Page 158 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 费鸿禄，等： 落石冲击作用下埋地管道的动力响应分析 第 7 期

2.4 不同因素影响下的管道响应
2.4.1 冲击偏距对管道动力响应的影响
考虑到落石冲击到管道周围的可能性，且由于上述试验模型的局限性，仅开展了 0.1 m 偏距冲击试
验，在冲击偏距 L 为 0、0.5、1.0、2.0 和 3.0 m 下进行数值计算分析，冲击速度为 15 m/s。截取管道在不同
落石冲击偏距下的最大 Mises 应力云图，如图 18 所示。根据模拟结果，绘制落石在不同偏距冲击下管道
最大 Mises 应力及最大应变曲线，如图 19 所示。
Stress/MPa Stress/MPa Stress/MPa

69.47 16.20 4.04
62.53 14.59 3.64
55.59 12.97 3.24
48.64 11.36 2.84
41.70 9.75 2.43
34.76 8.14 2.03
27.81 6.52 1.63
1.23
z 20.87 z 4.91 z 0.83
3.29
13.93
x y 6.98 x y 1.69 x y 0.43
0
0
0
(a) L=1.0 m (b) L=2.0 m (c) L=3.0 m
图 18 不同落石冲击偏距下管道最大 Mises 应力云图
Fig. 18 Maximum Mises stress contours of pipelines under different rockfall impact offsets

从图 18～19 可以看出，最大应力和应变随 250 20
冲击偏距的增大呈指数型快速衰减。在偏距从 Maximum mises stress
0 增至 1 的阶段，衰减速率最快，最大应力降幅 200 Maximum strain 16
约 44%，最大应变降幅约 33%；当偏距超过 2.0 m 150 12
后，衰减速率趋缓，力学响应逐渐趋近于无冲击 Mises stress/MPa Strain/10 −4
影响的水平。落石对心冲击下管道最大应力分 100 8
布于管道的正上方，管道顶部应力和应变均达到
50 4
最大值，分别为 186 MPa 和 8.06×10 。随着冲击
−4
偏距的增大，冲击力不再以垂向荷载作用于管道 0 0 1 2 3 0
上方，冲击力传递路径变长，且在土体中传播时 Rockfall impact offset/m
因更多土体参与力的耗散，使管道受到冲击力的 图 19 最大 Mises 应力和最大应变随落石冲击偏距的变化
影响逐渐减小。当冲击偏距达到 3.0 m 时，管道 Fig. 19 Variation of maximum Mises stress and strain
最大应力和应变大幅减小，分别减小至 4.04 MPa with rockfall impact offset
−5
和 1.81×10 。同时应力集中区在同一截面由管道顶部向落石偏心冲击侧偏移，表明偏距越大对管道顶
部的影响越小，与试验组 4 的落锤偏心冲击下管道应变响应规律一致。
2.4.2 落石冲击不同直径管道的动力响应规律
为 分 析 落 石 冲 击 不 同 直 径 下 管 道 的 动 力 响 应 ， 选 取 管 道 直 径 D 为 30.5、 50.8、 71.1、 91.4 和
111.7 cm，建立落石冲击不同直径管道数值计算模型，落石冲击速度为 15 m/s，管道壁厚 1.0 cm，其他条件
不变。截取不同直径管道最大时刻 Mises 应力云图，如图 20 所示。根据数值模拟结果，绘制落石冲击下
不同直径管道的最大 Mises 应力和最大应变曲线，如图 21 所示。

Stress/MPa Stress/MPa Stress/MPa

324.16 235.41 245.22
193.92 211.92 220.83
172.41 188.46 196.37
150.94 164.93 171.84
129.47 141.47 147.45
107.92 117.95 122.96
86.34 94.45 98.45
64.83 70.94 73.99
z 43.32 z 47.44 z 49.52
21.81
x y 0.29 x y 23.94 x y 25.06
0.44
0.61
(a) D=71.1 cm (b) D=91.4 cm (c) D=111.7 m
图 20 落石冲击不同直径管道最大 Mises 应力云图
Fig. 20 Maximum Mises stress contours of pipelines with different diameters subjected to rockfall impact
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