Page 174 - 《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

缝，且铺设砂-EPE 复合垫层顶板的裂缝数量和分布范围均小于铺设砂垫层顶板。(3) 无垫层和铺设缓冲
垫层棚洞的损伤均主要发生在顶板，其余构件多呈现轻微的弯曲变形。无垫层棚洞顶板的 T 梁腹板在
支撑处局部受压而出现严重损伤，且集中在中间受冲击区域，而铺设砂垫层和复合垫层均可显著减轻该
区域的损伤程度，且铺设复合垫层的效果更优。不同工况下纵梁、矩形横梁、立柱以及内墙的损伤均较
轻，纵梁跨内及立柱顶部均出现弯曲变形，矩形横梁出现竖向裂缝，而内墙两端与横梁搭接处的混凝土
同样出现轻微损伤。通过计算，除顶板以外受弯构件的最大挠度为 2.3～14.5 mm，均在我国《公路隧道
设计规范 第一册 土建工程》（JTG 3370.1–2018） [34] 受弯构件的允许挠度范围内（21 mm）。
图 8(b) 进一步给出了落石冲击速度为 25 m/s 时 3 种不同工况中棚洞顶板的损伤破坏过程、顶板冲
击区域剖面混凝土损伤云图，以及棚洞整体最终损伤破坏形态。可以看出：(1) 无垫层（工况 V25-1）棚洞
顶板在落石冲击区域的混凝土脱落和钢筋断裂，顶板发生贯穿破坏。铺设砂垫层（工况 V25-2）和砂-
EPE 复合垫层（工况 V25-3）棚洞顶板形成与落石截面形状相似、宽度约为 4.9 m 的八边形损伤区域，其
中铺设复合垫层的顶板损伤更严重，且冲击区域的损伤与内墙锚固区域的损伤贯通。此外，由于 T 型横梁的拼
接处无连接，因而顶板中部在落石冲击作用下均出现沿横梁方向的通长裂缝。(2) 棚洞顶板均发生严重的
冲切破坏。其中，无垫层顶板被完全贯穿，而铺设砂和砂-EPE 复合垫层顶板均出现完整的冲切锥，与冲
击速度较低的工况不同，铺设复合垫层顶板的损伤范围和损伤程度较铺设砂垫层顶板反而加剧。(3) 从
棚洞整体来看，无垫层棚洞的损伤集中于顶板冲击区域，铺设砂垫层和复合垫层棚洞顶板的 T 梁腹板支
撑处损伤程度较无垫层明显减弱，而在纵梁、矩形横梁、立柱以及内墙的损伤范围和程度则均增大，但
这些构件的损伤程度相较顶板并不严重。通过计算，除顶板以外，受弯构件的最大挠度为 2～20 mm，均
在我国《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》（JTG 3370.1–2018） [34] 受弯构件允许挠度范围内（21 mm）。
上述分析表明，在 10 m/s 的落石冲击速度下，无垫层棚洞顶板在冲击区域附近和支撑处出现集中且
严重损伤，而铺设垫层可明显降低棚洞顶板的损伤程度。其中，铺设砂垫层的棚洞顶板较铺设砂-EPE 复
合垫层的棚洞顶板的损伤范围更大，这是由于在较小速度的落石冲击作用下，复合垫层中 EPE 的压缩模
量小于砂，可以通过较大塑性变形从而耗散更多的冲击能量，其缓冲效果优于砂垫层，对棚洞的防护效
果更好。在 25 m/s 的落石冲击速度下，铺设垫层可明显降低棚洞顶板的损伤破坏程度，避免顶板直接贯

穿。其中，铺设砂-EPE 复合垫层的棚洞顶板损伤范围和程度较铺设砂垫层的棚洞顶板均更大，这是由于
当落石冲击速度较大时，冲击区域的 EPE 产生明显塑性变形，被快速压实后仅起到传递冲击荷载的作用
而不再消耗能量，其总耗散能量低于铺设砂垫层的工况，复合垫层的防护效果反而较砂垫层更差。
图 9 进一步给出了不同工况中砂垫层和砂-EPE 复合垫层的应力扩散云图。可以看出：冲击速度分
别为 10 和 25 m/s 时，相较砂垫层，砂-EPE 复合垫层的应力扩散范围分别增大 22% 和减小 8%。即冲击

V10-2 V25-2
Effective stress/
MPa
Sand cushion Sand cushion 1.0
0.9
2 348 mm 3 261 mm 0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
V10-3 V25-3 0.3
Sand-EPE Sand-EPE 0.2
composite cushion composite cushion 0.1
0
2 856 mm 3 005 mm

图 9 不同冲击工况下垫层的应力扩散范围
Fig. 9 Stress diffusion range of cushion in different impact scenarios

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