Page 181 - 《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

持平和减小；(3) 在落石质量较小（2.5 和 5.0 t）的工况中，铺设 1 200 mm 复合垫层对应的临界冲击能量低
于铺设 600 mm 厚砂垫层，表明当落石质量较小、临界冲击速度较大时，1 200 mm 厚复合垫层的耗能效果
弱于 600 mm 厚砂垫层，这是由于 EPE 垫层的缓冲能力有限，当其被快速压实后将失效而无法继续耗能。

80 14 000

Without cushion (v c =45.82m −0.43 ) Without cushion
70 600 mm sand cushion (v c =86.73m −0.48 ) 12 000 600 mm sand cushion
60 1 200 mm sand cushion (v c =140.13m −0.56 ) 1 200 mm sand cuhsion
1 200 mm sand-EPE composite 10 000 1 200 mm sand-EPE composite cushion
50 cushion (v c =68.1m −0.35 ) 8 000
v c /(m·s −1 ) 40 Intersection E I /kJ 6 000
30
20 4 000
10 2 000
0 5 10 15 20 25 30 35 0 5 10 15 20 25 30 35
m/t m/t
(a) Rockfall mass-impact velocity curve (b) Critical impact energy
图 15 落石质量-冲击速度曲线和临界冲击能量
Fig. 15 Rockfall mass-impact velocity curves and critical impact energy
在实际山区 RC 棚洞抗落石冲击性能快速评估中，经过前期地质勘探和落石运动特性分析可初步确
定特定区域 RC 棚洞设防的落石质量和冲击速度，将其与图 15(a) 中落石质量-临界冲击速度关系对比就
可快速判别出所设计的棚洞是否满足防护需求。对于设防落石冲击速度大于临界冲击速度的情况，一
方面，可进一步采用本文结论根据其冲击能量确定需要铺设的垫层类型和厚度，即当落石质量较小时
（如 m≤7 t）优先选择砂垫层；当落石质量中等（如 7 t＜m≤32 t）时，若设防的冲击速度大于砂-EPE 复合
垫层对应的临界冲击速度，则优先选择 1 200 mm 厚砂垫层，反之可选取相同厚度轻质高弹的复合垫层以
减轻垫层自重；当落石质量较大时（如 m＞32 t），优先选择复合垫层。另一方面，可改进棚洞设计方案，
如提高混凝土强度、增加截面尺寸和配筋率等，这部分设计方法也是进一步研究的重点。

5 结 论

本文中采用经已有 RC 板、砂垫层和 EPE 垫层落锤（石）冲击试验验证的数值模拟分析方法，对比分
析了质量 15 t、速度为 25 m/s 的落石冲击作用下无垫层、铺设砂垫层和砂-EPE 复合垫层原型框架 T 梁
式 RC 棚洞的损伤破坏和动态响应，得到以下主要结论。
(1) 无垫层棚洞的损伤破坏集中于棚洞顶板冲击区域，铺设砂垫层和砂-EPE 复合垫层对于质量
15 t、速度为 10 和 25 m/s 落石的冲击力峰值可降低 92.8% 和 91.6%，从而减轻顶板的变形和局部损伤破
坏，防止落石贯穿顶板。棚洞其余构件的损伤程度较轻，其中受弯构件的最大挠度范围为 2.3～20 mm，
均在结构设计的允许挠度范围内，且铺设垫层可更好地将落石冲击力传递至下部结构。此外，棚洞顶板
与内墙锚固区域均出现较严重的受拉损伤，建议设计时增大顶板与内墙锚固区域的锚固深度。
(2) 质量为 15 t 的落石的冲击速度较小时（10 m/s），无垫层棚洞顶板发生局部剪切破坏，而铺设砂垫
层和砂-EPE 复合垫层的棚洞顶板出现轻微弯曲变形，且由于复合垫层的缓冲耗能效果优于砂垫层，铺设
复合垫层可进一步降低棚洞顶板承受的落石冲击力峰值 18.2%；当冲击速度增大时（25 m/s），落石贯穿无
垫层棚洞顶板，砂-EPE 复合垫层中的 EPE 被压实使其接触刚度增大，缓冲耗能效果减弱，棚洞顶板承受
的冲击力和冲击能量较铺设砂垫层棚洞顶板分别增大了 89.3% 和 37.8%。
(3) 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，给出了无垫层、铺
设砂垫层和砂-EPE 复合垫层原型框架 T 梁式 RC 棚洞失效破坏对应的落石质量（1～30 t）与临界冲击速
度（10～57 m/s）关系式，可用于原型框架棚洞的防护性能评估和设计。
(4) 对于有/无垫层的工况，落石的临界冲击速度随其质量的增加均呈幂函数衰减的趋势；相同质量

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