.4～0.8 m。李瑞文等 [21] 采用 SPH-FEM 方法对比分析了落石冲击铺设砂垫层和砂-EPE 复
合垫层的足尺框架板式 RC 棚洞的动态响应和损伤破坏，结果表明：相较于砂垫层，砂-EPE 复合垫层可
使落石冲击力峰值减小 36%，棚洞抗落石冲击性能随复合垫层中 EPE 垫层厚度增加先提升后降低。
综上所述，针对框架 RC 棚洞抗落石冲击的已有研究工作仍存在以下主要不足：(1) 多针对 RC 板构
件或框架板式 RC 棚洞缩尺模型 [12-21] ，缺乏原型框架 T 梁式 RC 棚洞抗落石冲击性能的相关研究；(2) 多
基于小质量（5.1 kg～5 t）和低速度（3.1～24.2 m/s）落石冲击工况 [10-12, 17-20] ，较少讨论较大质量（m≥10 t）和

较高速度（v≥30 m/s）落石冲击下砂垫层和砂-EPE 复合垫层的缓冲耗能作用；(3) 较多关注落石冲击下
RC 棚洞结构的损伤破坏和动态响应 [10-21] ，缺乏针对原型棚洞损伤破坏的定量评估。针对上述研究不足，
本文中以沪昆铁路某原型框架 T 梁式 RC 棚洞为研究对象，采用 LS-DYNA 商用有限元软件开展落石冲
击作用下 RC 棚洞动力行为的数值模拟分析，定量探究用于棚洞防护性能快速评估的落石质量与临界冲
击速度关系。首先，建立落石冲击原型框架 T 梁式 RC 棚洞以及砂垫层和砂-EPE 复合垫层的精细化有
限元模型；其次，通过与 RC 板落锤冲击试验 [14, 22] 、砂垫层 [23] 和 EPE 垫层 [24] 落石冲击试验结果对比，对采
用的数值模拟分析方法中的材料模型、网格尺寸、接触算法及其参数取值的适用性和可靠性进行充分验
证；进一步，对比分析在质量为 15 t 的落石以 10 和 25 m/s 速度冲击下无垫层、铺设砂垫层和砂-EPE 复合
垫层原型棚洞的损伤破坏和动态响应；最后，提出以落石最大侵入深度达到棚洞顶板与垫层总厚度作为
棚洞的失效破坏阈值，给出原型框架 T 梁式 RC 棚洞失效破坏对应的落石质量与临界冲击速度关系，以
期为棚洞抗落石冲击性能评估和防护设计提供参考。

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