[发明专利]一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法

说明书

本发明涉及挖填方工程边坡防护技术领域，涉及一种考虑多重非线性因素的数字化柔性防护系统设计方法，具体包括以下步骤：a）确定灾害参数；b）初选系统类型、构件规格；c）建立包含坡面环境数字化信息的计算模型Ⅰ；d）建立包含系统安装形态及初始内力的计算模型Ⅱ；e）建立包含致灾体数字化信息的计算模型Ⅲ；f）进行致灾体与防护系统显式动力计算；g）结果验算。本发明解决了挖填方工程边坡致灾体冲击与柔性防护这一复杂过程的计算难题，精确考虑了大变形、大滑移、接触分离等多重非线性因素，显著提高了挖填方工程边坡防护设计的精确性。

技术领域

本发明涉及挖填方工程边坡防护技术领域，具体地说，涉及一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法。

背景技术

在挖填方工程边坡灾害防护领域，柔性防护技术已获得广泛应用，但是，目前没有量化的科学设计方法。鉴于致灾体冲击柔性防护系统过程极其复杂，无法采用解析方法进行设计，故目前只能采用数值分析方法进行系统结构设计。但是，致灾体冲击柔性防护系统是一个具有多重非线性问题的动力冲击过程，包括：灾害非线性——坡面形态各异，因此，致灾体运动轨迹、冲击能量、冲击方式具有离散型，还有岩石破碎、泥石流等非线性致灾体；材料非线性——除支撑柱外，钢丝绳、柔性网片均为柔性材料，发生非线性大变形，消能器通过弹塑性大变形消耗冲击能量；接触非线性——主要拦截部件柔性网片由钢丝网环套接而成，随冲击过程，网环间的相对关系存在接触、分离、滑移等多种状态，是典型的非线性接触，等等。目前，在该领域还没有能系统地考虑多重非线性因素的数字化计算方法，因此，提出高精度非线性数值计算方法是提高设计方法合理性、提升柔性防护技术的关键。

发明内容

本发明的内容是提供一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。

根据本发明的一种考虑多重非线性的数字化柔性防护系统设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤a：确定灾害参数；通过数字化扫描技术，重构坡面数字化空间信息模型，结合地质勘察建立数字化边坡灾害模型，确定后续防护系统设计参数，包括灾害源空间位置、空间轨迹、冲击动能及致灾范围；

步骤b：初选系统类型、构件规格；根据灾害模型参数、防护需求和相关行业规范要求初步确定系统类型，明确防护冲击动能E_k、最小防护高度[H]、容许缓冲距离[D]，匹配相应的构件类型规格及材料物理参数；

步骤c：建立包含坡面环境数字化信息的计算模型Ⅰ；基于步骤a的坡面数字化空间信息模型，建立集成了柔性防护系统几何信息的综合数字化模型，即计算模型Ⅰ，柔性防护系统包括柔性网片、钢丝绳、支撑柱、消能器和绳卡，钢丝绳包括支撑绳、过渡绳和拉锚绳；然后对计算模型Ⅰ进行有限元网格划分，并定义单元类型、截面尺寸、材料、边界、接触关系和求解参数；

步骤d：建立包含系统安装形态及初始内力的计算模型Ⅱ；对计算模型Ⅰ进行初始化计算，包括形态初始化和内力初始化，更新模型的几何形态、单元内力，记为计算模型Ⅱ；

步骤e：建立包含致灾体数字化信息的计算模型Ⅲ；在计算模型Ⅱ中添加边坡致灾体，设置致灾体与防护系统的耦合传力，获得计算模型Ⅲ；

步骤f：进行致灾体与防护系统显式动力计算；计算时间终点设置在冲击力峰值出现之后，提取计算结果；

步骤g：结果验算；验算残余防护高度H和缓冲距离D，验算网片承载力、钢丝绳内力、消能器伸长量、支撑柱稳定性；若验算不通过，返回步骤b，循环直至通过验算。

作为优选，步骤b中，根据防护场景，选择不同的防护体系，包括但不限于：边坡危岩清理施工防护和高陡边坡落石灾害防护均选择引导式防护系统；落石轨迹易预测且不易发生弹跳扩散的防护区域选择被动网防护系统。