抗落石冲击棚洞结构研究.docx

分类号 单位代码 10618
密级公开学号 2130960019

专业硕士学位论文
抗落石冲击棚洞结构研究
研究生姓名: 田龙平
导师姓名及职称: 叶四桥教授


申请专业学位类别工程硕士学位授予单位重庆交通大学
论文提交日期 2016 年 6 月 12 日
专业领域名称水利工程论文答辩日期 2016 年 6 月 3 日
2016年 6 月 13 日
Research on Anti Rockfall Impact
Shed-tunnel Structure
A Dissertation Submitted for the Degree of Master
Candidate:Tian Longping
Supervisor:Prof. Ye Siqiao
Chongqing Jiaotong University, Chongqing, China

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摘要
棚洞作为一种落石被动防护结构,在工程中得到了广泛应用。但其结构的抗冲击动力响应问题、结构形式的优化分析有待进一步研究。本文依托国家自然基金(编号:51108488),运用数值模拟方法,分析了不同结构形式棚洞的抗落石冲击动力响应,得到较优的棚洞结构形式为半拱斜柱式棚洞;对半拱斜柱式棚洞结构做了进一步优化;做了不同棚洞结构形式下的落石冲击力对比分析。取得的主要研究成果如下:
(1)半拱斜柱式棚洞、门式斜柱式棚洞、半拱直柱式棚洞以及门式直柱式棚洞结构在落石竖向冲击棚洞洞顶时,棚洞结构产生的最大等效应力均在柱结构处。相同条件下,半拱斜柱式棚洞结构产生的最大等效应力最小、拱顶沉降量最小,即半拱斜柱式棚洞为较优的棚洞结构形式。对于斜柱式棚洞,结构最大等效应力分布从大到小为:柱顶端内侧>柱底端内侧>托梁顶端内侧>落石冲击位置下方。随着棚洞结构形式的不同,落石最大冲击力由大到小为:门式直柱式>门式斜柱式>半拱斜柱式>半拱直柱式。落石冲击力大小不仅受落石、垫层、棚洞消能材料等的影响,同时受棚洞结构的形式差异影响也较大,建议在落石冲击力的计算中考虑结构形式这一重要影响因素。
(2)在不同落石冲击位置下,半拱斜柱式棚洞结构的最大等效应力差异较大。落石冲击位置横向越靠近斜柱,结构等效应力越大,且远大于其他位置。故结构最不利的冲击位置为斜柱顶部附近,建议在棚洞结构的设计中,考虑落石冲击位置的不同造成的结构动力响应差异。
(3)在不同落石冲击角度冲击下,半拱斜柱式棚洞结构的最大等效应力差异较大。最大等效应力随冲击角度的变化从大至小依次为:45°>15°>30°>60°>0°,即在落石冲击角度为45°时,棚洞结构产生的最大等效应力最大。同时,落石法向冲击力随落石冲击角度的增大而减小,落石切向冲击力随落石冲击角度的增大呈现先增加后减小的趋势,在角度为45°时切向冲击力达到最大值。建议在棚洞结构设计中,以落石45°冲击角度做为结构安全性的控制标准。
(4)半拱斜柱式棚洞在柱斜率为1:0时结构最大等效应力最大,柱斜率为1:,柱斜率为1:。柱斜率为1:0时顶板垂向位移最大,柱斜率为1:,柱斜率为1:。建议半拱斜柱式棚洞斜柱斜率较优的取值