拱架金属网组合柔性棚洞的应用基础研究

In order to overcome construction difficulty and to reduce costs of the conventional concrete rock-shed, and satisfy the emergency construction and maintenance, a new type flexible rock-shed made of flexible nets held up by specially designed steel vaulted structure is proposed by some investigators. Due to the design theory for this new structure is in the black stage, the program is carried out to study the flexible rock-shed in detail. Firstly, the tests and the theory analysis will be implemented on the ring nets and the calculation method of the energy dissipation will be deduced. Then the detail finite element models of the ring nets and flexible rock-shed will be developed for impact analysis by the rockfall, and the results will be compared with the experimental data obtained by full-scale model test completed before to validate the reliability of the numerical method. Secondly the numerical method will be employed to analyze the energy dissipation mechanism and the load transfer law by parametric study and to optimize the structure and composition of the flexible rock-shed. Then the full-scale model will be manufactured according to the optimum design and tested to validate the results of the numerical simulation for optimum design and the design rules of the steel vaulted structure, support system and the layout of the internal components will be put forward. Finally, the research about design calculation method for the flexible rock-shed will be carried out to solve the the basic theory problem. The achievements of the program research will establish an excellent engineering application foundation for the flexible rock-shed and have important academic value and theoretical value and a good application prospect.

为克服钢筋混凝土结构式棚洞施工难度大、费用高等不足，满足快速抢修抢建要求，目前有研究者提出了由拱架和金属网组成柔性棚洞的概念。由于柔性棚洞属于新型防落石结构形式，其设计理论还处于空白阶段。为此本项目首先对环形网开展试验和理论研究，提出其耗能性能的计算方法。结合项目组已完成的柔性棚洞足尺模型试验，建立环形网和柔性棚洞的数值模型，开展其在落石冲击下的数值分析，并与试验结果进行对比，验证数值方法的可靠性；其次利用数值方法对柔性棚洞的耗能机理、传载规律进行参数化分析，优化棚洞的结构形式和组成方式，并按照优化方案制作足尺模型进行试验验证。在此基础上探索柔性棚洞中钢拱架及支撑体系的最优结构形式及内部构件的合理布置方式等，提出柔性棚洞的设计准则；最后开展柔性棚洞的设计计算理论研究，解决设计时的基础理论问题。项目研究成果将为柔性棚洞的工程化应用奠定良好的技术基础，具有重要的学术和理论价值，应用前景广阔。

拱架金属网组合柔性棚洞属于新型防落石结构形式，其设计理论还处于空白阶段。为此，本项目综合利用模型试验、数值模拟和理论分析方法开展柔性棚洞的应用基础研究，从已有单开间单跨柔性棚洞设计方案和足尺模型试验研究基础入手，开展柔性棚洞的耗能机理、传载规律的研究，优化其结构形式及组成方式，并以此为基础探索柔性棚洞设计中的一般规律，提出柔性棚洞的设计准则和设计计算理论。取得的主要研究进展如下：（1）推导了环形网中单个圆环等效截面的理论计算公式，推导了单个圆环在四点和六点受拉荷载作用下耗能性能的理论公式，建立了环形网的数值模型，提出了选择环形网组合形式的标准，推导了四边约束条件下环形网耗能性能的理论评估公式；（2）建立了单开间单跨柔性棚洞的数值模型，并与试验结果进行了对比分析，验证了数值模型的可靠性；（3）利用单开间单跨柔性棚洞数值模型对其进行了参数化分析和整体性能研究，考察了棚洞内纵向支撑、加劲板设置、支撑绳设置及单个圆环的盘结圈数以及冲击动能相同情况下落石冲击位置的变化、截面尺寸的变化、冲击速度的变化、冲击方式的变化对其耗能、传载和整体防护效果的影响，优化了单开间单跨柔性棚洞的组成方式和结构形式，提出了单开间单跨柔性棚洞的一般设计准则和设计理论；（4）提出了三开间单跨柔性棚洞的初步设计方案，开展了三开间单跨柔性棚洞的足尺模型试验，考察了落石冲击能量、冲击速度和冲击位置的变化对其耗能和传载的影响，在单开间单跨柔性棚洞建模研究的基础上，建立了三开间单跨柔性棚洞的数值模型，开展了三开间单跨柔性棚洞的参数化分析和整体性能研究，结合试验研究和数值分析成果，优化了三开间单跨柔性棚洞的组成方式及结构形式，提出了三开间单跨柔性棚洞设计的一般准则和设计理论；（5）绘制了柔性棚洞的设计图纸，介绍了其施工和安装方法，提出了柔性棚洞的工程应用建议。研究成果可直接应用于工程实际，具有良好的工程应用前景。