[发明专利]基于落石质量与下落高度的缓冲层-拱形明洞设计方法

权利要求书

1.基于落石质量与下落高度的缓冲层-拱形明洞设计方法，其特征在于，包括：

建立落石和缓冲层-拱形明洞结构的多自由度系统理论模型；

在预期的落石质量和预期的下落高度下，根据所述落石对所述缓冲层产生的冲击力及冲击深度计算所述多自由度系统理论模型中的落石冲击下缓冲层土体等效弹簧系数，记为缓冲层等效弹簧系数；

计算所述多自由度系统理论模型中的落石冲击下拱形明洞结构发生冲切破坏力学行为的等效弹簧系数和冲切范围内的土体和明洞结构的等效质量分别记为冲切破坏等效弹簧系数和冲切破坏结构等效质量；

计算所述多自由度系统理论模型中的弯曲破坏力学行为的等效弹簧系数和拱形明洞结构发生弯曲破坏时塑性绞线范围内结构的等效质量，分别记为弯曲破坏等效弹簧系数和弯曲破坏结构等效质量；

根据所述预期的落石质量、所述缓冲层等效弹簧系数、所述冲切破坏等效弹簧系数、所述冲切破坏结构等效质量、所述弯曲破坏等效弹簧系数和所述弯曲破坏结构等效质量结合所述多自由度系统理论模型计算冲切破坏范围内土体和明洞结构相对于静止地面的竖向位移和弯曲破坏范围内拱形明洞结构的弯曲位移，分别记为冲切位移和弯曲位移；

计算所述冲切位移与所述弯曲位移的位移差值，并根据所述位移差值和所述弯曲位移分别与对应的极限位移的比值结合落石冲击下拱形明洞结构损伤破坏判断准则确定当前所述预期的落石质量和所述预期的下落高度下的拱形明洞结构损伤破坏程度；

根据所述拱形明洞结构损伤破坏程度进行结构设计优化。

2.基于落石质量与下落高度的缓冲层-拱形明洞设计方法，其特征在于，包括：

建立落石-缓冲层-拱形明洞结构的多自由度系统理论模型；

设置落石质量和下落高度的不同数值组合，对每一数值组合，根据所述落石对所述缓冲层产生的冲击力及冲击深度计算所述多自由度系统理论模型中的落石冲击下缓冲层土体等效弹簧系数，记为缓冲层等效弹簧系数；

对每一数值组合，计算所述多自由度系统理论模型中的落石冲击下拱形明洞结构发生冲切破坏力学行为的等效弹簧系数和冲切范围内的土体和明洞结构的等效质量分别记为冲切破坏等效弹簧系数和冲切破坏结构等效质量；

对每一数值组合，计算所述多自由度系统理论模型中的弯曲破坏力学行为的等效弹簧系数和拱形明洞结构发生弯曲破坏时塑性绞线范围内结构的等效质量，分别记为弯曲破坏等效弹簧系数和弯曲破坏结构等效质量；

根据每一所述落石质量以及对应的所述缓冲层等效弹簧系数、所述冲切破坏等效弹簧系数、所述冲切破坏结构等效质量、所述弯曲破坏等效弹簧系数和所述弯曲破坏结构等效质量结合所述多自由度系统理论模型分别计算冲切位移和弯曲位移；所述冲切位移为冲切破坏范围内土体和明洞结构相对于静止地面的竖向位移；所述弯曲位移为弯曲破坏范围内拱形明洞结构的弯曲位移；

对每一数值组合下的所述冲切位移和所述弯曲位移计算位移差值，并根据所述位移差值和所述弯曲位移分别与对应的极限位移的比值结合落石冲击下拱形明洞结构损伤破坏判断准则得到拱形明洞结构损伤破坏程度；

以落石质量M₁为横坐标，落石高度H为纵坐标，将同一损伤破坏程度的临界值数据对应的(M₁，H)连接形成结构等损伤破坏特征曲线，绘制生成基于落石质量和高度的落石冲击下拱形明洞结构损伤破坏评估曲线图；所述损伤破坏评估曲线图中包括按不同损伤程度划分的安全区、可靠区、轻微损伤区、中度损伤区、严重损伤区、局部破坏区和整体破坏区；

根据所述损伤破坏评估曲线图进行损伤程度的评估和结构优化。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据所述落石对缓冲层产生的冲击力及冲击深度计算落石冲击下缓冲层土体等效弹簧系数，具体包括：

所述落石对缓冲层产生的冲击力的表达式为：

其中，p—落石对缓冲层土体产生的冲击应力；A—落石与缓冲层土体接触面积；E—明洞缓冲层土体变形模量；δ—落石冲击深度；R—落石半径；δ_y—土体压缩屈服时对应的屈服变形；p_y—土体屈服应力；k—土体材料强化系数；

所述缓冲层等效弹簧系数的表达式为：