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2021年 第36卷 第7期
2021, 36(7): 1-8.
doi: 10.13206/j.gjgS20042502
摘要
PDF (17880KB)
摘要:
普通张弦桁架结构由于其具有受力合理、自重轻、施工便捷等优点，已被广泛应用于许多实际工程中并取得了良好的经济效益，但由于该结构体系自重较轻，在强风地区遭受风揭破坏的现象也时有发生。为避免此类现象的出现，减少经济财产损失，充分发挥张弦桁架结构自身的特性，提高其安全性和适用性，设计了一种适用于张弦桁架结构体系的弹簧杆装置，利用该装置可实现结构体系抵抗强风和承受常规荷载，满足张弦桁架结构在强风地区的使用要求。
为深入研究该装置对结构性能提升的影响程度，进一步探索弹簧杆对结构受力特性的影响规律，以某跨度为150 m、高度为45 m、长度为160 m的张弦桁架结构为研究对象，利用商业有限元软件MIDAS/Gen，分析了弹簧杆装置的刚度、布置位置及布置角度等参数对结构受力性能的影响。首先介绍弹簧杆装置设计概念及构造，详细阐述其组成部分及工作原理，并说明在有限元软件中模拟该装置的方法。随后分别取弹簧刚度为20，50，100，300 kN/mm，并将各个刚度的弹簧杆依次布设在张弦桁架的第一道、第二道和第三道次桁架下，计算在特定荷载组合下结构的最大位移、最大应力和最大索力。最后设置弹簧杆与地面的夹角分别为30°、45°、60°和90°，计算在风荷载控制荷载组合下结构的最大位移，并且分析了弹簧杆布置对结构动力性能的影响。
研究结果表明：1）在“1.3恒+1.5活”荷载组合下，弹簧杆装置刚度为100 kN/mm且布置在第二道次桁架下时，结构的最大位移、最大应力和最大索力比相应普通张弦桁架结构的分别下降了60.12%、34.68%和32.13%，说明该装置对结构抵抗恒、活荷载的作用明显，并且很大程度地降低了结构的应力和索力的大小，可以减小结构体系的负担；但当弹簧刚度大于50 kN/mm时，该装置对结构性能的提升作用不再明显。2）在“1.3恒+1.05活+1.5风”荷载组合下，弹簧杆装置与地面的夹角为30°时，结构的最大位移降低了54.77%，表明弹簧杆可有效降低风荷载对结构的影响。3）从结构的自振频率来看，除第一周期外，布设该装置的张弦桁架结构均比普通张弦桁架结构的自振周期小，可见该装置能增大结构的刚度。
普通张弦桁架结构由于其具有受力合理、自重轻、施工便捷等优点，已被广泛应用于许多实际工程中并取得了良好的经济效益，但由于该结构体系自重较轻，在强风地区遭受风揭破坏的现象也时有发生。为避免此类现象的出现，减少经济财产损失，充分发挥张弦桁架结构自身的特性，提高其安全性和适用性，设计了一种适用于张弦桁架结构体系的弹簧杆装置，利用该装置可实现结构体系抵抗强风和承受常规荷载，满足张弦桁架结构在强风地区的使用要求。
为深入研究该装置对结构性能提升的影响程度，进一步探索弹簧杆对结构受力特性的影响规律，以某跨度为150 m、高度为45 m、长度为160 m的张弦桁架结构为研究对象，利用商业有限元软件MIDAS/Gen，分析了弹簧杆装置的刚度、布置位置及布置角度等参数对结构受力性能的影响。首先介绍弹簧杆装置设计概念及构造，详细阐述其组成部分及工作原理，并说明在有限元软件中模拟该装置的方法。随后分别取弹簧刚度为20，50，100，300 kN/mm，并将各个刚度的弹簧杆依次布设在张弦桁架的第一道、第二道和第三道次桁架下，计算在特定荷载组合下结构的最大位移、最大应力和最大索力。最后设置弹簧杆与地面的夹角分别为30°、45°、60°和90°，计算在风荷载控制荷载组合下结构的最大位移，并且分析了弹簧杆布置对结构动力性能的影响。
研究结果表明：1）在“1.3恒+1.5活”荷载组合下，弹簧杆装置刚度为100 kN/mm且布置在第二道次桁架下时，结构的最大位移、最大应力和最大索力比相应普通张弦桁架结构的分别下降了60.12%、34.68%和32.13%，说明该装置对结构抵抗恒、活荷载的作用明显，并且很大程度地降低了结构的应力和索力的大小，可以减小结构体系的负担；但当弹簧刚度大于50 kN/mm时，该装置对结构性能的提升作用不再明显。2）在“1.3恒+1.05活+1.5风”荷载组合下，弹簧杆装置与地面的夹角为30°时，结构的最大位移降低了54.77%，表明弹簧杆可有效降低风荷载对结构的影响。3）从结构的自振频率来看，除第一周期外，布设该装置的张弦桁架结构均比普通张弦桁架结构的自振周期小，可见该装置能增大结构的刚度。
2021, 36(7): 9-17.
doi: 10.13206/j.gjgS20051501
摘要:
联肢钢板剪力墙是用连梁将两片钢板剪力墙连接起来形成的一种新型抗侧力体系。联肢钢板墙通过连梁与墙肢的相互作用，抵抗倾覆弯矩的能力和抗侧刚度得到提高。连梁是影响联肢钢板剪力墙抗震性能的关键构件，耦联比是衡量墙肢相互作用的重要参数。因此提出以耦联比为控制指标的设计方法，分别以20%、40%和60%的耦联比设计了3个20层的钢框架-联肢钢板墙结构。利用ABAQUS软件建立结构有限元模型，振型分解反应谱分析的结果表明：这三个模型的各项结构性能指标差别在5%以内，说明在设计地震剪力相同的情况下，采用以耦联比为控制指标的设计方法，可以设计出满足预期结构性能指标的钢框架-联肢钢板墙结构，且耦联比会影响联肢钢板墙的用钢量。
联肢钢板剪力墙中，边框柱的用钢量远大于其他构件的用钢量。当设计地震剪力相同时，随着设计目标耦联比增大，连梁设计截面增大，连梁与墙肢的相互作用加强，可以减小内嵌钢板厚度，从而减小边框柱截面尺寸。而连梁的剪力和弯矩会随耦联比的增大而增大，连梁剪力增大会减小与之相连的边框内柱的轴力，但连梁弯矩增大会加大边框内柱的弯矩。因此耦联比增大到一定程度后，按压弯构件设计的边框内柱截面尺寸可能会不减反增。这3个模型中，40%耦联比模型的用钢量最少，经济性最好。
选取7条地震波对这3个模型进行了时程分析。在多遇地震下，3个模型的基底剪力平均值基本相同。在罕遇地震下，40%耦联比模型的基底剪力平均值最大，层间位移角平均值却最小，说明结构进入塑性的程度较小，刚度退化没有另外两个模型明显。罕遇地震作用下，3个模型都是钢板首先进入塑性，耦联比越小，连梁的塑性发展就越深入；耦联比越大，钢板的塑性发展就越深入。60%耦联比模型的塑性耗能较大，其钢板的最大等效塑性应变远大于另外两个模型的，而连梁仍保持弹性。由单一构件耗能对钢材的塑性要求较高，因此20%和40%耦联比模型的构件塑性发展更为合理。
给模型施加倒三角分布模式的水平荷载，进行静力弹塑性分析，得到基底剪力-顶层位移角曲线和刚度-顶层位移角曲线。根据构件的屈服顺序将推覆全过程曲线划分为8个阶段。观察全过程曲线可知，这3个模型的破坏顺序为：钢板屈服→连梁屈服→框梁梁端屈服→框柱柱脚屈服，说明3个钢框架-联肢钢板墙模型都具有良好的延性，符合结构设计性能目标。
联肢钢板剪力墙是用连梁将两片钢板剪力墙连接起来形成的一种新型抗侧力体系。联肢钢板墙通过连梁与墙肢的相互作用，抵抗倾覆弯矩的能力和抗侧刚度得到提高。连梁是影响联肢钢板剪力墙抗震性能的关键构件，耦联比是衡量墙肢相互作用的重要参数。因此提出以耦联比为控制指标的设计方法，分别以20%、40%和60%的耦联比设计了3个20层的钢框架-联肢钢板墙结构。利用ABAQUS软件建立结构有限元模型，振型分解反应谱分析的结果表明：这三个模型的各项结构性能指标差别在5%以内，说明在设计地震剪力相同的情况下，采用以耦联比为控制指标的设计方法，可以设计出满足预期结构性能指标的钢框架-联肢钢板墙结构，且耦联比会影响联肢钢板墙的用钢量。
联肢钢板剪力墙中，边框柱的用钢量远大于其他构件的用钢量。当设计地震剪力相同时，随着设计目标耦联比增大，连梁设计截面增大，连梁与墙肢的相互作用加强，可以减小内嵌钢板厚度，从而减小边框柱截面尺寸。而连梁的剪力和弯矩会随耦联比的增大而增大，连梁剪力增大会减小与之相连的边框内柱的轴力，但连梁弯矩增大会加大边框内柱的弯矩。因此耦联比增大到一定程度后，按压弯构件设计的边框内柱截面尺寸可能会不减反增。这3个模型中，40%耦联比模型的用钢量最少，经济性最好。
选取7条地震波对这3个模型进行了时程分析。在多遇地震下，3个模型的基底剪力平均值基本相同。在罕遇地震下，40%耦联比模型的基底剪力平均值最大，层间位移角平均值却最小，说明结构进入塑性的程度较小，刚度退化没有另外两个模型明显。罕遇地震作用下，3个模型都是钢板首先进入塑性，耦联比越小，连梁的塑性发展就越深入；耦联比越大，钢板的塑性发展就越深入。60%耦联比模型的塑性耗能较大，其钢板的最大等效塑性应变远大于另外两个模型的，而连梁仍保持弹性。由单一构件耗能对钢材的塑性要求较高，因此20%和40%耦联比模型的构件塑性发展更为合理。
给模型施加倒三角分布模式的水平荷载，进行静力弹塑性分析，得到基底剪力-顶层位移角曲线和刚度-顶层位移角曲线。根据构件的屈服顺序将推覆全过程曲线划分为8个阶段。观察全过程曲线可知，这3个模型的破坏顺序为：钢板屈服→连梁屈服→框梁梁端屈服→框柱柱脚屈服，说明3个钢框架-联肢钢板墙模型都具有良好的延性，符合结构设计性能目标。
2021, 36(7): 18-28.
doi: 10.13206/j.gjgS20061103
摘要:
高强钢材在实际钢结构中已经开始逐步得到应用，开展钢材的超低周疲劳断裂分析是评价高强钢结构在强震作用下断裂破坏的基础。传统断裂力学方法均假定裂纹已经存在，且在初始裂纹尖端存在高应变约束，因此主要适用于研究塑性变形极其有限的脆性断裂问题，对超低周反复荷载下无宏观初始缺陷部位和发生显著塑性变形部位的延性断裂问题不太适用，基于微孔扩展机制的超低周疲劳断裂模型在钢材韧性断裂分析中开始逐步得到应用。
为研究循环微孔扩展模型（CVGM）是否适用于预测国产Q690D高强度结构钢材的断裂破坏，设计加工了17个圆棒试样和3个狗骨削弱型板状试样（DB）。应用MTS轴向伺服疲劳试验系统进行钢材圆棒试样在单调加载和超低周循环加载下的断裂破坏试验，获取了Q690D钢材的应力-应变关系、基本力学参数和试样的荷载-位移曲线，分析了加载制度对试样承载能力和变形能力的影响。
试验结果表明：1） Q690D钢材没有明显的屈服平台，存在明显的缺口强化效应和循环软化现象，由于循环加载过程中材料发生了损伤，使得循环加载后再拉伸时的断裂位移小于单调加载情况。2）通过分析试样断口形貌，发现试样裂纹均起始于试样最小截面中心处，并采用扫描电镜观察了试样断口的微观形貌，断口呈现韧窝形式的延性断裂特征，符合微孔扩展断裂力学的机理，同时通过电镜扫描结果得到了Q690D钢材的特征长度约为0.3 mm。
应用ABAQUS软件建立试样的有限元模型，基于Q690D钢材圆棒试样的试验结果，结合有限元分析，标定了Q690D高强度钢材的循环微孔扩展模型（CVGM）和退化有效塑性应变模型（DSPS）参数。单调加载时，循环微孔扩展模型和退化有效塑性应变模型退化为微孔扩展模型（VGM）和应力修正临界应变模型（SMCS）。最后，借助ABAQUS软件中的用户子程序USDFLD，采用Fortran语言对CVGM模型进行编程，在数值计算过程中，当材料单元达到破坏准则要求时，判定单元破坏，将单元的应力释放，然后按照新的状态继续进行有限元计算至试件破坏。应用钢材的CVGM，对狗骨削弱型板状试样在不同加载制度下的断裂破坏进行预测分析，得到试样的裂纹起始位置、荷载-位移曲线，断裂位移均与试验结果吻合良好，且试样极限荷载、断裂位移预测结果误差分别在2%、12%左右。
高强钢材在实际钢结构中已经开始逐步得到应用，开展钢材的超低周疲劳断裂分析是评价高强钢结构在强震作用下断裂破坏的基础。传统断裂力学方法均假定裂纹已经存在，且在初始裂纹尖端存在高应变约束，因此主要适用于研究塑性变形极其有限的脆性断裂问题，对超低周反复荷载下无宏观初始缺陷部位和发生显著塑性变形部位的延性断裂问题不太适用，基于微孔扩展机制的超低周疲劳断裂模型在钢材韧性断裂分析中开始逐步得到应用。
为研究循环微孔扩展模型（CVGM）是否适用于预测国产Q690D高强度结构钢材的断裂破坏，设计加工了17个圆棒试样和3个狗骨削弱型板状试样（DB）。应用MTS轴向伺服疲劳试验系统进行钢材圆棒试样在单调加载和超低周循环加载下的断裂破坏试验，获取了Q690D钢材的应力-应变关系、基本力学参数和试样的荷载-位移曲线，分析了加载制度对试样承载能力和变形能力的影响。
试验结果表明：1） Q690D钢材没有明显的屈服平台，存在明显的缺口强化效应和循环软化现象，由于循环加载过程中材料发生了损伤，使得循环加载后再拉伸时的断裂位移小于单调加载情况。2）通过分析试样断口形貌，发现试样裂纹均起始于试样最小截面中心处，并采用扫描电镜观察了试样断口的微观形貌，断口呈现韧窝形式的延性断裂特征，符合微孔扩展断裂力学的机理，同时通过电镜扫描结果得到了Q690D钢材的特征长度约为0.3 mm。
应用ABAQUS软件建立试样的有限元模型，基于Q690D钢材圆棒试样的试验结果，结合有限元分析，标定了Q690D高强度钢材的循环微孔扩展模型（CVGM）和退化有效塑性应变模型（DSPS）参数。单调加载时，循环微孔扩展模型和退化有效塑性应变模型退化为微孔扩展模型（VGM）和应力修正临界应变模型（SMCS）。最后，借助ABAQUS软件中的用户子程序USDFLD，采用Fortran语言对CVGM模型进行编程，在数值计算过程中，当材料单元达到破坏准则要求时，判定单元破坏，将单元的应力释放，然后按照新的状态继续进行有限元计算至试件破坏。应用钢材的CVGM，对狗骨削弱型板状试样在不同加载制度下的断裂破坏进行预测分析，得到试样的裂纹起始位置、荷载-位移曲线，断裂位移均与试验结果吻合良好，且试样极限荷载、断裂位移预测结果误差分别在2%、12%左右。
2021, 36(7): 29-34.
doi: 10.13206/j.gjgS20031801
摘要:
某剧场为66 m的大跨度圆形桁架结构，由于施工条件限制，考虑将圆形屋盖划分为4个单元结构；每个单元结构为不规则的型钢桁架，通过MIDAS软件计算分析吊装过程中单元的刚度和强度的变化，判断是否满足施工要求。为明确单元最佳吊点位置，利用重心位置定义法计算单元重心位置；单元结构选取4个吊耳布置点，布置点形成的四边形几何中心点接近于单元结构重心；依据吊点距单元结构重心的平均距离逐渐变大的设置原则形成3种吊点布置方案，并采用MIDAS软件模拟，吊耳节点约束采用节点弹性支承，施加小刚度约束；桁架采用杆单元进行模拟，考虑吊装过程的影响，动力效应系数为1.4，依据计算结果分析单元结构杆件应力、节点竖向位移以及杆件应力比来确定方案的合理性，并选择最优吊点布置方案。
4个单元结构依次吊装完成后进行各单元之间的焊接连接，待连系梁吊装、安装完成之后开始支承结构的卸载工作。由于大跨空间结构受力较复杂，对于结构杆件的内力重分布过程需要计算分析，所以支承体系的卸载方法非常关键。由于本项目胎架数量少，采取依次卸载单个胎架的顺序，卸载方案分为4种工况，通过有限元软件建模，采用单元降温卸载法模拟支承结构卸载过程，设置温度单元长50 mm，材料线膨胀系数1 mm/℃，温度单元与支承点之间采用只受压的弹性连接，卸载完成后温度单元与支承点自动脱离，计算得出屋盖构件在施工卸载过程中应力大小和竖向位移变化数值。
研究得出：1）该屋面结构设计截面满足施工过程的安全性；2）结构卸载过程具有足够的刚度和强度，结构受力稳定，满足施工要求；3）拆除的胎架支承点结构竖向位移曲线呈线性上升，可判断结构受力稳定，其余支承点竖向位移曲线呈S形，越靠近首次拆除点位置，观测点的竖向位移曲线S形越明显，所以对竖向位移呈S形曲线的结构点需要做好支承节点的限位和防倾覆设置，并应进行施工监测，依据模拟计算结果为卸载方案的实施提供依据。
某剧场为66 m的大跨度圆形桁架结构，由于施工条件限制，考虑将圆形屋盖划分为4个单元结构；每个单元结构为不规则的型钢桁架，通过MIDAS软件计算分析吊装过程中单元的刚度和强度的变化，判断是否满足施工要求。为明确单元最佳吊点位置，利用重心位置定义法计算单元重心位置；单元结构选取4个吊耳布置点，布置点形成的四边形几何中心点接近于单元结构重心；依据吊点距单元结构重心的平均距离逐渐变大的设置原则形成3种吊点布置方案，并采用MIDAS软件模拟，吊耳节点约束采用节点弹性支承，施加小刚度约束；桁架采用杆单元进行模拟，考虑吊装过程的影响，动力效应系数为1.4，依据计算结果分析单元结构杆件应力、节点竖向位移以及杆件应力比来确定方案的合理性，并选择最优吊点布置方案。
4个单元结构依次吊装完成后进行各单元之间的焊接连接，待连系梁吊装、安装完成之后开始支承结构的卸载工作。由于大跨空间结构受力较复杂，对于结构杆件的内力重分布过程需要计算分析，所以支承体系的卸载方法非常关键。由于本项目胎架数量少，采取依次卸载单个胎架的顺序，卸载方案分为4种工况，通过有限元软件建模，采用单元降温卸载法模拟支承结构卸载过程，设置温度单元长50 mm，材料线膨胀系数1 mm/℃，温度单元与支承点之间采用只受压的弹性连接，卸载完成后温度单元与支承点自动脱离，计算得出屋盖构件在施工卸载过程中应力大小和竖向位移变化数值。
研究得出：1）该屋面结构设计截面满足施工过程的安全性；2）结构卸载过程具有足够的刚度和强度，结构受力稳定，满足施工要求；3）拆除的胎架支承点结构竖向位移曲线呈线性上升，可判断结构受力稳定，其余支承点竖向位移曲线呈S形，越靠近首次拆除点位置，观测点的竖向位移曲线S形越明显，所以对竖向位移呈S形曲线的结构点需要做好支承节点的限位和防倾覆设置，并应进行施工监测，依据模拟计算结果为卸载方案的实施提供依据。
2021, 36(7): 35-42.
doi: 10.13206/j.gjgS21010802
摘要:
为研究张弦桁架结构在火灾中火源与其正上方钢构件之间的安全距离及防火保护涂料等效热阻Ri的最小取值，以140，188，220 m跨度的张弦桁架结构为研究对象，采用火灾模拟软件FDS模拟不同火灾场景下的空气温度场，考虑了空气对钢构件的热传导作用及高温对钢材特性的影响，基于有限元软件ANSYS进行高温下结构整体抗火性能验算，根据验算结果分析位移及内力，揭示张弦桁架结构达到极限耐火时间的内在原因。
通过对不同尺寸张弦桁架结构抗火性能的分析，归纳火灾下张弦桁架结构需喷涂防火保护涂料的具体范围。最后从经济角度出发，以3组不同跨度的张弦桁架结构为背景，在防火保护涂料等效热阻系数Ri不同的情况下，对火灾下张弦桁架结构代表性节点的位移进行分析，探究防火保护涂料等效热阻系数Ri的最小取值。
研究结果表明：张弦桁架结构在火灾中达到耐火极限的原因在于火灾危险区域的杆件内力达到屈服状态；张弦桁架结构在火灾中火源与其正上方钢构件安全距离为15.0 m；对安全距离以内的杆件采用喷涂防火保护涂料的方法可增强结构抗火性能，其中防火保护涂料的等效热阻Ri最小取值为0.02 m2·℃/W。
为研究张弦桁架结构在火灾中火源与其正上方钢构件之间的安全距离及防火保护涂料等效热阻Ri的最小取值，以140，188，220 m跨度的张弦桁架结构为研究对象，采用火灾模拟软件FDS模拟不同火灾场景下的空气温度场，考虑了空气对钢构件的热传导作用及高温对钢材特性的影响，基于有限元软件ANSYS进行高温下结构整体抗火性能验算，根据验算结果分析位移及内力，揭示张弦桁架结构达到极限耐火时间的内在原因。
通过对不同尺寸张弦桁架结构抗火性能的分析，归纳火灾下张弦桁架结构需喷涂防火保护涂料的具体范围。最后从经济角度出发，以3组不同跨度的张弦桁架结构为背景，在防火保护涂料等效热阻系数Ri不同的情况下，对火灾下张弦桁架结构代表性节点的位移进行分析，探究防火保护涂料等效热阻系数Ri的最小取值。
研究结果表明：张弦桁架结构在火灾中达到耐火极限的原因在于火灾危险区域的杆件内力达到屈服状态；张弦桁架结构在火灾中火源与其正上方钢构件安全距离为15.0 m；对安全距离以内的杆件采用喷涂防火保护涂料的方法可增强结构抗火性能，其中防火保护涂料的等效热阻Ri最小取值为0.02 m2·℃/W。
2021, 36(7): 43-49.
doi: 10.13206/j.gjgS20111203
摘要:
我国西部地区地形地质条件极其复杂，山高坡陡，地震频发，从2008年汶川地震、2013年四川芦山地震、2017年九寨沟地震等历次山区强烈地震后的公路震害显示，对公路破坏最大、抢通保通难度最大、破坏影响最深远的是高位崩塌等次生地质灾害。为解决震后高位崩塌等次生灾害对山区公路的破坏，满足生命线公路的保通需求，以“应急响应快、安装风险小、地基要求低、适应能力强、抗冲击能力强”为切入点，提出了“避、缓、抗”、“避、缓、延”、“避、延、耗”三种理念的装配式钢箱棚洞。
基于ANSYS/LS-DYNA的显示算法，对钢箱棚洞在落石冲击荷载下进行全过程模拟，依据落石最大冲击力，棚洞各部件吸能能力和钢箱结构等效应力等动力响应指标对三种类型钢箱棚洞抗落石冲击性能进行了深入分析，掌握了钢箱棚洞受力机理；利用钢箱结构屈服应力、基底承载能力和结构是否侵限为标准对三种防护理念的钢箱棚洞极限承载能力进行了研究。
结果表明：三种钢箱棚洞的结构形式合理，防护能级均能达到1 000 kJ，相对于传统钢棚洞或钢筋混凝土棚洞，其防护能级提升较大；安装的改性橡胶支座为可压缩超弹性材料，自恢复性良好能够重复多次使用，可通过其环向大变形进行储能，延长冲击时间以减小落石冲击力，提高棚洞抗冲击能力；柔性网防护系统通过防护网的大变形缓释并辅以其他系统耗能组件耗散能量，对比分析后其防护效果最佳，结构经济性和抗震性最佳，极限抗冲击能级可达2 000 kJ。研究结果为钢箱棚洞缓冲装置材料、构造的选型设计、优化和后续1∶1原型试验提供了依据。
我国西部地区地形地质条件极其复杂，山高坡陡，地震频发，从2008年汶川地震、2013年四川芦山地震、2017年九寨沟地震等历次山区强烈地震后的公路震害显示，对公路破坏最大、抢通保通难度最大、破坏影响最深远的是高位崩塌等次生地质灾害。为解决震后高位崩塌等次生灾害对山区公路的破坏，满足生命线公路的保通需求，以“应急响应快、安装风险小、地基要求低、适应能力强、抗冲击能力强”为切入点，提出了“避、缓、抗”、“避、缓、延”、“避、延、耗”三种理念的装配式钢箱棚洞。
基于ANSYS/LS-DYNA的显示算法，对钢箱棚洞在落石冲击荷载下进行全过程模拟，依据落石最大冲击力，棚洞各部件吸能能力和钢箱结构等效应力等动力响应指标对三种类型钢箱棚洞抗落石冲击性能进行了深入分析，掌握了钢箱棚洞受力机理；利用钢箱结构屈服应力、基底承载能力和结构是否侵限为标准对三种防护理念的钢箱棚洞极限承载能力进行了研究。
结果表明：三种钢箱棚洞的结构形式合理，防护能级均能达到1 000 kJ，相对于传统钢棚洞或钢筋混凝土棚洞，其防护能级提升较大；安装的改性橡胶支座为可压缩超弹性材料，自恢复性良好能够重复多次使用，可通过其环向大变形进行储能，延长冲击时间以减小落石冲击力，提高棚洞抗冲击能力；柔性网防护系统通过防护网的大变形缓释并辅以其他系统耗能组件耗散能量，对比分析后其防护效果最佳，结构经济性和抗震性最佳，极限抗冲击能级可达2 000 kJ。研究结果为钢箱棚洞缓冲装置材料、构造的选型设计、优化和后续1∶1原型试验提供了依据。
