基于能量匹配原理的防落石被动柔性防护网系统设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及被动柔性防护网的新型设计方法，属于边坡防护工程领域。
【背景技术】
[0002] 近年来，边坡落石对交通安全和生命财产安全造成了严重的威胁，柔性防护网在 落石防治中扮演了重要的角色。柔性防护系统主要分为主动柔性防护系统和被动柔性防护 系统。其中，被动防护系统是由拦截结构（钢丝绳网或环形网，需拦截小块落石时附加一层 铁丝格栅）、支撑结构（钢柱）、连接结构（包含拉锚绳、支撑绳）、耗能装置（减压环）、基 础五个主要部分构成。钢柱和钢丝绳网连接组合构成一个整体，对所防护的区域形成面防 护，从而阻止崩塌岩石土体的下坠，起到边坡防护作用。系统的柔性和拦截强度足以吸收和 分散传递预计的落石冲击动能，耗能装置的设计和采用使系统的抗冲击能力得到进一步提 高，适用于建筑设施旁有缓冲地带的高山峻岭，把岩崩、飞石、雪崩、泥石流拦截在建筑设施 之外，避开灾害对建筑设施的毁坏。
[0003] 目前国内仅有《铁路沿线斜坡柔性安全拦截网》（TB/T 3089-2004)和《公路边坡 柔性防护系统构件》（JT/T 528-2004)这两部行业标准用于工程设计指导。在这两部标准 中，对产品的检验，如钢丝绳、卡扣、减压环等给出了静力检验的方法和要求。但未对系统的 整体配置提出要求，也未涉及到相应的设计方法和理论。这导致实际使用时只是简单的根 据防护能级进行配件选型，缺乏柔性网整体协同工作状态下的性能把握，包括其整体传力 耗能机理、运动变形控制、结构体系布置和适用于具体条件的构件设计。
[0004] 柔性拦截网工作过程中伴随强冲击、大运动、大变形、分离-接触-分离等高度非 线性问题。这些非线性问题由防护网结构的不同传力构件分别承担，柔性拦截网直接承载 边坡落石等块状物冲击，并将力传递给其他构件。钢柱作为支撑结构其主要作用是使柔性 拦截网保持所需要的几何形状。钢丝绳起到当柔性拦截网受冲击时，将冲击力传递至地基 的作用。这些部件各施其职，互有影响，从而组成一个完整耗能结构体系，耗散掉冲击产生 的冲击动能。
[0005] 鉴于此，急需开展相应的被动柔性防护系统的深入研究，明确其传力机理和受力 特点，构建其结构设计理论，实现"可设计及可靠设计"，这对提高落石灾害的防护效果，减 少灾害损失，规范行业技术体系有着迫切的实际意义。因此，该领域的研究具有十分重要的 意义。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供基于能量匹配原理的防落石被动柔性防护网系统设计方法， 该方法能够解决现有柔性防护网系统缺乏整体结构协同工作状态下的性能把握的问题，以 保证防护网能够达到满足其设计要求的防护能力。
[0007] 本发明的上述目的通过如下技术方案来实现，基于能量匹配原理的防落石被动柔 性防护网系统设计方法，包括如下步骤：
[0008] 步骤（1):明确能量耗散比例关系
[0009] 根据能量匹配原理，明确被动柔性防护网结构各部件的能量耗散比例关系，即：
[0013] 上式中，Ek是设计防护能级对应的冲击能量，根据防护网工程前期的勘察评估结 果确定；Esd是支撑绳耗能装置的总耗能能力；E ad是拉锚绳耗能装置的总耗能能力；E f为 结构系统的阻尼耗能；ES为结构构件的弹塑性耗能；η i是各部件的耗能比例系数，i = 1,2, 3,4 ；
[0014] 步骤（2):对各部件进行选型及布置
[0015] 根据不同部件的能量耗散比例关系，选择各位置处包括拦截结构中网片的类型和 网孔的大小、支撑结构中钢柱的截面形式及尺寸、连接结构中钢丝绳的根数和截面尺寸、耗 能装置的数量和连接方式；
[0016] 步骤（3):建立有限元计算模型
[0017] 根据步骤（1)中能量耗散比例关系，通过有限元方法建立考虑初始垂度的显式动 力学计算模型，该模型在落石冲击作用下应能再现被动柔性防护网结构实际工作中的物理 特征，计算模型的跨数不应小于三跨；
[0018] 步骤（4):对计算模型进行冲击加载，并对动力响应进行分析
[0019] 根据防护网的设计防护能级对应的冲击能量，并确定相应的冲击试块质量及冲击 速度；在冲击过程中，记录和分析结构中各部件的内力、变形及位移的时程变化，并确定其 峰值，当出现组件内力峰值过大的时候，结合实际进行调整；记录各组件的耗能，与初始能 力匹配关系进行对比校验，误差不超过±5% ;
[0020] 步骤（5):进行被动柔性防护网的内力和变形验算
[0021 ] 提取各组件在冲击过程中的峰值内力，进行立柱的强度和稳定性验算，进行支撑 绳、拉锚绳强度验算以及遭受冲击部位网环的抗拉强度验算；验算并保证防护网整体结构 的最大变形〇_不超过防护限界所要求的变形限值[D];
[0022] 步骤（6):进行被动柔性防护网的构造设计
[0023] 上述步骤（1)中的能量匹配原理是指，根据模型试验和理论分析结果得到的防护 网中各部件的合理耗能分配比例，并根据该比例逆向进行部件初步选配的设计原理。
[0024] 上述步骤（2)中的不同部件的能量耗散比例关系，用于确定耗能装置的数量和分 布，不同位置处的耗能装置数量应满足下式要求：
[0025] 其中，η是耗能比例系数，β是考虑耗能装置未充分工作的调整系数，Ek是设计 防护能级对应的冲击能量；Fst是单个耗能装置的最小启动力，启动力大小介于与其相连的 钢丝绳最小破断拉力的10% -50%之间；单个耗能装置最大变形量。
[0026] 根据以上公式计算得到的支撑绳上耗能装置的数量nsd为整体结构的支撑绳上耗 能装置总数量，实际取值时应保证上、下支撑绳以及端支撑绳上的耗能装置对称布置，取值 结果应为4的倍数；根据以上公式计算得到的拉锚绳上耗能装置的数量nad为与被冲击跨两 端立柱相连的上拉锚绳上的耗能装置数量，实际取值应为4的倍数。
[0027] 上述步骤（3)中的有限元计算模型还包括，有限元计算模型应能再现被动柔性防 护网在高速冲击作用下的强非线性问题的分析要求，并构建了相应的边界力学模型。
[0028] 上述步骤（3)中所述的考虑初始垂度是指确定有限元模型仅在自重作用下的初 始形状，通过基于有限元方法的找形分析实现。
[0029] 上述步骤（4)中的冲击加载采用动力理论，试块与网片接触时的冲击速度不小于 25m/s〇
[0030] 上述步骤（5)中的防护网结构中各构件内力的控制标准应满足：
[0031] 网片中的最大拉力Tn应满足1. 2T Fbn，Fbn为网片最小破断拉力；
[0032] 支撑绳和拉锚绳中的最大拉力Tr应满足1. 5T F。，F。为钢丝绳最小破断拉力；
[0033] 立柱中的最大应力应满足1.4(，式中，N为立柱轴心压力，A为立柱的毛截面面积， Mx，My分别为同一截面处绕X轴和y轴的弯矩，W nx，Wny为对X轴和y轴的净截面模量，γ x， yy为截面塑性发展系数，对工字形截面，γ x= 1. 05, γ y= 1. 20,对箱型截面，γ χ= γ y = 1. 05, f为钢材的抗弯强度设计值。
[0034] 上述步骤（5)中立柱的稳定性验算应满足：
[0035] 式中，为参数，，Ay为构件截面对y轴的长细比，EA为抗拉刚度常数；为弯矩作用 平面内的轴心受压构件稳定系数，为在弯矩作用平面内较大受压纤维的毛截面模量，A为立 柱的毛截面面积，N为立柱轴心压力，MyS同一截面处绕y轴的弯矩，γ y为截面塑性发展系 数，f为钢材的抗弯强度设计值。
[0036] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0037] (1)本发明首次提出了被动柔性防护网结构的设计方法，明确了被动柔性防护网 结构的设计流程，使得该类结构的设计有据可依，是对现有技术的极大补充和完善。
[0038] (2)根据结构受力机理和性能曲线，采用能量匹配的设计原则，确定结构中主要耗 能装置的规格、数量及分布，从而使得整个体系更加科学合理。
[0039] (3)基于有限元计算方法，明确了建立设计计算模型的基本原则，使其更具备可操 作性。
[0040] (4)以构件强度、稳定性作为设计验证控制指标，并给予各构件足够的