Page 178 - 《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

层变形后发生较大回弹，有效降低了顶板内能占比，且在复合垫层下部的 EPE 垫层吸收落石冲击能量的
效果明显优于上部的砂垫层。而当落石冲击速度增大时，复合垫层中的 EPE 垫层发生较大变形后被压
实，仅发生轻微回弹，缓冲耗能效果减弱，从而导致顶板内能占比增大。

4 棚洞防护效能评估方法

Spadari 等 [6] 基于澳大利亚新威尔士州东海岸的落石统计数据指出，该地区落石的平均半径为
0.45 m，质量约为 1 t，中国台湾省某真实落石事故 [33] 中落石质量约为 15 t，极端情况如四川省汶川县彻底
[5]
关大桥落石事故 中落石质量可达 200 t。基于此，假定落石质量分别为 1.0、2.5、5.0、10.0、15.0、20.0 和 30.0 t，
开展落石以不同速度冲击无垫层和铺设缓冲垫层原型框架 T 梁式 RC 棚洞的数值模拟分析。砂垫层厚
度分别为 600 和 1 200 mm，砂-EPE 复合垫层中砂的厚度为 400 mm，EPE 的厚度为 800 mm。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，以 0.2m/s 冲击速度为步长开展数值模
拟，确定原型棚洞失效破坏对应的落石临界冲击速度。基于开展的 112 个算例确定无垫层、铺设砂垫层
以及砂-EPE 复合垫层棚洞失效破坏的落石质量-临界冲击速度（m-v ）曲线，用于开展棚洞防护效能评估。
c
4.1 临界冲击速度
4.1.1 无垫层 RC 棚洞
图 13 分别给出了不同质量落石在不同冲击速度 v 下冲击无垫层 RC 棚洞对应的落石侵入深度时程
曲线，对于无垫层棚洞，其失效破坏阈值为落石最大侵入深度达到棚洞顶板厚度（800 mm，图 13 中的灰
色虚线）。以图 13(a) 为例，对于质量为 1 t 的落石，冲击速度 v 为 46.0、46.2、46.4 和 47.0 m/s 的工况对应
的落石最大侵入深度分别为 719、788、868 和 1 042 mm，则其临界冲击速度 v 为 c 46.2 m/s，相应的落石侵
入深度时程为红色实线。根据该阈值确定了不同质量落石的临界冲击速度和对应的落石最大侵入深
度，如表 4 所示。可以看出，随着落石质量的增大，其临界冲击速度显著减小。

1 400 1 400
v=46.0 m/s v=29.0 m/s
1 200 Critical penetration depth v c =46.2 m/s 1 200 v c =30.0 m/s
v=30.2 m/s
v=46.4 m/s
Penetration depth/mm 800 Penetration depth/mm 800
v=31.0 m/s
1 000
v=47.0 m/s
1 000
600
600
400
200
200 400
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 0.1 0.2 0.3 0.4
Time/s Time/s
(a) 1.0 t (b) 2.5 t
1 400 2 000
v=21.0 m/s v c =17.2 m/s
1 200 v=22.0 m/s 1 600 v=17.4 m/s
v=17.6 m/s
v c =22.4 m/s
Penetration depth/mm 800 Penetration depth/mm 1 200
v=18.0 m/s
v=22.6 m/s
1 000
600
800
400
200 400
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 0.1 0.2 0.3 0.4
Time/s Time/s
(c) 5.0 t (d) 10.0 t

045104-15