柔性被动拦截网结构力学性能研究

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近30年来,我国成为全球地质灾害最严重的国家之一。针对量大面广的落石、崩塌等地质灾害,学者和工程师们提出了多种应对措施和方法,其中,柔性拦截网就是一种被广泛使用的防护措施。但是,使用表明柔性拦截网在实际工程中屡屡出现系统破坏、拦截失效等问题,其原因在于当前国内对柔性拦截网结构的工作机理认识不清,缺少有效的技术控制,加之其本身具有非常复杂的结构行为,研究成果甚少。据此,以柔性被动柔性拦截网结构为研究对象,采用足尺试验与理论分析相结合的方式,对其冲击试验方法、计算理论、结构力学行为和设计方法等问题展开研究,主要研究内容和取得成果如下:其一,开展了被动柔性拦截网结构抵抗落石冲击的足尺试验。获得了拦截网结构遭受到落石冲击作用后,全过程受力、传力、变形及运动特征,通过对高速摄像解构,得到了整体系统的变形、运动规律,揭示了主要构件的关键力学行为。其二,建立了被动柔性拦截网结构的数值计算理论。结合国内外相关的构件力学行为试验研究数据,并依据被动柔性拦截网结构的整体工作性态,提出了网片的两阶段恢复力模型、减压环的三阶段非线性模型以及支撑索的大位移滑移模拟方法,基于此,数值分析可再现被动柔性拦截网结构抵抗落石冲击的全过程行为。相关试验结果的比对验证了理论计算的正确性和有效性,为进一步拓展研究奠定了坚实理论基础。其三,揭示了柔性被动拦截网结构的三阶段运动变形模式。具体表现为:落石冲击后,钢丝绳网片的初始张紧阶段;网片大规模运动以及耗能系统的启动,系统整体的拦截滑移阶段;支撑结构的运动,耗能系统的全面启动,系统的整体偏摆阶段。每一个运动变形阶段,皆有相应的结构受力、传力特征与之匹配。其四,提出了被动柔性拦截网结构的自适应变张力结构属性的理论定义。该理论可完整描述柔性网结构的张力刚度在冲击过程中的变化特征:落石冲击接触前为弱张力状态,张力刚度仅维持初始形状:落石冲击发生后的一定时段为张力增长状态;耗能子系统启动后,为准定常张力状态;耗能系统启动完毕后再过渡到张力增长状态;最后为破断状态。据此提出了被动柔性拦截网结构的归一化性能曲线模型。最后,建立了基于能量匹配的工程设计方法。该套设计方法根据组成部件合理的能量匹配比例,针对每一种部件,采用理论解析,并结合结构力学以及材料力学,完成其耗能配置设计,形成了柔性被动拦截网结构的工程设计方法,实现了柔性被动拦截网结构的“可设计”与“简便设计”。试验数据和数值计算结果的证明了该方法的可靠性。
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