地震发生时，在地震波上下振动和左右剧烈晃动作用下，边坡岩体随时程的变化而不断处于拉剪和压剪破坏之中，导致产生裂缝折断并向临空方向抛出，致使岩体突然向下崩落，在运动过程中不断地撞击、崩解、跳跃最后堆积于山体边坡坡脚，如图1所示。根据2008年汶川地震、2013年芦山地震、2017年九寨沟地震的震后统计数据来看，山体滑坡和高位崩塌落石等震后次生地质灾害，通过掩埋、高能级冲击等方式对山区公路破坏最大、破坏影响也最为深远。

图1 震后高位崩塌落石灾害

高位崩塌落石由于其具有随机性大、突发性强、冲击能量高等特点，被业界普遍认为处治难度极大，施工安全风险极高。笔者认为对于高位崩塌落石应遵从“源头控制—过程调控—末端防护”的综合防治措施。对于源头控制，通过锚喷、支护、生态护坡、坡面固网等措施可以实现；对于过程调控，采用了一种口袋式坡面引导系统，上部利用支撑钢柱形成开口，并通过较长的网片对落石的运动路径进行引导与管制、从而应对落石冲击并消耗动能，达到“拦而不截”的效果；对于末端防护，结合大量的现有研究和工程实例表明，明(棚)洞被认为是防护落石灾害行知有效的方法，而对于钢筋混凝土明(棚)洞而言，详细剖析了其使用过程中结构病害机制和类型，通过换填回填层、设置耗能支座等措施提高结构抗落石冲击性能。相关文献对柔性钢棚洞做了原型试验，掌握其防护性能并提出改进措施。但总体而言，现阶段无论是钢筋混凝土明(棚)洞还是柔性钢棚洞都存在较大缺点：其一我国山区公路往往路网稀疏、通道单一道路等级偏低，灾后生命线公路的保通需要施工的简单化、快速化，钢筋混凝土明(棚)洞显然不满足抢通保通的需求；其二整体防护能级不高，基本防护能级均在600 kJ以下，不具备应对震后高位崩塌落石的能力；其三柔性钢棚洞耐久性不高，主体钢拱架结构不能承受落石的多次冲击，结构易损坏。

本文立足于“应急响应快、安装风险小、地基要求低、适应能力强、抗冲击性能佳”,提出装配式钢箱棚洞。棚洞下部主体结构按照单车道+人行道设计，采取4.5 m(宽)+5.2 m(高)的建筑限界，主要由箱形截面纵梁、H型钢竖杆、横梁、剪刀撑共同构成矩形框的主体结构，纵向6 m一个节段，所有构件为标准化定型构件，现场栓接成结构，可实现快速化施工；整体结构异位拼装再吊装就位，最大限度降低施工安全风险；结构封闭自成体系，抗冲抗推抗倾能力强，可适用多种地形。钢箱棚洞就位后在箱内采用自进式锚杆和钢管桩与地面锚固，满足抗倾覆及水平抗推要求。整个主体框架宽4.9 m，高5.6 m，模型及各构件连接方式如图2所示。

a—钢箱棚洞示意；b—钢箱棚洞各构件连接示意。图2 钢箱棚洞示意

棚洞主体结构形成框架主要保证保通阶段车辆行驶的净空要求，而防护落石冲击能量主要由上部缓冲结构承担。结合传统棚洞顶部缓冲结构的经验，本文提出钢箱棚洞的三种防护理念，即：“避、缓、抗”型(简称“Ⅰ型”)；“避、缓、耗”型(简称“Ⅱ型”)；“避、耗、延”型(简称“Ⅲ型”)。

Ⅰ型钢箱棚洞

“避”为棚洞顶部不应做成平面，宜做成带弧度或带角度的斜面，落石冲击后应尽快将落石导向剥离，避免落石持续停留在棚洞结构顶部。“缓”为顶部铺设一定厚度的土垫层，利用土垫层缓冲一部分冲击能量，除此之外，还利用土体扩散角将冲击力分散，增大在棚洞顶板上的作用面积，达到减小冲击力的效果。“抗”为顶部设置成拱形结构，利用拱形受压特点，在支座处产生水平推力，棚洞横梁充当水平拉杆的作用，充分发挥钢结构材料受拉性能良好的特点，抵抗冲击能量。顶部拱梁采用与主体结构尺寸相同的H型钢，拱高2 m，纵向设置箱梁连接，在跨中适当加强。拱梁顶部加钢板并铺设1 m后砂土垫层。模型结构如图3所示。

图3 Ⅰ型钢箱棚洞

Ⅱ型钢箱棚洞

“避”“缓”理念与前文相同，这里不再赘述。“延”为在砂土垫层缓冲基础上，设置改性橡胶支座。改性橡胶材料为可压缩超弹性材料，是一类具有大变形能力的非线性弹性材料，能够经历很大变形，且在加载循环结束后自行恢复，避免传统金属薄壁支座塑性变形后难以经受多次落石冲击、更换困难的缺点。该材料拉裂强度能达到40 MPa以上，可以在受冲压过程中通过环向拉伸变形储能，延缓冲击力作用时间，改变冲击力竖向传力路径，大大降低落石冲击力。模型结构如图4所示。

图4 Ⅱ型钢箱棚洞

Ⅲ型钢箱棚洞

该型棚洞结合柔性棚洞思路，采用柔性网+耗能器+主体钢箱结构为整体。“避”理念与前文相同，即将顶部柔性网做成斜面，落石冲击过程完成后沿斜面滚落。“延”为在钢箱棚洞顶部安装高为3.5 m的柔性网系统。该系统由RCOO环形网，纵横向支撑绳、滑轮、索拖柱、刚性交叉圆管、棒式耗能器组成。柔性网在拦截落石过程中会发生大变形且持续时间较长，通过延长冲击时间减小落石冲击力。“耗”为在每节段柔性网支撑结构上安装一定数量的钢棒耗能器。该耗能器受到柔性网传递的拉力，当拉力超过耗能器启动阈值，随即产生拉伸塑性变形消耗能量。由于每次冲击不可能将所有耗能器拉坏，且钢棒耗能器通过支撑绳安装于钢箱棚洞柱底相比传统金属耗能支座位于棚洞顶板与柱顶之间，更换较为容易，故认为可以承受多次冲击，且耐久性得以保证。由于叠加了“延”“耗”理念，且取消了顶部的砂土垫层，结构恒载大大降低，钢箱主体结构可适当削弱。经过大量结构试算，主体结构改为采用H型钢和斜撑圆管通过栓接而成。模型结构如图5所示：上部缓冲装置可预制成成品，保证施工过程的快速化与标准化。三种结构类型钢箱棚洞用钢量如表1所示。

图5 Ⅲ型钢箱棚洞

表1 三种钢箱棚洞用钢量对比

由于棚洞整体结构在受落石冲击过程中涉及结构大变形、能量关系的瞬时相互转化，难以通过理论计算方法进行分析。本文采用通用显式非线性动力分析程序ANSYS/LS-DYNA，对以上新型组合棚洞结构进行高能级落石冲击下的全过程分析，以落石冲击力、能量分配、应力等特征响应值为指标，考察三种结构的抗冲击性能，为后续1∶1原型试验提供依据。

有限元模型的建立

钢结构框架(纵梁、横梁、腹杆)与撑杆、支撑绳、环形网等均采用Beam 161单元模拟，其中钢柱、横梁、腹杆等截面属性设置规格为HW400×400×21×13，支撑绳截面属性设置型号为φ22，环形网截面属性设置为R19/3/300；钢壳采用Shell 163单元模拟，砂土缓冲层，橡胶支座采用Solid 164单元模拟。

其中梁、板、撑杆采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC双线性材料本构模型，该材料模型与应变率有关，可考虑失效，其本构模型如图6a所示。

支撑绳采用MAT_CABLE_DISCRETE_BEAM绳索材料模型，其特性是只能承受拉力不能承受压力和弯矩。环形网、耗能器采用MAT_PIECEWISE_LINER-PLASTICITY弹塑性材料模型。

砂土层采用MAT_CRUSHABLE_FOAM材料模型模拟，其本构关系参考文献，如图6b所示。

落石假定为均质刚性球体，冲击过程中只有平动没有转动，采用RIGID材料模型。

弹性支座采用MAT_FRAZER_NASH_RUBBER_MODEL材料模型，本构曲线的试验数据如图6c所示。

a—钢结构材料本构曲线；b—砂土材料本构曲线；c—橡胶支座拉伸试验曲线。图6 材料模型应力-应变曲线

有限元模型的建立过程详见相关文献研究成果，各材料物理力学参数见表2。计算以自重应力场为主，在模型下边界施加全约束，落石(直径2 m的球体)施加冲击能量1000 kJ对应的初速度。

表2 材料参数

结构动力响应分析

3.2.1冲击力时程对比

落石(直径2 m的球体)施加冲击能量1000 kJ冲击不同类型钢棚洞，其落石-砂土冲击力时程曲线如图7所示。可知：Ⅰ型棚洞落石冲击力最大，达到5000 kN;Ⅱ型棚洞由于设置了橡胶支座，落石冲击过程中橡胶支座受压向四周鼓胀变形储能，该过程延缓了落石作用于棚洞结构上的时间，整个冲击过程时间由0.04 s(Ⅰ型)延长到0.075 s(Ⅱ型)，而且支座的环向变形改变了冲击力的传力路径，落石最大冲击力减小至2300 kN；Ⅲ型棚洞由于柔性网产生大变形，冲击过程时长达到了0.2 s，冲击力由瞬时的脉冲力减小至900 kN,相比Ⅰ型棚洞减少了82%，效果显著。

图7 落石冲击力时程曲线

3.2.2各部位能量对比

为进一步探讨棚洞各部件吸收能量的特点，图8～图10给出了每种棚洞内部各构件吸收的能量和落石冲击动能随时间变化的关系曲线，同时统计各构件吸收能量与冲击总能量的比值，结果见表3。

图8 Ⅰ型棚洞各部件能量曲线

图9 Ⅱ型棚洞各部件能量曲线

图10 Ⅲ型棚洞各部件能量曲线

结合图8～图10和表3可知，砂土是一种良好的缓冲材料，耗散能量达97%，Ⅰ型棚洞的落石冲击能量主要由砂土耗散，钢框架处于弹性阶段，耗能较小。由于计算时间有限，落石还未剥离出棚洞顶部，故Ⅱ型棚洞的改性橡胶支座通过环向变形储存了大量动能，占冲击总能量的28.8%,该部分动能在落石滚落过程中随支座恢复而释放，但落石整体动能已大幅降低，棚洞结构安全已不受威胁。Ⅲ型棚洞的钢棒耗能器通过拉伸塑性变形可耗散大量冲击能量，占比51.8%，柔性网通过变形吸能占比11.8%，由于Ⅲ型棚洞顶部柔性网系统存在大量支撑绳的滑移，自身摩擦和阻尼，系统摩擦和阻尼耗能占比35.2%。由于环形网采用的弹塑性材料，在整个拦截过程中动能转换为势能进行储存，其弹性势能部分会在系统缓释后得以释放，由图8～图10可知,落石能量后期有所回升，经计算占比达22.6%。

表3 棚洞各构件吸收能量比值

因此，钢棒耗能器、柔性网、改性橡胶支座、土体都是吸能储能的良好材料，在钢箱棚洞的设计中可以通过增加耗能器数量，支座数量、高度，土体厚度等措施提高棚洞本身的耗能能力。

3.2.3钢箱棚洞损伤分析

不同结构类型钢箱棚洞在落石冲击(1000 kJ)状态下，结构的最大等效应力及位置如表4所示。

表4 最大等效应力计算结果

由表4可知，在1000 kJ的冲击能量下三种类型钢箱棚洞等效应力均小于400 MPa,结构处于安全状态，钢箱棚洞抗冲击能力强于钢筋混凝土棚洞和传统柔性棚洞。此外，表中给出了最大等效应力集中的部位即危险部位。设计中应在该部位采取局部加强措施，以保证结构的安全性。

3.2.4钢箱棚洞极限承载能力研究

通过提升落石冲击能量，对三种类型钢箱棚洞极限承载能力进行研究，判定标准：一是钢棚洞本身是否屈服，二是地基承载力能否满足要求,三是结构是否侵限。具体计算结果如表5所示。可知：Ⅰ型棚洞在1500 kJ落石冲击能量下，中部拱梁跨中等效拉应力达到375 MPa,拱梁即将屈服，不适合再继续承载。Ⅱ型棚洞在1900 kJ落石冲击能量下，跨中横梁中部等效拉应力达到380 MPa,已达到极限承载能力；Ⅲ型棚洞落石冲击力较小，在2200 kJ的冲击荷载下，顶部斜撑最大等效应力为250 MPa,未达到屈服应力。但是顶部网结构变形达3.45 m，见图11，处于临界侵限状态，故不能再继续承载。三种棚洞底部基底应力较小，均不超过200 kPa，在现场可通过换填、压实等地基处理措施达到200 kPa的地基承载力。

表5 极限承载能力研究

图11 Ⅲ型棚洞变形示意

本文采用数值计算方法对高能级防护钢箱棚洞在落石冲击作用下的动力力学性能进行了分析，得到了如下几点有意义的结论和展望：

1)本文提出的三种防护理念钢箱棚洞，作为灾害现场快速拼装抢通保通技术，具有模块化、施工快速化、简单化的优点，承载能力均以1000 kJ以上为目的，应对震后高位崩塌，满足生命线路的保通需求是可行的。

2)土体耗能性能较好，但自重大，导致Ⅰ型棚洞结构本身用钢量大，结构抗震性能及经济性不足。

3)改性橡胶支座具有环向变形储能的优点，可以在变形过程中延缓冲击过程时间、储存冲击能量、改变传力路径，是一种能够应用于土木工程抗震、抗冲击的材料，可以通过增加支座数量、高度等措施提高Ⅱ型棚洞的抗冲击能力。

4)Ⅲ型棚洞结构轻盈，结合了传统柔性棚洞的优点，通过环形网大变形延缓冲击时间、钢棒耗能器和结构自身摩阻力进行耗能，防护能级较高，适用性较强。后续研究可在Ⅲ型棚洞顶部铺设泡沫混凝土板，在混凝土板上覆盖厚度不超过50 cm的回填土层，使落石冲击柔性网后通过大变形接触砂土层，继而将落石冲击能量分解为柔性系统耗散部分和回填土层耗散部分，达到“分级、分层防护理念”，解决Ⅲ型棚洞高能级下侵限的问题。

5)后续将继续开展对钢箱棚洞的主体结构、缓冲装置以及整体力学性能进行仿真计算，获取结构的作用机理，开展1∶1钢箱棚洞的原型冲击试验，验证钢箱棚洞整体的抗落石冲击性能，进一步优化钢箱棚洞的设计。