柔性被动网是一种常见的落石防护结构,其主要构件为直接承受落石冲击的柔性金属网拦截网(菱形网和环形网,本文主要研究环形网)、支撑金属网的钢绳(上下支撑绳)、将冲击力传递至地基基础的钢绳(拉锚绳)、连接在支撑绳和拉锚绳上的耗能器(本文主要研究减压环耗能器)、支撑钢绳的钢柱。柔性被动网具有施工便捷和不破坏自然环境等优点,适用于山区交通干线等基础设施的落石灾害防护。然而,柔性被动网结构尚未形成成熟有效的设计方法,大多采用经验配置-试验验证,无法进行有效的计算分析,这导致柔性被动网实际工程大量出现支撑钢柱屈曲、减压环无法启动、金属网破坏、钢绳破断、钢绳锚固失效等破坏现象。导致柔性被动网无法有效工作的主要原因是柔性被动网结构的独特性和复杂性。柔性被动网的独特性体现在其防护工作原理上:系统通过大变形来降低落石冲击力与耗散落石动能。复杂性体现在为了实现这一防护工作原理,结构中采用了大量的柔性构件和复杂的连接方式,冲击拦截过程涉及柔性构件的变形、构件间的协同运动和耗能器启动与变形等多重复杂运动与变形。为了实现结构有效工作,构件的合理配置与结构设计计算极其关键。但结构的复杂性导致柔性被动网拦截计算分析涉及动力冲击、大变形和接触滑移等多个高度非线性问题,进行精细化计算分析(具体是指按照构件实际几何形状和连接关系,采用精细单元建模,进行数值计算分析)的难度大、效率低、计算成本高,因此,建立等效替代模型实现高效快速计算分析,对柔性被动网工程设计计算极其重要。为了解决柔性被动网高效快速计算分析,本文通过部件试验、整体结构足尺冲击试验和数值计算分析等,对柔性被动网整体结构的变形及耗能机理、环形网构件的变形规律、环形网计算模型、整体结构高效快速计算方法等展开研究,主要工作内容与结论如下:1.设计了一例防护能级为1500kJ的柔性被动网足尺试验模型,进行整体结构冲击试验。试验模型构件配置采用优化合理配置,即减压环在跨外集中布置、支撑绳-柱端采用支撑绳-过渡绳滑移连接方式。获得了结构的冲击拦截变形过程和支撑绳、上拉锚绳的索力时程结果。通过对冲击拦截过程以及减压环的最终拉伸状态等试验结果的分析,得出了柔性被动网具有清晰的结构柔性大变形-结构耗能大变形两阶段变形耗能工作机理,即在结构的环形网变形→上下支撑绳变形→上拉锚绳变形的顺序启动多阶段变形过程中,环形网变形提供了结构的柔性大变形,上下支撑绳与上拉锚绳由于减压环伸长所发生的变形提供了结构的耗能大变形。2.分析了足尺冲击试验中环形网的冲击变形过程和最终变形形态,获得了环形网的区域化变形特征与网环(环形网的基本单元)的三种典型变形状态。进行了典型变形状态网环的试验和计算,得到了网环本构关系。对环形网片在固定边界(具体是指对环形网边缘网环进行固定约束的支撑方式)与“松柔支撑”边界(具体是指环形网边缘网环通过卸扣穿套在钢绳上的支撑方式)下的变形特征进行了精细化计算分析,获得了支撑边界与环形网变形特征之间的关系,并基于计算结果提出了“松柔支撑”边界条件下环形网区域化变形时的具体区域划分规则。之后结合网环本构关系和环形网区域化变形划分规则,提出了落石冲击点环形网自身变形量简化计算方法。3.采用连接于圆心,初始长度为网环半径的“X”形4桁架单元模拟单个网环,将典型变形状态下网环的荷载位移关系等效为桁架单元应力应变关系,连接“X”形4桁架单元对应节点,形成整片环形网单元模型,根据网环所处的变形区域赋予桁架单元相应的应力应变关系,通过设置接触滑移的方式模拟环形网与支撑绳之间的套结连接方式,据此建立了整片环形网的高效率分区域等代模型。通过与精确模型计算结果对比,验证了高效率分区域等代模型的准确性。进行了减压环拉伸试验,获得了荷载位移关系和主要性能参数,通过本构关系等效的方式建立了减压环的单个桁架单元等代模型。基于环形网分区域等代模型和减压环桁架等代模型,建立了整体结构的高效率计算模型,采用该模型进行了整体结构足尺冲击试验的数值模拟计算,计算结果体现了和试验结果一致的阶段性变形特征,各主要构件动力响应结果与试验结果吻合良好。4.基于以上整体结构的高效率计算模型,研究了上下支撑绳中减压环排布、支撑绳-过渡绳体系预设滑移长度和上拉锚绳中减压环排布等具体构件配置对结构耗能性能的影响。通过计算分析揭示了上下支撑绳存在“牵卡效应”,并分析了其成因和主要影响因素;确定了防护能级为1000-3000kJ的系统致使结构发生“牵卡效应”的耗能单元启动荷载范围;明确了上拉锚绳减压环组的启动条件。根据计算分析结果提出了针对具体配置的设计建议。