Page 133 - 《振动工程学报》2026年第2期

第 2 期 赵博文，等：埋地铸铁管道落石冲击响应现场试验研究 449

σ 方 处应变最大，最大环向拉应变为 72.05 με，最大
σ = Eε，P = （8） Y3
A 环向压应变为 35.55 με，最大轴向拉应变为 25.38 με，
式中，E 为球体弹性模量；ε 为球体应变量；A 为球体
最 大 轴 向 压 应 变为 19.83 με， 管 道 环 向 两 侧 测 点
与受冲击层接触面积。
Y4 和 Y6 呈现一致的应变规律，管道侧面环向应变
球体与受冲击层接触面积 A 为现场试验混凝土
首先产生压应变，随后管道回弹产生拉应变，环向压
球与土体接触面积，现场试验冲击坑如图 5 所示。
应变大小显著高于环向拉应变大小，其大小同样接

近 2 倍关系，其中最大压应变为 32.46 με，其应变规
律与顶部和底部环向应变规律相反；其中底部环向
应变规律与顶部环向应变规律一致，其应变值最小
且后续波动不明显。管道轴向两侧测点 Y4 和 Y6 首
(a)冲击坑宽度 (b)冲击坑深度 先产生轴向拉应变，随后管道发生弹性回弹，产生大

图 5 冲击坑示意图 小与轴向拉应变基本一致的轴向压应变；底部测点
Fig. 5 Crater diagram 首先产生数值很小的轴向拉应变，随后经少许震荡

后应变基本归零。
根据上述计算方法计算本次试验中落石最大冲

击力，结果如表 3 所示。 Y3 Y4 Y5 Y6
Y3
80 ε y =72.04 Y4 Y6
0°
表 3 最大冲击力计算汇总 Y5
Tab. 3 Calculation summary for maximum impact force 40
20
环向微应变 / με 60 180°
计算方法 最大冲击力/kN 0 ε y =9.79
Hertz理论 48.53 −20 ε y =−30.42
90°
ASTRA方法 66.03 −40 ε y 270° =−32.46
JRA方法 36.05 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40
时间 / s
JTJ 013−95方法 38.86 (a) 试验19截面3环向应变
实测 37.20 (a) Circumferential strain at Section 3 in Test 19
30
0°
ε x =25.38 Y3
根据上述最大冲击力计算可知，各种算法计算 20 Y4 Y6
90°
结果之间存在较大差异，其中 Hertz 理论和 ASTRA 10 ε x =12.14 Y5
270°
=8.60
ε x
方法计算结果与其他方法计算结果差异较大，日本 轴向微应变 / με 0 ε x 180° =5.03
JRA 方法和中国国标法计算结果与实测值较接近。上 −10
述分析验证了在后续研究中，针对不同坠落高度与不 −20 ε x =−19.83
0°
同落石重量工况下通过理论方法计算落石冲击力的可
−30
行性，为后续数值模拟研究奠定了试验基础。 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

时间 / s
(b) ൫ဒ19ࢩ૫3ᇠཟႋэ
2.2 动态应变分析 (b) Axial strain at Section 3 in Test 19

图 6 实测试验 19 截面 3 应变分布
2.2.1 管身典型应变分析
Fig. 6 Strain distribution at Section 3 in Test 19
分别在管道 1、2、4 和 5 号截面管道上部设置了
轴 向 与 环 向 应 变 测 试 点， 在 3 号 截 面 管 道 0°、 90°、 2.2.2 管身应变特征分析
180°和 270°方向设置 4 个应变监测点，每个监测点由 为了了解本次试验管道所产生应变的最大值，
轴向与环向应变测试点组成。其中，应变负值代表 选取第 19 次冲击试验进行峰值应变分布分析，其中
管道受压，应变正值代表管道受拉。 测点 Y1、Y2、Y3、Y7 和 Y8 为沿管道轴线布置，迎冲
如图 6 所示，管道测点应变响应时间及响应状 击侧应变测点；Y3、Y4、Y5 和 Y6 为 3 号截面沿管道
态基本一致，管道在 0.1 s 左右开始产生应变，随后管 环向布置的应变测点，由图 7(a) 和 (b) 可知，无论是
身回弹产生反向应变并经历数个震荡后应变趋于 0， 轴向应变还是环向应变均在 Y3 测点，即受冲击点正
管道环向顶部先产生拉应变，随后回弹产生压应变， 下方，应变最大，应变峰值沿管道轴向呈衰减趋势，
管道顶部轴向应变与环向应变变化规律相反，且顶 其 中 最 大 应 变为 Y3 测 点 环 向 受 拉 应 变 (72.05 με)。
部轴向拉应变大于轴向压应变；其中受冲击点正下 同时可看出，管道以受拉为主，沿轴向各个测点拉应