《柔性棚洞防护结构技术规程》编制与介绍.pdf

书 书 书 铁道技术标准第卷 第期 收稿日期：；修回日期：基金项目：四川省科技计划重点研发项目（）；四川省科技计划（）柔性棚洞防护结构技术规程编制与介绍齐欣，胡阳阳，许浒，余志祥，孟庆成（西南交通大学复杂艰险山区铁路防灾减灾铁路行业重点实验室，四川成都；西南交通大学土木工程学院，四川成都；西南石油大学土木工程与测绘学院，四川成都）作者简介：齐欣，年月生，副教授，博士，四川省住建厅入库专家、中国钢结构协会钢结构焊接与连接分会理事、四川省金属结构行业协会钢结构专家，电子邮箱：。主要从事研究方向：长期从事钢结构、防护结构设计与研究。主持、主研国家自然科学基金等科研项目余项，参与编写地方标准部、协会标准部，发表学术论文余篇，申报发明专利余项、实用新型专利项、软件著作权项，获省部级科技进步奖励项。摘要：柔性棚洞防护结构技术规程是我国第一部关于柔性棚洞的技术规程，首次提出了柔性棚洞结构体系的分类标准、工程设计方法、性能检验方法。其中，根据支撑结构类型划分了拱形柔性棚洞、框架式柔性棚洞、悬挑式柔性棚洞；根据缓冲结构类型划分了抛出式和拦截式棚洞。在设计环节，针对不同构件的设计验算方法和储备系数也给出了建议，在此基础上明确了柔性棚洞的部件及连接构造要求。此外，针对部件和整体结构的性能检测给出了具体的检验试验方法，便于操作实施。该技术规程的编制对进一步完善我国防护工程结构的技术标准化具有实际意义。关键词：柔性棚洞；技术规程；结构体系；性能检验文章编号：（）中图分类号：文献标识码：，（，；，；，）齐欣等：柔性棚洞防护结构技术规程编制与介绍 ：，：，：，：；：（）：引言一直以来，为便于专业技术人员正确理解、运用相关设计规范，规范主编人员较为重视解读规范的主要技术标准，并借此宣贯规范编制理念。如孙海富、刘传朋等、马志富等分别对 城际铁路设计规范（）市域（郊）铁路设计规范（）铁路专用线设计规范（）铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范（）主要技术标准进行了介绍，闫宏伟等、柳世辉等分别对 高速铁路设计规范（）铁路线路设计规范（）修订内容进行了评析，曹德志、余浩伟等、黄一昕等等分别对 客货共线铁路轨道工程施工技术规程（）（山地齿轮）轨道交通技术规范（）铁路三维地理信息数据技术规范（）主要内容进行了解读。柔性棚洞防护结构技术规程（以下简称“规程”）是国内首部关于柔性棚洞的技术规程。规程根据中国工程建设标准化协会 关于印发年第二批工程建设协会标准制订、修订计划的通知（建标协字?号）的要求，由西南交通大学、中冶建筑研究总院有限公司会同有关单位共同编制。规程共分为章和个附录。主要内容包括：总则、术语和符号、基本规定、勘查、工程设计、质量检验、运输、安装及验收、保养和维修等。编制背景随着山区铁路、公路以及各类山区基础设施数量的不断增加，边坡地质灾害造成的公共安全问题也日益显著，从边坡地质灾害种类来看，滑坡和崩塌落石灾害占；从冲击能级来看，大小不等，破坏能量多分布在 之间。作为最常铁道技术标准见的落石灾害防治结构之一，棚洞结构被广泛应用于山区公路、铁路交通干线。与传统钢筋混凝土棚洞相比，柔性钢结构棚洞具有场地适应性强、安装速度快、便于更换维护等优势，近年来获得了较好的推广应用。但由于没有统一的技术标准，对该类结构的设计、施工以及安全评价均造成了一定困难。目前，针对柔性棚洞防护结构，国内外还没有可供执行的规范标准，对于结构体系的分类标准、工程设计方法、性能检验方法缺乏系统的技术支持。国际上，欧洲标准 （）是与柔性棚洞关联度最高的柔性防护结构标准。该标准制定了整体系统的试验检验方法与流程，但未对适用领域做出限定，且仅给出了被动防护系统的检验评价方法，涵盖范围较窄，若涉及其他防护系统，还需配合其他欧洲标准如 （）使用。目前，国内仅有铁道行业标准 铁路边坡柔性被动防护产品落石冲击试验方法与评价（）和交通部行业标准 边坡柔性防护网系统（）对防护结构部件的试验、检验和评价方法提供一定的指导。因此，亟需编制一本针对柔性棚洞防护结构的技术规范。规程在总结既有整体结构和部件试验方法及评价标准的基础上，科学性、系统性地对柔性棚洞体系做出规定，对控制产品质量，规范行业发展，整合国内相关资源，提升国内该行业在国际市场的竞争力具有重要意义。编制原则 规程适用于城镇建设、水利、水电、军事洞库区等领域中所涉及的柔性棚洞勘查、设计、施工及维护。本着安全适用、技术先进、经济合理、质量可靠的原则。在对国内外相关规范和具体工程广泛调研基础上，充分考虑当前国内柔性棚洞防护结构行业的发展现状及要求，对柔性棚洞防护结构的设计、质量检验、安装、验收、维护等给出具体规定。（）依托工程实践经验考虑柔性棚洞防护结构技术规程的使用环境特点及要求，充分吸收主编与参编单位在工程实践中的技术需求与解决方案。采用行业发展的新技术、新方法和新工艺，结合具体工程实践进行编制。（）结合最新的科研成果收集整理已有的实践经验和试验数据，充分开展理论研究、数值模拟分析和足尺模型试验，以最新试验数据和设计方法等科研成果为基础，提高规程的科学性、先进性、可操作性和实用性。（）与相关标准的协调性与现行的国际先进标准保持同步和接轨，结合行业自身特点，充分考虑与国家、行业相关标准相协调。主要技术内容 安全等级柔性棚洞防护结构可作为边坡落石防护工程的一部分，与其他工程措施配合使用，也可独立使用，根据防护对象、维护难易程度和破坏后果划分了安全等级，柔性棚洞防护结构安全等级划分见表。表柔性棚洞防护结构安全等级划分安全等级危害程度破坏后果常见防护对象维护难易程度一级 高车辆倾覆，桥梁、隧道洞口等构造物、路面、路基及重要建筑物严重受损，人员伤亡严重轨道交通工程，高速公路和一级公路困难二级 中棚洞少量组成构件破坏，构件可更换或中等修复。桥梁、隧道洞口等构造物、路面、路基受损，人员伤亡少二级及以下公路一般三级 低棚洞非结构构件破坏，构件可更换或简单修复。桥梁、隧道洞口等构造物、路面、路基轻微受损，几乎无人员伤亡非干线交通工程、临时线路工程容易 勘察勘察按柔性棚洞防护结构上部崩塌落石及棚洞基础分别开展。崩塌落石的工程地质勘察需要查明建设区边坡的工程地质条件，分析影响崩塌落石稳定性的工程地质因素，评价崩塌落石的稳定性现齐欣等：柔性棚洞防护结构技术规程编制与介绍状，分析失稳后崩塌落石的运动特征、危害范围及冲击能量。棚洞基础的工程地质勘察需要查明棚洞结构基础范围内及附近的工程地质条件，提供岩土体结构组成、岩土体物理力学性能、地下水特征、地基承载力等参数，为柔性棚洞防护结构基础设计提供地质依据。工程设计 结构体系柔性棚洞防护结构主要包含支撑结构、缓冲系统以及基础。按照支撑结构形式可分为拱式柔性棚洞、门式柔性棚洞、悬挑式柔性棚洞等，常见柔性棚洞形式见图，亦可采用种形式组合；支撑结构可采用钢结构、钢筋混凝土结构或其他结构。图常见柔性棚洞形式防护结构缓冲系统主要由柔性网、缓冲单元、钢丝绳和其他钢构件组成，根据柔性棚洞防护结构缓冲系统的受力特征和防护效果，可分为抛出式棚洞和拦截式棚洞。抛出式棚洞的主要防护特征为落石弹出防护区域，拦截式棚洞的防护特征为落石落入缓冲系统后仍停留在网中，不进入防护区域，柔性棚洞防护结构缓冲层工作机理见图。其中，临谷、临海线路宜选择抛出式柔性棚洞；有连续回头曲线的越岭路线等宜选择拦截式柔性棚洞；线路附近有建筑、密集人群聚集区等宜选择拦截式柔性棚洞。设计原则结构设计时，分别考虑正常服役防护能级和极限防护能级两种设计状态。其中，柔性棚洞防护结图柔性棚洞防护结构缓冲层工作机理构的正常服役防护能级和极限防护能级根据安全等级确定（）（）式中：为柔性棚洞防护结构正常服役防护能级，；为柔性棚洞防护结构极限防护能级，；为落石最大冲击能量，；为安全等级设计系数，安全等级为一级、二级、三级时，分别取、和。结构设计柔性棚洞防护结构设计包括缓冲系统设计和支撑结构设计。结构整体设计保证传力明确，并尽量减少次应力，节点处各构件的内力交汇于一点，节点构造简单紧凑。缓冲系统中的网片承载力满足，（）式中：，为网片的冲击作用力设计值，；为网片承载力，缠绕型环形网片承载力参考值见表；为承载力变异系数，可取。表网片承载力参考值缠绕圈数长宽比 柔性棚洞防护结构的极限防护能级高于 时，系统中需设置缓冲单元，且缓冲单元耗能比例系数不小于。缓冲单元按下列原则进行设置：（）结构构件不应阻碍缓冲单元的变形和相连钢丝绳的滑移。（）缓冲单元与钢丝绳直接相连，布置在锚固端附近。铁道技术标准（）缓冲单元拉伸变形量不小于，且不大于。设置于钢丝绳上的缓冲单元数量为（）式中：为缓冲单元耗能比例系数，不小于；为考虑缓冲单元未完全工作的调整系数，取 ；为单个缓冲单元的耗能设计值，。缓冲单元的启动力符合，（），（）式中：为缓冲单元静态启动力，；为缓冲单元动态启动力，；，为钢丝绳拉力设计值，。支撑结构可采用钢结构、混凝土结构或其他结构形式，承载力、稳定和变形验算按现行国家标准 钢结构设计标准（）和 混凝土结构设计规范（）执行。支撑结构与缓冲系统采用整体协同计算，当支撑结构与缓冲系统单独计算时，考虑缓冲结构和支撑结构的相互影响，以缓冲系统的传递荷载、边界条件作为支撑结构的计算条件；抛出式柔性棚洞防护结构进行落石抛出控制验算。此外，对于柔性棚洞防护结构中钢丝绳的承载力要求以及缓冲单元的设置进行了规定。柔性棚洞防护结构的极限防护能级高于 时，系统中设置缓冲单元，且缓冲单元耗能比例系数不小于。明确了缓冲单元的设置原则、配置方式、缓冲单元数量以及启动力计算。基础设计基础包括钢丝绳的锚杆基础以及支撑结构的基础。当为岩石地基时可采用锚杆基础，所需锚杆根数及长度根据基础设计内力值确定；锚固段长度不小于 ；锚杆孔径不小于；钻孔注浆材料采用水泥浆或水泥砂浆，强度不低于。性能检验性能检验包括材料性能检验、构件性能检验和整体性能检验，检验主要核查厂家提供的质量证明文件。构件性能检验和材料性能检验覆盖柔性棚洞防护结构的所有构件和材料；厂家提供的质量证明文件包括构件生产加工合格证明、出厂检验证明、原材料材质证明、盐雾试验报告、柔性棚洞防护结构构件试验报告。构件性能检验缓冲系统中柔性网片力学性能测试，包括压力装置、加载位置、测试样品、环境温度、顶破试验、试验架、网片安装、网环连接方法、试验报告等各项内容；明确提出钢丝绳破断拉力的确定方法；对于缓冲单元，按规定过程分别进行静力力学性能检验和动力力学性能检验。抽样以同一规格的同类原材料或构件为一批次，每批次构件的数量不超过 个，随机抽取个构件作为一组试样进行构件性能试验。整体性能检验柔性棚洞防护结构极限防护能级、侵界距离、最大变形等整体性能，采用冲击试块自由下落的方式对柔性棚洞防护结构进行直接冲击作用。冲击试块的冲击动能为自由下落冲击：（）边坡滚落冲击：（）式中：为冲击试块的质量；为重力加速度，；为试块的下落高度，；为通过落石轨迹模拟得到的冲击时试块的速度，；为通过落石轨迹模拟得到的冲击时试块的滚动角速度，；为试块的半径，。柔性棚洞防护结构的冲击试验按拦截式棚洞和抛出式棚洞分别开展。对两种棚洞分别在正常服役防护能级（）和极限防护能级（）两类不同工况冲击下的冲击位置作出了规定。拦截式棚洞冲击工况中第一次冲击的位置为缓冲系统的中心，见图；第一次冲击后，仅移走冲击试块，在不更换任何构件和不进行任何维护的情况下进行第二次冲击，冲击的位置仍位于柔性缓冲层中心，见图；拦截式棚洞冲击工况的冲击位置为缓冲系统的中心。抛出式棚洞冲击工况中第一次冲击的位置为悬挑网面的中心点，见图；第一次冲击后，仅移走冲击试块，在不更换任何构件和不进行任何维护的情况下进行第二次冲击，冲击的位置仍位于柔性缓冲层中心，见图；抛出式棚洞冲击工况的冲击位置为弹跳棚洞悬挑网面平面的中心。齐欣等：柔性棚洞防护结构技术规程编制与介绍图 冲击工况中第一次冲击位置（拦截式）图 冲击工况中第二次冲击位置（拦截式）图 冲击工况中第一次冲击位置（抛出式）图 冲击工况中第二次冲击位置（抛出式）组批与抽样时以同一型号柔性棚洞防护结构为一个批次，每批次制作一个试验模型进行性能试验检验。对于结果判定，根据不同的安全等级明确给出成功或失败的结论，明确提出每次冲击试验记录冲击前、冲击中和冲击后的试验数据，要求满足规定精度和公差，并对检验试验报告的内容作出了规定，不同安全等级的冲击试验见表。表不同安全等级的冲击试验安全等级 冲击工况试验成功一级各工况冲击加载完成后，落石被成功拦截后静止于缓冲系统中或被完全弹出结构范围，任意构件不得出现破坏，仅需更换缓冲单元、网片后，便可继续工作第一次冲击后冲击位移不应大于限界高度的；第二次冲击后冲击位移不应大于限界高度的冲击后冲击位移不应大于限界高度续表安全等级 冲击工况试验成功二级工况加载完成后，落石被成功拦截后静止于缓冲系统中或被完全弹出结构范围，各构件间未出现明显分离，钢丝绳未发生拉断破坏，经更换破坏网片和缓冲单元后可继续进行工况冲击加载。工况加载完成后，落石被成功拦截或被完全弹出结构范围，允许结构出现破坏第一次冲击后冲击位移不应大于限界高度的；第二次冲击后冲击位移不应大于限界高度的冲击后冲击位移不应大于限界高度三级各工况冲击加载完成后，未出现由于构件破坏（网片被击穿、钢丝绳被拉断等情况）、落石静止于缓冲系统中或被完全弹出结构范围。第一次冲击后冲击位移不应大于限界高度的；第二次冲击后冲击位移不应大于限界高度的冲击后冲击位移不应大于限界高度结论（）规程全面的规定了柔性棚洞结构勘查、设计、质量检验、施工与验收、保养及维修等要求。（）明确了柔性棚洞结构的组成和结构体系，规定了柔性棚洞结构的安全等级。规定了柔性棚洞结构各组成构件如网片、钢构件、钢丝绳和缓冲单元的设计计算方法。（）提出了柔性棚洞结构质量检验、施工与验收、保养及维修等的相关要求。（）规程的颁布执行对控制产品质量，规范行业发展，整合国内相关资源，提升国内该行业在国际市场的竞争力具有重要意义。参考文献：孙海富城际铁路设计规范主要技术标准 铁道工程学报，（）：刘传朋，方文珊，黄一昕市域（郊）铁路设计规范主要技术标准研究 铁路工程技术与经济，（）：刘传朋铁路专用线设计规范（试行）主要技术标准研究 铁路工程技术与经济，（）：马志富，安玉红对 铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范主要技术标准的解析 铁道标准设计，（）：铁道技术标准闫宏伟，沈志凌，吴歆彦，等高速铁路设计规范等标准信号部分局部修订解析 铁道标准设计，（）：柳世辉铁路线路设计规范主要修订内容解析铁道标准设计，（）：，曹德志客货共线铁路轨道工程施工技术规程编制内容研究与实施要点解析 铁道标准设计，（）：余浩伟，徐银光，林世金山地（齿轨）轨道交通技术规范主要内容解析 铁道标准设计，（）：，黄一昕，杨全亮，蒋函珂，等 铁路三维地理信息数据技术规范内容解析铁道标准设计，（）：武瑞宏铁路工程测绘技术标准体系研究 铁道标准设计，（）：刘?，倪光斌，林传年，等中欧铁路隧道标准差异性研究与制修订建议 铁道标准设计，（）：，责任编辑：张航铁道技术标准（中英文）投稿须知 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