基于落石质量与下落高度的缓冲层-拱形明洞设计方法

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M 1 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(M 1 ，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： 4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述冲切破坏等效弹簧系数的表达式为：其中，F 2max —钢筋混凝土构件抗冲切破坏承载力；x 2max —钢筋混凝土构件达到其冲切承载力时对应的极限位移；f t —混凝土轴心抗拉强度；u—临界截面的周长，取距离局部荷载或集中反力作用面积周边h 0 /2处板垂直截面的最不利周长；h 0 —截面有效高度，取拱形明洞结构的厚度减去保护层厚度；f yv —箍筋的抗拉强度；A svu —与呈45°冲切破坏锥体斜截面相交的全部箍筋截面面积；f ctmd —混凝土的平均动态抗拉强度；E c —混凝土的弹性模量。 5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，计算所述冲切破坏结构等效质量的表达式为：当δ max ＜h时，M 2 ＝ρ 1 V 1 +ρ 2 V 2 ；其中，ρ 1 —缓冲层土体重度；V 1 —冲切范围内缓冲层土体体积；ρ 2 —钢筋混凝土重度；V 2 —冲切范围内拱形明洞钢筋混凝土体积，h—缓冲层厚度；当δ max ≥h时，M 2 ＝ρ 2 V′ 2 ；其中，V′ 2 —冲切范围内拱形明洞钢筋混凝土体积。 6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，计算所述弯曲破坏等效弹簧系数的表达式为：其中，F 3max —落石冲击下拱形明洞结构发生弯曲破坏对应的最大荷载；x 3max —落石冲击下拱形明洞结构发生弯曲破坏对应的最大荷载下的位移；L 0 —板的计算宽度，取拱形明洞结构跨度L的1/2；v—混凝土泊松比。 7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，计算所述弯曲破坏结构等效质量的表达式为： t—拱形明洞结构厚度。 8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，计算所述冲切位移和弯曲位移的表达式为：其中，x 1 —落石自与缓冲层开始接触起，相对于静止地面的竖向位移；x 2 —冲切位移；x 3 —弯曲位移； 和 分别对应为x 1 ，x 2 和x 3 的二阶导数。 9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述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，具体包括：当所述结构局部冲切相对位移小于第一预设值，且所述结构整体弯曲相对位移小于第五预设值时，所述拱形明洞结构处于安全状态；所述结构局部冲切相对位移为所述位移差值和对应的极限位移的比值；所述结构整体弯曲相对位移为所述弯曲位移与对应的极限位移的比值；当所述结构局部冲切相对位移大于等于第一预设值且小于第二预设值时，且所述结构整体弯曲相对位移小于第五预设值时，所述拱形明洞结构处于可靠状态；当所述结构局部冲切相对位移大于等于第二预设值且小于第三预设值时，且所述结构整体弯曲相对位移小于第五预设值时，所述拱形明洞结构发生轻微损伤；当所述结构局部冲切相对位移大于等于第三预设值且小于第四预设值时，且所述结构整体弯曲相对位移小于第五预设值时，所述拱形明洞结构发生中等损伤；当所述结构局部冲切相对位移大于等于第四预设值且小于第五预设值时，且所述结构整体弯曲相对位移小于第五预设值时，所述拱形明洞结构发生严重损伤；当所述结构局部冲切相对位移大于等于第五预设值时，且所述结构整体弯曲相对位移小于第五预设值时，所述拱形明洞结构发生局部破坏；当所述结构整体弯曲相对位移大于等于第五预设值时，所述拱形明洞结构发生整体破坏；0≤所述第一预设值<第二预设值<第三预设值<第四预设值<第五预设值≤1。 10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据所述拱形明洞结构损伤破坏程度进行结构设计优化，具体包括：当所述拱形明洞结构发生轻微损伤、中等损伤、严重损伤或局部破坏时，对当前所述缓冲层-拱形明洞结构的缓冲层土体参数和拱形明洞结构参数进行调整；当所述拱形明洞结构发生整体破坏时，对缓冲层-拱形明洞结构重新设计。