Page 176 - 《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

3.3.2 顶板中心挠度时程
图 11(a)～(b) 分别给出了不同落石冲击速度工况中棚洞顶板中心的竖向挠度时程。图 11(a) 可知，
冲击速度为 10 m/s 时，由于无垫层工况 V10-1 中落石直接冲击棚洞顶板，导致顶板产生较大变形且发生
冲切破坏（图 8(a) 工况 V10-1 的顶板剖面图），竖向挠度峰值达 413 mm；铺设砂垫层和砂-EPE 复合垫层工况 V10-2
和 V10-3 中 落 石 冲 击 垫 层 后 与 垫 层 一 起 向 下 运 动 （ 图 9） ， 棚 洞 顶 板 仅 发 生 轻 微 弯 曲 变 形 （ 图 8(a)
工况 V10-2 和 V10-3 顶板剖面图），竖向挠度峰值分别为 84 和 13 mm，较工况 V10-1 分别减小了 79.7%
和 96.8%。图 11(b) 可知，冲击速度为 25 m/s 时，由于无垫层工况 V25-1 中的棚洞顶板被落石直接贯穿
（图 8(b) 工况 V25-1 顶板剖面图），导致冲击区域处混凝土大面积剥落，顶板位移峰值迅速增大且不收
敛；铺设砂垫层和砂-EPE 复合垫层工况 V25-2 和 V25-3 中棚洞顶板发生冲切破坏（图 8(b) 工况 V25-2
和 V25-3 顶板剖面图），竖向位移峰值分别为 601 和 775 mm。可以得出：不同冲击速度下，铺设垫层均有
明显的缓冲作用，通过避免落石直接冲击棚洞顶板的方式大幅减小顶板的变形程度。当冲击速度较小
时，铺设复合垫层的顶板位移明显小于铺设砂垫层，其缓冲效果更好；而当冲击速度较大时，由于复合垫
层中的 EPE 材料被快速压实，其缓冲效果明显降低，导致顶板的变形程度增大，防护效果略差于砂垫
层。但是，需要指出复合垫层的总质量（34.1 t）显著低于砂垫层（90.3 t），可有效降低 RC 棚洞上部结构自重。
500 2 500

V10-1 V25-1
400 V10-2 2 000 V25-2
V10-3 V25-3
Deflection/mm 300 Deflection/mm 1 500

1 000
200
100 500

0 0.05 0.10 0.15 0.20 0 0.05 0.10 0.15 0.20
Time/s Time/s
(a) 10 m/s (b) 25 m/s

图 11 棚洞顶板中心挠度时程
Fig. 11 Deflection-time histories of shed tunnel roof slab
3.3.3 能量转化
图 12(a)～(c) 给出了冲击速度为 10 m/s 时不同工况中的落石动能、顶板内能以及垫层内能的时程
曲线。可以看出：(1) 在无垫层、铺设砂垫层和砂-EPE 复合垫层（V10-1、V10-2 和 V10-3）的工况中，主要
耗能构件分别为顶板、砂垫层和 EPE 垫层。工况 V10-1 中，棚洞顶板内能峰值为 627 kJ，占落石初始动
能（750 kJ）的 83.6%。工况 V10-2 中，顶板和砂垫层的内能峰值分别为 87 和 553 kJ，分别占落石初始动能
的 11.6% 和 73.7%。工况 V10-3 中，顶板、砂垫层和 EPE 垫层的内能峰值分别为 68、103 和 440 kJ，分别
占落石初始动能的 9.1%、13.7% 和 58.7%。砂-EPE 复合垫层总耗能占比为 72.4%，与砂垫层耗能占比接
近。(2) 落石冲击砂-EPE 复合垫层时，其动能降为零的同时 EPE 垫层内能达到峰值，表明此时 EPE 垫层
尚未压实，其储存的内能可释放并再次转变为落石的反弹动能。
图 12(d)～(f) 进一步给出了冲击速度为 25 m/s 时不同工况中的落石动能、顶板内能以及垫层内能的
时程曲线。由图 12(d) 可知，无垫层工况的落石动能降至约 1 400 kJ 后继续增大，这是由于落石贯穿无垫
层顶板后在重力作用下继续向下加速运动，顶板内能不断逐渐增大，峰值为 2120 kJ，占落石初始动能
（4 687 kJ）的 45.2%。由图 12(e) 可知，由于落石冲击并侵入砂垫层后静止，其动能逐渐减小至零，顶板和
砂垫层内能逐渐增大，峰值分别为 1 067 和 3 147 kJ，分别占落石冲击初始动能的 22.8% 和 67.1%。由图 12(f)

可知，落石冲击砂-EPE 复合垫层后静止，落石冲击动能转化为顶板、砂垫层和 EPE 垫层的内能，峰值分
别为 1 470、518 和 1 841 kJ，分别占落石初始冲击动能的 31.4%、11.1% 和 39.3%。砂-EPE 复合垫层总耗

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