Page 281 - 《振动工程学报》2026年第3期

第 3 期 张 金，等： 落石撞击下 RC 墩的动态分析及防护
4. 2 钢板橡胶复合防护下 RC 墩的损伤模式
为探索落石撞击复合防护下 RC 墩的损伤模式，
本文研究了落石撞击复合防护下 RC 墩的应力传播，
如图 21 所示。当时间 T=0.0237 s 时，落石与钢壳接
触并发生碰撞，撞击点出现应力集中；T=0.0251 s时，
图 21 落石撞击下复合防护的应力扩散（W=0. 3 m， V=20 m/s）
Fig. 21 Stress propagation in composite protection under falling rock impact （W=0. 3 m， V=20 m/s）
图 22 比较了在不同撞击速度下，复合防护撞击
坑的凹陷深度和面积峰值。可以看出，随着橡胶厚
度的增加，防护装置的凹陷深度及撞击坑面积均增
大，说明防护装置吸收的动能也逐渐增大，对 RC 墩
的防护也越强。具体来说，复合防护的能量向墩底
与墩顶方向的传播要明显多于 RC 墩两侧，这与钢
板防护的传播方式相同。此外，在橡胶厚度为 0.1 m
时，撞击速度为 15、20 m/s 时的撞击坑面积要小于撞
击速度为 10 m/s 时，其原因是撞击速度较大时，橡
胶已经被落石穿透，穿透点附近的橡胶收缩，因此撞
击坑面积较小。
受 复 合 防 护 装 置 的 影 响 ，在 各 工 况 下 ，RC 墩
均 未 出 现 混 凝 土 脱 落 现 象 。 图 23 为 不 同 复 合 防
图 22 落石撞击下复合防护的凹陷深度和面积峰值
Fig. 22 Peak depression depth and area of composite
protection under falling rock impacts
881
可以观察出，落石撞击 RC 墩的应力沿撞击点向 RC
墩的顶部与底部扩散传播，这与钢板防护的应力传
播相同；T=0.0408 s 时，落石停止撞击，可以看出防
护装置外侧与 RC 墩表面存在一定的距离，这说明落
石并没有直接撞击到 RC 墩；T=0.0666 s 时，落石被
反弹，此时，复合防护上撞击坑直径为 0.82 m。
护 厚 度 下 RC 墩 的 损 坏 模 式 。 可 以 看 出 ，在 撞 击
速度为 10 m/s 时，除橡胶厚度为 0.1 m 的 RC 墩底
发 生 轻 微 损 伤 外 ，其 他 厚 度 下 RC 墩 无 任 何 损 伤 ；
随 着 撞 击 速 度 的 增 大 ，RC 墩 的 损 伤 部 位 基 本 集
中 在 墩 底 ，但 并 未 出 现 混 凝 土 脱 离 的 现 象 ，对 比
图 19 的钢板防护 ，钢壳橡胶复合防护对落石撞击
的 防 范 效 果 显 著 ，且 不 会 造 成 混 凝 土 永 久 性
损伤。
图 24 为 不 同 复 合 防 护 厚 度 下 RC 墩 的 位 移 响
应 曲 线 。 可 以 看 出 ，复 合 防 护 作 用 下 撞 击 点 位 移
显 著 减 小 ，当 橡 胶 厚 度 为 0.1 m、撞 击 速 度 为
20 m/s 时 ，撞 击 点 位 移 峰 值 仅 为 0.009 m，残 余 位
移 为 0.006 m，较 无 防 护 状 态 降 低 了 约 一 个 数 量
级 ，且 位 移 时 程 曲 线 为 抖 动 状 态 ，这 说 明 撞 击 点
混 凝 土 处 于 弹 性 状 态 ，不 会 出 现 混 凝 土 永 久 性
损伤。
综 合 以 上 分 析 ，钢 壳 橡 胶 复 合 防 护 效 果 显
著 ，对 于 撞 击 速 度 低 于 10 m/s，橡 胶 厚 度 为 0.1 m
的防护装置完全适用；对于撞击速度低于 20 m/s，
橡 胶 厚 度 为 0.2 m 的 防 护 装 置 完 全 适 用 。 在 实 际
工 程 中 ，可 根 据 实 际 场 地 情 况 ，选 择 合 适 的 材 料
厚度。
图 25 为 RC 墩 、落 石 的 能 量 时 程 图 。 可 以 看
出 ，落 石 的 撞 击 能 量 为 1400 kJ，RC 墩 未 防 护 下 内
能 为 800 kJ（见 图 25（a）），采 取 钢 壳 橡 胶 复 合 防
护 后 ，橡 胶 厚 度 从 0.1 m 增 加 到 0.3 m，RC 墩 内 能
分 别 为 41.4、9.04 和 5.3 kJ。 能 量 消 耗 率 均 达 到
95%，且 橡 胶 防 护 会 将 吸 收 的 能 量 重 新 传 递 给 落
石 ，使 得 落 石 反 弹 ，从 而 达 到 保 护 RC 墩 的 效 果 。
综 合 而 言 ，复 合 防 护 装 置 能 够 有 效 抵 挡 落 石
撞击。