棚洞作为一种典型的被动防护结构,有着良好的力学性能,被广泛应用于山区的公路工程、铁路工程、隧道工程中。但有关落石冲击棚洞结构的动力响应与破坏机制等方面的研究工作,一直以来都是研究的难点及重点。本文依托国家自然基金项目(编号:51408084),以室内模型试验、数值模拟、频谱分析等为主要研究手段,研究了棚洞在不同落石形状、不同落石高度、不同冲击点情况下棚洞结构的动力响应变化规律、频率变化规律以及破坏机制。主要研究成果如下:(1)通过室内模型试验,分析得出不同形状落石冲击棚洞加速度大小顺序基本为:球体、长方体、立方体、圆柱体;加速度随距冲击点距离的增大而减小。(2)基于数值模拟方法,分析得出落石坠落高度相同时,冲击点正下方位移最大,且各节点最大位移随与冲击点的距离增加而减小;与冲击点距离相同的两节点,沿短边方向上的节点产生的最大位移值大于长边方向的节点产生的最大位移值;棚洞立柱上部位置的节点在X、Y、Z三个方向上都产生了明显位移。(3)落石以不同高度坠落冲击棚洞顶板时,将部分能量转换为了棚洞能量,且转换为棚洞的能量占落石初始能量的占比随坠落高度的增大而增大,具体为:当坠落高度由0.5m增加至2.0m时,棚洞的能量占落石初始能量的40.0%~60.41%。(4)棚洞顶板挠度、最大冲击力、能量都随缓冲垫层厚度的增加而减小。对比无缓冲垫层情况下,3cm~9cm厚度缓冲垫层棚洞顶板最大挠度减小了62.93%~71.48%;最大冲击力减小了70.01%~76.56%;棚洞能量减小了89.96%~93.92%。(5)落石坠落高度从0.5m增大到2.0m时,随着坠落高度的增大,振动速度峰值速度逐渐增大。落石坠落高度为0.5m、1.0m、1.5m和2.0m相比于未设置砂垫层时,设置3cm厚砂垫层时振动速度峰值分别减少62.7%、64.4%、65.6%和72.8%。(6)设置砂垫层时,基于FFT的振动速度频谱表现为比较明显的“单峰性”。相比与未设置砂垫层,频率成分更加的单一。未设砂垫层时,频谱图表现出明显的“多峰性”。(7)在落石冲击棚洞顶板短边中心、长边中心以及顶板中心工况下,HHT瞬时频率集中分布碰撞接触初期时间段内;在设置缓冲垫层(砂垫层)工况下,HH T瞬时频率分布全时间段内,且瞬时频率向低频发展。(8)落石冲击普通棚洞顶板不同部位时,1号频带(0~39.0625Hz)能量占比最大,该频带能量占比接近80%,其他频带能量占比都在5%以下。设置缓冲垫层(砂垫层)时,能量占比较大的频带为:1号(0~39.0625Hz)、3号(78.125Hz~117.1875Hz)、4号(117.1875Hz~156.25Hz)、7号(234.375Hz~273.4375Hz)和8号(273.4375Hz~312.5Hz)频带。(9)落石以20m/s的速度冲击破坏棚洞时,冲击点为顶板中心时的冲击力峰值是顶冲击点为顶板长边中心的2.55倍,是冲击点为顶板短边中心的2.61倍;顶板中心冲击点处的挠度大于顶板长、短边中心冲击点处的挠度;不同冲击点的工况下,动能峰值与内能峰值之和差距较小,而各冲击点的动能峰值与内能峰值占比存在明显差异。