技术摘要：
本发明公开了柔性防护网环形网片极限承载、变形及耗能计算方法，包括步骤(1)：确定环形网片、套接网环、盘结钢丝几何参数；步骤(2)：确定环形网片加载速率、加载区域及边界条件；步骤(3)：通过试验获得材料基本力学参数，建立环形网片临界破坏准则；步骤(4)：建立基于  全部
背景技术：
近年来，由于修路切坡、过量开采等人为因素及大雨、极端降水等自然因素综合影 响，我国西南部、东南部丘陵山地以及西北部地区崩塌落石、山体滑坡、泥石流等地质灾害 频发，为人民生命财产安全造成很大隐患。柔性防护系统作为一种新型拦截结构，广泛应用 于地灾防护领域。柔性防护系统一般由支撑部件(钢柱)、拦截部件(柔性网)、耗能部件(减 压环)、连接部件(钢丝绳、卸扣)、锚固部件(基座、锚杆)五部分组成，是一种复杂的非线性 结构系统。其中，柔性拦截网是柔性防护系统成功实现安全防护功能的关键部件，网片承受 落石直接冲击，一旦发生破损，防护系统便丧失承载防护功能。目前，柔性防护系统中常采 用菱形网、双绞六边形网、G.T.S网和环形网等作为拦截部件。与其他类型网片相比，环形网 片具备更大的变形能力与承载能力，常应用于高能级防护网中，环形网呈“松散”连接，遭受 冲击时，往往伴随强烈的接触、滑移和损伤等非线性特征，致使柔性防护系统的设计变得非 常复杂，定量评价环形网片变形能力、承载能力、耗能能力是其发挥安全防护功能的关键， 对于环形网片的设计尤为重要。 目前国内针对柔性防护系统工程设计的相关规范仅有《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)两部行业标准。 在这两部标准中，对钢丝绳、卡扣、减压环等产品的检验，给出了静力条件下的检验方法和 要求。但评价方式单一，也未涉及针对环形网片变形、承载、耗能等安全性能的综合评价指 标。这导致实际工程中难以保证拦截部件的合理选型与工程设计。仅仅将网片视为系统传 力部件的一部分，按照有限的试验结果选择环形网片型号尺寸，不能对环形网片面外变形 能力、承载能力、耗能能力进行定量计算，形成可靠的设计依据。 环形网片的变形能力取决于网环之间的松散连接方式与非线性变形，是形成柔性 防护系统缓冲能力的重要保证。与刚性结构相比，柔性网的大变形大大延长了冲击过程持 续时间，有效降低了冲击力峰值，进而降低了系统内钢柱、支撑绳等其他部件内力，减轻了 防护系统的损伤程度；环形网片的承载能力取决于高强钢丝材料强度与网环盘结圈数，同 时受到钢丝股数、加载区域面积、边界约束等多因素影响，是能否实现拦截功能的关键指 标；环形网片的耗能能力取决于变形能力与承载能力的共同结果，与柔性防护系统中防护 能级指标相契合，适用于防护系统设计中基于能量匹配的设计方法。环形网片变形能力、承 载能力、耗能能力三者共同形成了防护系统拦截部件安全性的综合评价指标，在实际工程 中，建立环形网片性能评价的定量分析方法，是实现防护网可靠设计的重要保证，对提高落 石、滑坡、泥石流等地质灾害的拦截效果、减少灾害损失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。 6 CN 111581741 A 说　明　书 2/10 页
技术实现要素：
本发明的目的是提供柔性防护网环形网片极限承载、变形、耗能计算方法，该方法 能够解决现有柔性防护网系统中拦截网片安全性能评价与设计选型缺乏量化描述方法的 问题，以保证防护网拦截网片能够达到其设计要求的防护能力。 本发明的上述目的通过如下技术方案来实现： 柔性防护网环形网片极限承载、变形及耗能计算方法，包括如下步骤： 步骤(1)：确定环形网片、套接网环、盘结钢丝几何参数 环形网片与防护结构支撑部件通过卸扣、钢丝绳连接，环形网片由单环套结制成， 单环内径为d，每个单环由直径为dmin的钢丝盘结不同圈数nw制成，单环单肢截面面积为A 环形网片具有长度wx与宽度wy，一套四的环形网片需用最小的钢丝总长度为lwire 一套四的环形网片需用最小的钢丝总质量为mwire 步骤(4)：建立基于弹簧-纤维单元的环形网片等效计算模型 选用笛卡尔坐标系作为模型基准坐标系，h为加载顶头的边缘提升高度，加载区域 内网环变形后呈矩形，其中，x方向边长ax、沿y方向边长ay，忽略网环轴向变形量，则有 计算模型呈双轴对称，加载区域被拉直的网环与球冠形顶头边缘相交，沿x轴正半 轴方向网片边长为wx，每隔距离为ax的交点标记为P1,P2…Pi…Pm，对应边界处每隔wx/(2m 1)的交点标记为Q1,Q2…Qi…Qm，则任意时刻，加载区域边缘Pi点坐标为： 边界处Qi点坐标可表示为： 其中，i＝1,2,…m，i取值的上限m的计算表达式为 m＝round(Rp/a1) 连接Pi,Qi两点的纤维-弹簧单元位置矢量方向可表示为式 PQ＝(xQ[i]-xP[i],yQ[i]-yP[i],-z) 加载过程中，各纤维-弹簧单元长度值： 7 CN 111581741 A 说　明　书 3/10 页 L[i]＝|PQ|,L0[i]＝|PQ|z＝0 其中L0[i]为单元初始长度； 任意时刻，单元内纤维长度lf及弹簧长度ls分别为 (a)0<γN≤γN1 (b)γN1<γN≤γN2 其中lf1,ls1分别为γN＝γN1时的纤维、弹簧长度； 任意时刻，第i个纤维-弹簧单元的内力值 任意时刻，第i个纤维-弹簧单元在加载过程中消耗的能量值 对于沿y轴正半轴方向环形网片长度记为wy，每相隔wy/(2n 1)距离的交点标记为 C1,C2…Cj…Cn，对应边界位置的交点记为D1,D2…Dj…Dn；同理，任意时刻加载区域边缘Cj及 Dj点坐标，单元总长度L[j]，各单元内力值F[j]，能量消耗E[j]均可由对称性质得到； 步骤(5)：求解环形网片顶破位移、顶破荷载、能量消耗 环形网片的位移加载过程中，当计算模型中任一弹簧-纤维单元发生失效，则认为 网片发生破坏，即网片发生破坏的条件为： 进一步地，在步骤(1)之后，还包括： 步骤(2)：确定环形网片加载速率、加载区域及边界条件 根据步骤(1)中的环形网片几何参数，进一步确定环形网片受到的加载速率是否 满足准静态加载要求； 判断加载区域的大小是否满足防护条件； 8 CN 111581741 A 说　明　书 4/10 页 判断环形网片边界为铰接边界条件或弹性边界条件。 进一步地，所述步骤(2)中的加载速率是指与环形网片网面垂直方向移动的球冠 形加载顶头速度，加载速率需满足准静态条件，即竖向加载速度小于10mm/s； 加载区域是指球冠形顶头与环形网片发生直接接触的区域，加载区域的大小需满 足防护条件，即最大加载区域直径D需小于最短方向环形网片尺寸Minimum{wx,wy}的1/3； 环形网片边界可分为铰接边界条件或弹性边界条件，若为弹性边界条件，边界等 效刚度为ks＝const，若为铰接边界，边界等效刚度为ks＝∞。 进一步地，在步骤(2)之后还包括： 步骤(3)：通过试验获得材料基本力学参数，建立环形网片临界破坏准则 选择与步骤(1)中几何参数一致的钢丝与钢丝网环分别开展钢丝拉伸试验与三环 环链破断试验：通过钢丝试验获得环形网片材料应力-应变曲线，提取弹性模量E，屈服强度 σy，极限强度σ，最大塑性应变εpb 等材料参数；通过环链试验获得环链拉力-位移曲线，提取 环链初始长度lN0，拉弯分界时刻长度lN1、拉力FN1、轴向应力σN1、轴向应力发展程度γN1，破 断时刻长度lN2、拉力FN2、轴向应力σN2、轴向应力发展程度γN2；得到环形网片发生顶破时的 破坏准则，即网片加载区域边缘传力路径上网环的最大轴向应力发展程度达： γNmax＝γN2＝σN2/σy＝FN2/(2σyA)。 进一步地，步骤(5)还包括： 当顶头上升高度为z时，随着i增大(i＝1,2,3,…)，纤维-弹簧单元的初始长度L0 [i]增大，而弹簧-纤维单元轴向力F[i]减小，即 模型中长度最小的单元为L0|i＝1＝min{L0[i],L0[j]} 即对于特定面外加载位移，该单元(i＝1)内力发展最快，率先破坏 F|i＝1＝γN2σyA 因此可得率先破坏的单元长度为 z＝0时刻弹簧-纤维单元长度L0，z＝H时刻单元长度Lmax与此时加载区高度H三者 组成了直角三角形，由勾股定理得，顶破位移为 利用对称性可得x，y方向弹簧-纤维单元内力矢量F[i]，F[j]，单元消耗的能量E [i]，E[j]，将全部力矢量向竖直方向投影，考虑对称性得到环形网片的顶破力： 全部弹簧-纤维单元耗能累加得到环形网片的耗散能量 进一步地，所述步骤(4)中建立的基于弹簧-纤维单元的环形网片等效计算模型为 9 CN 111581741 A 说　明　书 5/10 页 双轴对称，考虑1/4模型进行计算分析，加载区域被拉直的网环与球冠形顶头边缘相交，沿x 轴正半轴方向网片边长为wx，每隔距离为ax的交点标记为P1 ,P2…Pi…Pm，对应边界处每隔 wx/(2m 1)的交点标记为Q1,Q2…Qi…Qm，则任意时刻，加载区域边缘Pi点坐标为： 边界处Qi点坐标可表示为： 其中，i＝1,2,…m，i取值的上限m的计算表达式为 m＝round(Rp/a1) 由于计算模型双轴，剩余3/4环形网片包含的弹簧-纤维单元内力及变形均可结合 步骤(3)同理得到。 进一步地，所述步骤(5)中环形网片顶破位移是指球冠形加载顶头与环形网片初 始接触时刻距地面高度与发生顶压破坏时刻高度之差，顶破位移由环形网片最短传力路径 上的弹簧-纤维单元发生破断时的变形决定，顶破位移表达式为： 进一步地，所述步骤(5)中环形网片的面外顶破力是指球冠形顶头对网片进行加 载，发生顶压破坏时所有弹簧-纤维单元内力矢量在加载方向上投影累加值，表达式为： 进一步地，所述步骤(5)中环形网片消耗能量是指球冠形顶头初始时刻对网片进 行加载，直至环形发生顶压破坏过程中，所有弹簧-纤维单元内力矢量在各自方向做功之 和，表达式为： 进一步地，所述步骤(1)中的高强钢丝为环形网片制作的基本材料，表面镀防腐涂 层，直径dmin为2mm～3mm；高强钢丝缠绕模具盘结一定圈数nw后形成内径为d的单个钢丝网 环，网环是环形网片基本单元；环形网片由很大数量的单环按一套四模式套接形成，环形网 片外部轮廓呈矩形。 与现有技术相比，本发明的有益效果是： (1)本发明首次提出了多因素影响下被动柔性防护网系统中关键拦截部件-环形 网片的解析计算方法，推导了环形网片发生顶压破坏时极限变形、极限承载、极限耗能的计 算表达式，是对现有柔性防护分析计算技术的极大补充和完善。 (2)根据环形网片材料-钢丝的单轴拉伸试验得到基本力学参数，通过三环环链破 10 CN 111581741 A 说　明　书 6/10 页 断试验得到环形网片最短传力路径上的轴向应力发展程度，确定网片破坏准则，保证了计 算模型参数取值的准确性，进而使模型计算结果更加可靠。 (3)基于力流等效原则，明确了极限状态下环形网片的受力特征与破坏机理，建立 了三维力流等效力学模型，实现了钢丝截面等效、传力矢量等效、顶压区域等效，符合实际 破坏准则，工程应用具备可操作性。 (4)环形网片极限变形、承载、耗能计算表达式均为向量运算，适合编程实现，有利 于同时对多因素影响下环形网片极限性能分析计算，实现过程具备高效性、准确性。 (5)提高了环形网片非线性分析的计算效率，降低了分析难度，使得针对柔性防护 系统中拦截部件的计算分析更加便捷。 附图说明 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发 明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根 据这些附图获得其他的附图。 图1为本申请柔性防护网环形网片极限承载、变形及耗能计算方法的环形网片顶 破极限状态。 图2为本申请柔性防护网环形网片极限承载、变形及耗能计算方法的环链拉伸及 典型力位移曲线。 图3为本申请柔性防护网环形网片极限承载、变形及耗能计算方法的单环单肢截 面。 图4为本申请柔性防护网环形网片极限承载、变形及耗能计算方法的环形网片顶 破过程与典型力位移曲线。 图5为本申请柔性防护网环形网片极限承载、变形及耗能计算方法的加载区域力 矢量数量。 图6为本申请柔性防护网环形网片极限承载、变形及耗能计算方法的环形网片计 算模型俯视图。 图7为本申请柔性防护网环形网片极限承载、变形及耗能计算方法的环形网片计 算模型主视图。