任根立，王秀麗,2

(1.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué)西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心，甘肅 蘭州 730050)

近年來，泥石流災(zāi)害在中國、日本等國家常有發(fā)生，呈現(xiàn)出頻發(fā)性、不確定性、破壞性等特點(diǎn)，給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳?cái)產(chǎn)、生活以及區(qū)域自然環(huán)境造成了嚴(yán)重危害。泥石流的沖擊作用是導(dǎo)致防治工程破壞的直接原因之一，其由泥石流漿體的持續(xù)動壓力和固體塊石撞擊力兩部分組成，其中以固體塊石撞擊力造成的災(zāi)害為主[1]。針對泥石流災(zāi)害防治問題，現(xiàn)有的研究主要集中在防治工程結(jié)構(gòu)對泥石流漿體的攔截性能方面，而對泥石流固體物質(zhì)塊石的沖擊作用，尤其是抗沖擊新材料的應(yīng)用、多點(diǎn)沖擊等方面的研究較少。因此，探究一種施工方便、構(gòu)造簡易、抗沖擊性能良好的防治工程結(jié)構(gòu)，用來抵抗泥石流固體塊石的沖擊作用具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對泥石流災(zāi)害的防治進(jìn)行了大量的研究， 如Horiguchi等[2]采用三維離散元法對全尺寸跌落保護(hù)網(wǎng)進(jìn)行了碰撞響應(yīng)的數(shù)值模擬分析，并對保護(hù)網(wǎng)沖擊性能進(jìn)行了評價(jià)；Brighenti等[3]利用軟件模擬了簡化柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)在泥石流沖擊荷載作用下的能量耗散、構(gòu)件變形能力及鋼索應(yīng)力等，并對模擬值與理論推導(dǎo)值進(jìn)行了對比分析；Escallón等[4]研究了由柔性鋼絲網(wǎng)連接而成的崩塌障礙物攔擋結(jié)構(gòu)，并基于遺傳算法確定模型參數(shù)，模擬了落石屏障連接，相比過去的連接方式更精細(xì)且費(fèi)用更低，其模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了該方法的有效性；吳紅剛等[5]通過設(shè)置兩道柔性網(wǎng)和一道重力壩的新型柔性泥石流攔擋結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)，探究柔性攔擋結(jié)構(gòu)對不同的泥石流顆粒的防治效果；王秀麗等[6]提出受力合理的新型空間網(wǎng)格攔擋體系，考慮泥石流的隨機(jī)性，計(jì)算了多沖擊物作用于結(jié)構(gòu)不同位置時(shí)結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)；陽友奎等[7]針對落石防護(hù)和泥石流塊石防護(hù)等構(gòu)建了柔性防護(hù)系統(tǒng)，并結(jié)合試驗(yàn)研究，將柔性防護(hù)系統(tǒng)的理論逐漸完善，并應(yīng)用于實(shí)際工程，為防治泥石流災(zāi)害提供了參考；李俊杰等[8]結(jié)合常規(guī)的重力式攔擋壩，提出了一種帶鋼支撐的鋼-混凝土組合式攔擋結(jié)構(gòu),并通過固體沖擊荷載作用下的模型試驗(yàn),驗(yàn)證了該新結(jié)構(gòu)抗沖擊能力的優(yōu)越性；陳劍等[9]以 Hertz 接觸理論和結(jié)構(gòu)力學(xué)為基礎(chǔ)，建立了泥石流大塊石對橋梁的沖擊模型，推導(dǎo)出泥石流大塊石沖擊力修正計(jì)算公式，并驗(yàn)證了其合理性；王秀麗等[10]利用ABAQUS軟件對普通格柵壩和加無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋格柵壩對泥石流塊石的沖擊響應(yīng)進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明加無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋格柵壩比普通格柵壩具有更好的抗沖擊性能。

針對泥石流塊石災(zāi)害防治的問題，本文提出了一種簡易的新結(jié)構(gòu)——鋼絞線網(wǎng)與鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)(以下簡稱鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu))。該結(jié)構(gòu)利用鋼絞線具有大變形、高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)和鋼絞線組成網(wǎng)整體性好的優(yōu)點(diǎn)，以及鋼管混凝土結(jié)構(gòu)良好的抗震、抗沖擊性能，可對泥石流實(shí)現(xiàn)“水石分離”，攔截破壞力作用大的塊石沖擊，以減弱泥石流災(zāi)害。同時(shí)，本文利用ANSYS/LS-DYNA軟件通過建立鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)的有限元模型，對不同沖擊點(diǎn)位置、沖擊物速度和沖擊物質(zhì)量條件下鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)對泥石流塊石沖擊動力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

1 鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

1.1 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了防治泥石流塊石災(zāi)害，本文提出了鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)的泥石流災(zāi)害防治新結(jié)構(gòu)。該鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)中的鋼管混凝土柱為鋼絞線網(wǎng)的支撐，垂直交叉鋼絞線組成鋼絞線網(wǎng)懸于兩根鋼管混凝土柱之間構(gòu)成主要攔截泥石流塊石的構(gòu)件。針對甘肅省某小流域夾雜塊石的泥石流溝災(zāi)害頻發(fā)，進(jìn)行了鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)?？紤]到實(shí)體模型的試驗(yàn)場地、試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)有限，進(jìn)行數(shù)值模擬研究是常用手段，但由于計(jì)算機(jī)的內(nèi)存和計(jì)算能力有限，通常建議早期進(jìn)行縮尺模型的模擬分析，找出結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律，后期再進(jìn)行足尺模型的有限元模擬和試驗(yàn)研究。故本文選取鋼管混凝土柱水平間距為1.75 m、柱高為1.3 m；鋼管材質(zhì)為Q235，依據(jù)《結(jié)構(gòu)用無縫鋼管》(GB/T 8162—2008)，鋼管截面選取為φ159 mm×8 mm,其內(nèi)部填充混凝土，其強(qiáng)度等級為C25；鋼絞線依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015年版)，單根直徑為17.8 mm，類型為1×7股。建立的鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)模型示意圖，見圖1。

圖1 鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)模型示意圖(單位：mm)

1.2 結(jié)構(gòu)的有限元模型建立

1.2.1 有限元模型單元及材料模型選取

建立鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)的有限元模型時(shí)，考慮到在泥石流塊石沖擊作用下鋼絞線網(wǎng)可能會產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，故鋼絞線網(wǎng)采用Beam161單元；鋼管、混凝土采用Solid164單元；固體塊石因剛性較大，采用鋼球模擬，故選取Solid164單元，之所以選用鋼球下面會作出說明。

在快速沖擊加載條件下，許多金屬材料的屈服極限有明顯提高，且出現(xiàn)屈服滯后等現(xiàn)象，也存在應(yīng)變率效應(yīng)，因此鋼管、鋼絞線材料模型選用了考慮應(yīng)變率效應(yīng)的塑性隨動強(qiáng)化材料模型(Plastic Kinematic Model)，其中材料的應(yīng)變率效應(yīng)通過Cowper-Symonds模型實(shí)現(xiàn)，按下式來計(jì)算其屈服應(yīng)力[11]：

(1)

(2)

式中：vs為泥石流塊石的運(yùn)動速度(m/s)；α為全面考慮的摩擦系數(shù)(考慮泥石流重度、石塊密度、石塊形狀系數(shù)、溝床比降等因素)，且3.5≤α≤4.5，取平均值4.0；Dm為泥石流堆積物中塊石的粒徑(m)。

考慮泥石流中夾雜的塊石從山體滾下，為方便進(jìn)行有限元建模，將其簡化為圓形塊石，以直徑為2.5 m、密度為2 500 kg/m3的圓形塊石為例，則可推算出泥石流塊石的運(yùn)動速度為6.32 m/s，據(jù)此計(jì)算出塊石的質(zhì)量為25 751.93 kg，初始動能為408 854.17 J。若建立實(shí)體模型進(jìn)行有限元分析，必然對計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力要求較高，因此在此考慮縮尺模型進(jìn)行有限元分析，找到鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)對泥石流塊石的沖擊響應(yīng)規(guī)律。本文建立1.3 m的鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)，采用半徑分別為0.15 m、0.20 m和0.25 m的沖擊物，為了實(shí)現(xiàn)與實(shí)際泥石流塊石相同的沖擊效果，則使用鋼球代替泥石流塊石，這是因?yàn)殇撉蛎芏却?，若進(jìn)行室內(nèi)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)則更易于操作。根據(jù)胡桂勝等[15]對泥石流中大顆粒塊石的運(yùn)動速度分析，取塊石的沖擊速度為10 m/s。當(dāng)鋼球半徑為0.25 m、沖擊速度為10 m/s時(shí)，通過計(jì)算得到其沖擊的初始動能為25 676.00 J，與實(shí)際塊石沖擊的動能相差很大，為了探究實(shí)際塊石初始動能對鋼絞線網(wǎng)結(jié)構(gòu)的沖擊效果，采取改變沖擊物速度的方法，因?yàn)閷?shí)際中泥石流塊石從不同高度的山體滾下，其沖擊速度必然不同，其結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)也不同。當(dāng)鋼球直徑為0.25 m、沖擊速度為40 m/s時(shí)，其初始動能為410 816.00 J，與實(shí)際的動能相差不大。鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)有限元模型各構(gòu)件材料參數(shù)的選取，見表1。

1.2.2 有限元模型建立及網(wǎng)格劃分

本文利用ANSYS /LS-DYNA軟件對鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)建立有限元模型，并對模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。利用Booleans運(yùn)算，為了避免沙漏，網(wǎng)格劃分應(yīng)均勻，其中對鋼管采用映射劃分，網(wǎng)格劃分尺寸為40 mm；鋼絞線網(wǎng)格劃分尺寸為20 mm；混凝土采用自由劃分，網(wǎng)絡(luò)劃分尺寸為40 mm；固體塊石，即鋼球采用自由劃分，網(wǎng)格劃分尺寸為20 mm。以沖擊高度h=0.75 m，直徑為300 mm的塊石即鋼球沖擊鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)為例，其有限元模型網(wǎng)格劃分及邊界條件，見圖2。鋼管與內(nèi)部混凝土采用glue黏結(jié)在一起使其共同作用；沖擊鋼球與鋼絞線網(wǎng)之間的接觸采用點(diǎn)面自動接觸。鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)采取底部固結(jié)。

表1 鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)有限元模型各構(gòu)件材料參數(shù)的選取

圖2 塊石沖擊鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)的有限元模型網(wǎng)格劃分及邊界條件

塊石在距沖擊點(diǎn)前正方向0.30 m處，塊石沖擊過程中沖擊點(diǎn)位置見圖3。塊石沖擊點(diǎn)編號規(guī)則如下：沖擊高度h=0.45 m,從左到右塊石沖擊點(diǎn)編號依次為1、2、3；沖擊高度h=0.75 m,從左到右塊石沖擊點(diǎn)編號依次為4、5、6；沖擊高度為h=1.05 m,從左到右塊石沖擊點(diǎn)編號依次為7、8、9。

圖3 塊石沖擊鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)的沖擊點(diǎn)位置

2 鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)對泥石流塊石沖擊的動力響應(yīng)數(shù)值模擬分析

對鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)建立有限元模型，通過數(shù)值模擬，探究不同沖擊物沖擊點(diǎn)位置、沖擊物速度、沖擊物質(zhì)量條件下鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)對泥石流塊石沖擊的動力響應(yīng)。

本研究設(shè)置的計(jì)算工況如下：

(1) 沖擊點(diǎn)位置不同：工況S1-1～S1-9，沖擊物沖擊點(diǎn)位置分別為沖擊點(diǎn)1至沖擊點(diǎn)9，相同沖擊速度v為10 m/s，沖擊物半徑R1為0.15 m，沖擊物質(zhì)量M1為110.92 kg，被沖擊鋼絞線直徑d為17.8 mm；

(2) 沖擊物速度不同：工況S2-1～S2-6，沖擊位置為沖擊點(diǎn)5，沖擊物半徑R2為0.20 m，沖擊物質(zhì)量M2為262.92 kg，被沖擊鋼絞線直徑d為17.8 mm，沖擊速度v分別為10 m/s、16 m/s、22 m/s、28 m/s、30 m/s、34 m/s；

(3) 沖擊物質(zhì)量不同：工況S3-1、S2-3和S3-2，塊石沖擊點(diǎn)位置為沖擊點(diǎn)5，相同沖擊物速度v為22 m/s，沖擊物半徑不同，即R1為0.15 m、R2為0.20 m和R3為0.25 m。

通過對上述工況分別建立有限元模型，分析不同因素影響下鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)在不同工況時(shí)的動力響應(yīng)。

2.1 沖擊物沖擊點(diǎn)位置不同

泥石流作為常見的地質(zhì)災(zāi)害，其中塊石沖擊的沖擊力是造成災(zāi)害的主要因素，而在實(shí)際的地質(zhì)災(zāi)害中塊石沖擊并不僅僅對某一點(diǎn)進(jìn)行沖擊，其沖擊具有隨機(jī)性和多點(diǎn)性，故對鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)的多個(gè)沖擊點(diǎn)，即不同的沖擊點(diǎn)位置下塊石沖擊的動力響應(yīng)研究具有重要意義。針對工況S1-1～S1-9，通過數(shù)值計(jì)算得到在不同沖擊點(diǎn)位置下鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)見圖4。其中，圖4(a)為統(tǒng)計(jì)不同工況下鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)的沖擊力峰值；圖4(b)為統(tǒng)計(jì)不同工況下塊石在沖擊點(diǎn)5處鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)的位移峰值；圖4(c)為統(tǒng)計(jì)不同工況下塊石在沖擊點(diǎn)5處結(jié)構(gòu)的加速度峰值。

圖4 不同沖擊點(diǎn)位置下鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)對塊石沖擊的動力響應(yīng)

由圖4可以看出：

(1) 相同沖擊物，以相同速度10 m/s沖擊鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的沖擊力峰值響應(yīng)不同，同一沖擊高度時(shí)，如工況S1-1、工況S1-2和工況S1-3，結(jié)構(gòu)中間點(diǎn)處沖擊力峰值相比兩側(cè)點(diǎn)要小，這是由于兩側(cè)離鋼管混凝土柱支撐較近，相對剛度較大，結(jié)構(gòu)沖擊力峰值響應(yīng)??；工況S1-2、工況S1-5和工況S1-8，隨著沖擊高度的增加，結(jié)構(gòu)受下部約束能力減弱，結(jié)構(gòu)沖擊力峰值響應(yīng)減小[見圖4(a)]。

(2) 統(tǒng)計(jì)沖擊點(diǎn)5處不同工況下鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)的位移峰值、加速度峰值響應(yīng)，其變化規(guī)律基本一致，即在同一沖擊高度時(shí)，結(jié)構(gòu)中間點(diǎn)處位移峰值、加速度峰值相比兩側(cè)點(diǎn)的要大；在不同沖擊高度時(shí)，如工況S1-1、工況S1-4和工況S1-7，隨著沖擊高度的增加，結(jié)構(gòu)的位移峰值、加速度峰值增大;反之，則減小[見圖4(b)和圖4(c)]。

2.2 沖擊物速度不同

由于泥石流災(zāi)害中塊石從不同高度的山體滾下，導(dǎo)致其具有不同的沖擊速度，而塊石不同的沖擊速度在與鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)接觸時(shí)，會造成其結(jié)構(gòu)不同的沖擊響應(yīng)。

2.2.1 結(jié)構(gòu)的能量響應(yīng)分析

對不同工況S2-1～S2-4下鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了能量分析。撞擊前，沖擊物半徑一定，即沖擊物的質(zhì)量一定，此時(shí)分析的唯一變量是沖擊物速度，但由沖擊物動能的計(jì)算公式可知，沖擊發(fā)生之前沖擊物的初始動能不同。不同工況下沖擊物的初始動能見表2。

表2 不同工況下沖擊物的初始動能

塊石與鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)發(fā)生沖擊，即塊石與鋼絞線發(fā)生碰撞，碰撞問題是描述接觸時(shí)間很短但接觸力卻很大的瞬時(shí)接觸過程，而發(fā)生碰撞后，主要是沖擊物的動能發(fā)生了變化，其轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)中其他構(gòu)件的能量。不同工況下沖擊物的動能變化及工況S2-1下結(jié)構(gòu)的能量變化，見圖5。

圖5 鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)的能量響應(yīng)時(shí)程曲線

由圖5(a)可見，沖擊物的動能變化規(guī)律是：沖擊未接觸時(shí)，由最大值保持不變；當(dāng)發(fā)生接觸時(shí)，沖擊物動能迅速降低，由于接觸間力的作用，沖擊物以一定的速度反向運(yùn)動，仍有一些動能；接觸結(jié)束后，沖擊物速度恒定，以一定的動能保持不變。

將沖擊物的初始動能曲線與沖擊物穩(wěn)定時(shí)的動能曲線進(jìn)行比較可知，當(dāng)沖擊物速度較低時(shí)，沖擊物最后穩(wěn)定時(shí)的動能卻更大，即說明鋼絞線能夠較好地?cái)r截低速度沖擊物；而對于高速度沖擊物，沖擊物的動能在沖擊發(fā)生之后剩余動能較少，說明沖擊物的動能向結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件發(fā)生了能量轉(zhuǎn)化，因?yàn)槟芰坎豢赡軕{空消失，可能通過其他構(gòu)件發(fā)生了耗散。

由圖5(b)可見，工況S2-1下的結(jié)構(gòu)總能量在沖擊物沖擊前后保持不變；沖擊物的動能向結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件發(fā)生能量轉(zhuǎn)化時(shí)，轉(zhuǎn)化的內(nèi)能多于動能，其中鋼管獲得的內(nèi)能最多，即鋼管在沖擊物沖擊時(shí)通過自身變形獲得能量，鋼絞線也獲得了較多的內(nèi)能；沖擊物沖擊在10.5 ms發(fā)生接觸，在43.5 ms沖擊物動能達(dá)到最低點(diǎn)，即沖擊持續(xù)了33 ms；結(jié)構(gòu)中的其他構(gòu)件在33 ms內(nèi)獲得能量，而鋼絞線先于其他構(gòu)件獲得能量，這是因?yàn)樗苯优c沖擊物接觸，并通過應(yīng)力波在介質(zhì)中傳播，傳到結(jié)構(gòu)中其他構(gòu)件，而支撐構(gòu)件柱獲得的能量更多；在43.5 ms之后，接觸變?nèi)?，結(jié)構(gòu)各構(gòu)件獲得的能量會降低，但由于鋼絞線質(zhì)量輕，振蕩幅度大，獲得的能量會略有增加。

2.2.2 結(jié)構(gòu)中沖擊點(diǎn)處鋼絞線的軸向力響應(yīng)分析

本文對不同工況S2-1～S2-4下鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)在沖擊點(diǎn)處附近的橫向鋼絞線單元H21910和豎向鋼絞線單元S22090的軸向力響應(yīng)時(shí)程曲線進(jìn)行分析，鋼絞線上單元的提取點(diǎn)見圖6(a)，鋼絞線單元H21910和S22090的軸向力時(shí)程曲線見圖6(b)和圖6(c)。

由圖6(b)和圖6(c)可見：

圖6 不同工況下鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)在沖擊點(diǎn)處鋼絞線單元的軸向力響應(yīng)時(shí)程曲線

(1) 單元H21910和S22090的軸向力時(shí)程曲線中鋼絞線的軸向力都是先由0增加到最大再減小，最后在0附近振蕩，這是因?yàn)殇摻g線未與沖擊物接觸時(shí)其軸向力為0，隨著接觸的發(fā)生，其軸向力增加，鋼絞線變形達(dá)到最大后起到了攔截泥石流塊石的作用；而沖擊物的反向運(yùn)動，使鋼絞線的軸向力減小，后來接觸結(jié)束，鋼絞線獲得一定動能，其軸向力在0附近振蕩。

(2) 在工況S2-4下橫向鋼絞線軸向力最大值為455.05 kN>270 kN，其鋼絞線發(fā)生斷裂，在工況S2-2、工況S2-3下，橫向鋼絞線處于斷裂邊緣,而在工況S2-1下橫向鋼絞線的軸向力未達(dá)到單根鋼絞線的拉斷力；不同工況下縱向鋼絞線軸向力均小于160 kN,未達(dá)到單根鋼絞線的拉斷力；不同工況下，隨著沖擊物速度的增加，鋼絞線的軸向力增加，直到鋼絞線出現(xiàn)斷裂。

2.2.3 結(jié)構(gòu)沖擊點(diǎn)處的位移響應(yīng)分析

本文通過數(shù)值分析，計(jì)算工況S2-1～S2-4下，不同沖擊物速度時(shí)鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)在沖擊點(diǎn)處的位移響應(yīng)時(shí)程曲線，見圖7。

圖7 不同沖擊物速度下鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)在沖擊點(diǎn)處的位移響應(yīng)時(shí)程曲線

由圖7可見，隨著沖擊物速度的增加，即沖擊物沖擊前的能量越大，鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)發(fā)生沖擊時(shí)，結(jié)構(gòu)中鋼絞線網(wǎng)會表現(xiàn)出更大的沖擊響應(yīng)；各工況下，隨著沖擊物速度的增加，其結(jié)構(gòu)沖擊點(diǎn)處的位移峰值分別為215 mm、287 mm、342 mm和386 mm，位移增幅分別為33.5%、18.9%和13.1%，故隨著沖擊物速度的增加，結(jié)構(gòu)沖擊點(diǎn)處的位移峰值增加，但其位移增幅降低。

2.2.4 結(jié)構(gòu)破壞模式分析

本文通過數(shù)值分析對不同工況S2-4～S2-6下，即半徑為R2(0.20 m)的沖擊物分別以28 m/s、30 m/s和34 m/s的沖擊速度沖擊鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)，分析其沖擊的破壞過程，可以將鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)的破壞模式分為三種：模式一，鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)中少量橫向鋼絞線發(fā)生斷裂，但仍起到攔截泥石流塊石的作用；模式二，鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)中多根橫向鋼絞線發(fā)生斷裂，泥石流塊石穿出，起不到攔截的作用；模式三，鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)中多根橫向鋼絞線發(fā)生斷裂，縱向鋼絞線也發(fā)生斷裂，泥石流塊石穿出，起不到攔截的作用。具體的破壞模式詳見圖8。

圖8 工況S2-4、S2-5和S2-6下不同沖擊物速度時(shí)鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)的破壞模式

由圖8可見，鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)在半徑為R2的沖擊物以34 m/s的速度沖擊下，結(jié)構(gòu)中橫向和縱向鋼絞線發(fā)生斷裂，結(jié)構(gòu)起不到攔截泥石流塊石的作用，說明單根鋼絞線組成的鋼絞線網(wǎng)對泥石流塊石的攔截具有局限性。本次數(shù)值計(jì)算中只考慮了單根直徑為17.8 mm的鋼絞線，但在實(shí)際工程往往是多根鋼絞線共同使用,后期會研究多根鋼絞線的鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)對泥石流塊石沖擊的動力響應(yīng)。

2.3 沖擊物質(zhì)量不同

泥石流災(zāi)害多因連續(xù)突降暴雨、突發(fā)地震或地震后的余震，引起山體土質(zhì)、石頭等松動而誘發(fā)形成，泥石流塊石的沖擊具有突發(fā)性、偶然性和不確定性，不同大小的塊石從山體滾下，針對不同的沖擊物質(zhì)量，必然會造成同一鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)的不同沖擊響應(yīng)。本文通過數(shù)值分析，計(jì)算工況S3-1、S2-3和S3-2下不同沖擊物質(zhì)量沖擊時(shí)鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)。

2.3.1 結(jié)構(gòu)的沖擊力響應(yīng)分析

結(jié)構(gòu)的沖擊力體現(xiàn)結(jié)構(gòu)在沖擊過程的受力情況，針對工況S3-1、S2-3和S3-2，通過數(shù)值計(jì)算得到不同沖擊物質(zhì)量沖擊下鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)的沖擊力響應(yīng)時(shí)程曲線，見圖9。

圖9 不同沖擊物質(zhì)量沖擊下鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)的沖擊力響應(yīng)時(shí)程曲線

由圖9可見，隨著沖擊物半徑的增加，即沖擊物質(zhì)量的增加，鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)的沖擊力增加，反之，結(jié)構(gòu)的沖擊力減??；半徑為0.20 m和0.25 m的沖擊物，其以22 m/s的速度沖擊鋼絞線網(wǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)的沖擊力大于270 kN,鋼絞線網(wǎng)塑性應(yīng)變達(dá)到0.05，會發(fā)生斷裂。

2.3.2 結(jié)構(gòu)沖擊點(diǎn)處的位移響應(yīng)分析

針對工況S3-1、S2-3和S3-2,本文通過數(shù)值計(jì)算得到不同半徑的沖擊物沖擊下鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)沖擊點(diǎn)處的位移響應(yīng)時(shí)程曲線，見圖10。

圖10 不同半徑的沖擊物沖擊下鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)時(shí)程曲線

由圖10可見，隨著沖擊物半徑的增加，鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)沖擊點(diǎn)處位移時(shí)程響應(yīng)增加，反之減少；隨著沖擊物半徑的增加，沖擊點(diǎn)處的位移峰值依次為255 mm、342 mm和418 mm；由255 mm到342 mm結(jié)構(gòu)的位移增幅為34%,再由342 mm到418 mm結(jié)構(gòu)的位移增幅為22%，可見鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)的位移峰值增加，但增幅降低。

2.3.3 結(jié)構(gòu)中鋼絞線的軸向力分析

針對工況S3-1、S2-3和S3-2，本文通過數(shù)值計(jì)算得到鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)中鋼絞線的軸向力云圖，見圖11。

圖11 不同半徑的沖擊物沖擊下鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)中鋼絞線的軸向力云圖

由圖11可以得出如下結(jié)論：①鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)中鋼絞線在沖擊物沖擊過程中發(fā)生大變形，體現(xiàn)了鋼絞線良好的變形能力；②結(jié)構(gòu)沖擊點(diǎn)所在高度的橫向鋼絞線軸向力最大，先達(dá)到規(guī)范中單根鋼絞線的拉斷力；③隨著沖擊物半徑的增加，鋼絞線軸向力的最大值增加，即鋼絞線軸向力的最大值分別為254.4 kN、327.9 kN和350.3 kN；④由于橫向和縱向鋼絞線組成的鋼絞線網(wǎng)整體性好，鋼絞線的軸向力大于規(guī)范中單根鋼絞線的拉斷力。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種簡易的新結(jié)構(gòu)——鋼絞線網(wǎng)與鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)(簡稱鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu))用于防治泥石流塊石的沖擊，該鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)可攔截泥石流中夾雜的塊石，減弱泥石流災(zāi)害中塊石的沖擊。利用ANSYS/LS-DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，探究在塊石不同沖擊點(diǎn)位置、沖擊物速度和沖擊物質(zhì)量條件下鋼絞線網(wǎng)組合結(jié)構(gòu)對泥石流塊石沖擊的動力響應(yīng)規(guī)律,得到如下結(jié)論：

(1) 不同沖擊點(diǎn)位置的沖擊力峰值分析顯示：在同一沖擊點(diǎn)高度下，結(jié)構(gòu)中間點(diǎn)處的沖擊力峰值小于結(jié)構(gòu)兩側(cè)點(diǎn)的沖擊力峰值，即結(jié)構(gòu)兩側(cè)沖擊點(diǎn)受約束強(qiáng)，結(jié)構(gòu)沖擊力峰值大，而結(jié)構(gòu)中間點(diǎn)受約束弱，沖擊力峰值小；隨著沖擊點(diǎn)位置高度的增加，結(jié)構(gòu)沖擊力峰值減小，即沖擊點(diǎn)位置高，結(jié)構(gòu)受約束弱，結(jié)構(gòu)沖擊力峰值小。

(2) 同一沖擊物，同一沖擊點(diǎn)，在沖擊物低速度沖擊過程中，結(jié)構(gòu)的沖擊能量守恒，沖擊物的初始動能轉(zhuǎn)化為鋼絞線、鋼管和混凝土的動能和內(nèi)能，且內(nèi)能大于動能，沖擊物還有剩余動能；在沖擊物高速度沖擊時(shí)，結(jié)構(gòu)沖擊點(diǎn)附近，橫向鋼絞線的軸向力先達(dá)到最大，先發(fā)生斷裂，當(dāng)橫向鋼絞線和縱向鋼絞線都斷裂時(shí)，結(jié)構(gòu)起不到攔截泥石流塊石的作用，說明單根鋼絞線組成的鋼絞線網(wǎng)對泥石流塊石的攔截作用具有局限性，考慮實(shí)際工程中可能多根鋼絞線一起使用，后期會研究多根鋼絞線組成的鋼絞線網(wǎng)的沖擊響應(yīng)。

(3) 將結(jié)構(gòu)沖擊力的時(shí)程曲線與尖峰型脈沖荷載的時(shí)程曲線進(jìn)行比較，驗(yàn)證了固體塊石沖擊結(jié)構(gòu)符合尖峰型脈沖的沖擊特性。不同沖擊物質(zhì)量下結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)模擬顯示：隨著沖擊物質(zhì)量的增加，結(jié)構(gòu)的沖擊力增加，結(jié)構(gòu)受到的沖擊力的持續(xù)時(shí)間增加，說明結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊時(shí)，將沖擊物的動能轉(zhuǎn)化為其它構(gòu)件的能量，其中鋼絞線網(wǎng)發(fā)生大變形，以起到抵抗塊石沖擊的作用。不同沖擊物速度下結(jié)構(gòu)沖擊點(diǎn)處的位移響應(yīng)模擬顯示：隨著沖擊物速度、沖擊物質(zhì)量的增加，結(jié)構(gòu)的位移峰值增加，但結(jié)構(gòu)位移每次增加的幅度則降低，但其幅度都在10%以上。

(4) 由沖擊物沖擊后結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)模擬分析可知，沖擊物的質(zhì)量是主要因素，即沖擊速度一定時(shí)，沖擊物質(zhì)量越大，結(jié)構(gòu)受到的初始動能越大，結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)也越大。