地下综合管廊抗爆性能及加固方法研究

为了解地下综合管廊的极限抗爆性能，基于LS-DYNA商用软件，建立了精细化数值计算模型，分析了内部燃气爆炸荷载作用下管廊结构的动力响应特征和受荷破坏全过程，揭示了其失效破坏机理。分析结果表明：当爆炸超压为80～140 kPa时，管廊结构墙缝、顶板跨中和边墙跨中位置出现裂缝；当爆炸超压为160 kPa时，边墙出现弯剪破坏；当超压达到180 kPa时，顶板在跨中位置明显破坏；当超压达到200 kPa后，结构发生倒塌破坏；基于超压峰值和结构破坏关系建立了管廊损伤预测方法，标定了管廊的损伤预测等级；提出了2种结构加固方法，将管廊结构抗爆性能提升了17.5%、146%,该加固方法为同类管廊提供了借鉴。     

综合管廊燃气爆炸对下穿隧道结构安全性的影响研究EI北大核心CSCD

针对综合管廊燃气爆炸时下穿隧道可能遭受破坏的风险,首先通过野外管廊燃气爆炸试验确定综合管廊超压时程,而后建立综合管廊-土体-下穿隧道整体三维有限元模型,并在综合管廊燃气舱内壁施加荷载,计算分析了下穿隧道的动力响应规律。结果表明:野外管廊燃气爆炸试验实测超压峰值高达0.63 MPa,且升压和降压持续时间均为0.1 s左右;隧道衬砌拱顶区域最先受到冲击,衬砌位移随时间的增大而增大,而衬砌应力则在超压峰值时刻达到最大,且隧道平行下穿时的衬砌应力超过正交下穿时的3.5倍;随着隧道和管廊间距的增大,隧道动力响应如衬砌应力、振动速度等均逐渐减小,且隧道正交下穿管廊时的减小趋势更明显;综合考虑各因素的影响,建议优先考虑隧道正交下穿综合管廊,且隧道与管廊的安全距离控制在7 m以上。研究结果可为综合管廊抗爆及下穿隧道工程设计等提供参考。     

城市管廊燃气爆炸动态响应的数值模拟研究

为更好的进行城市管廊结构抗爆优化设计,深入研究管廊燃气爆炸动态响应特性极为必要.利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,建立管廊结构的有限元计算模型,采用等效内能法模拟燃气爆炸荷载,研究燃气爆炸激发冲击波传播衰减规律及其对管廊结构的动态响应规律,分析管廊结构破坏和反应特征.结果表明:燃气爆炸冲击波随传播距离的增加,峰值压力逐渐降低,同时超压持续作用时间逐渐变短.冲击波在受限空间壁面的反射叠加造成其峰值压力在传播后期呈现略微增加趋势,但整体上以多项式形式衰减.爆炸损伤部位主要集中在燃气仓墙角或结构突变位置,燃气仓顶部设置泄压口,可有效避免上部通行仓混凝土的损伤破坏效应.管廊结构墙角处刚度较大导致其振动响应程度较弱,而墙面中部区域节点振动合速度可达到0.4 m/s.满仓燃气爆炸工况下,管廊结构局部混凝土产生贯穿裂纹,但并未出现整体结构性损坏.     

地下拱形结构爆炸响应计算二维和三维模型比较

数值计算是研究地下拱形结构在爆炸荷载作用下动力响应问题的一种较好方法,数值计算过程中将三维(3D)模型简化为二维(2D)模型能提高数值计算效率,同时也会造成一定的计算误差。为了研究二维计算模型能否等效三维计算模型以及等效的前提条件和范围,采用数值计算分别对3D模型和2D模型爆炸冲击作用下地下拱形结构动力响应进行比较分析。计算结果表明:在两种计算模型中,自由场压力峰值的计算结果在装药周围差异较大,随着装药距离的增加趋于吻合;在2D模型中拱形结构的约束条件被增强,导致2D模型计算得到的应力、应变和质点振动速度偏小;当比例爆距大于一定值时2D模型和3D模型的计算结果吻合较好,计算表明该临界值为临界比例距离为2.76 m/kg1/3。     

装药偏差对小比例内爆炸试验结果影响分析

小比例内爆炸模型试验是当前国内外研究内爆炸荷载的主要方法。针对文献报道小比例内爆炸试验所得内爆炸荷载数据离散较大的特点,建立了考虑装药位置偏差的结构内爆炸流场三维有限元计算模型,对比试验数据验证了计算模型的合理性,比较分析了装药位置偏差对小比例内爆炸试验结果的影响。结果表明:内爆反射超压峰值对装药位置偏差非常敏感,拟合得到了装药位置偏差距离对超压峰值影响系数的经验计算公式;装药位置偏差对冲量影响相对较小,其最大相对差值不超过13%。     

双曲线型壳体结构爆炸载荷数值模拟

利用数值模拟技术研究了地面爆炸冲击波与双曲线型壳体结构相互作用的模拟方法及作用于结构表面上爆炸载荷的预测方法。采用多物质欧拉与拉格朗日耦合算法,建立了不同比例距离下TNT炸药-结构耦合模型。通过参数分析,研究了结构表面爆炸载荷超压峰值沿环向和高度的分布规律,以及基本点反射超压峰值放大系数,并给出了拟合函数表达式。结果表明,结构背面(0°~90°区域)载荷超压峰值相比正面的超压峰值很小,在分析结构动力响应时可以忽略不计;载荷超压峰值沿环向及高度的分布与比例距离关系不明显,除环向局部分布需要用波形函数拟合外,其余部分均可以用线性函数拟合;基本点反射超压峰值放大系数与比例距离呈指数关系。结合已有的研究结论,建议了双曲线型壳体结构爆炸冲击载荷模型。     

爆炸荷载作用下覆土库外部冲击波传播规律

为了研究爆炸荷载作用下覆土库外部冲击波的传播规律,采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,结合将覆土库结构破坏与冲击波传播先后模拟的新手段,对覆土库外部距爆心比例距离小于15 m/kg^(1/3)范围内空气冲击波的传播过程进行模拟,并对模拟所得不同测线方向(0°、60°、90°、135°和180°)冲击波峰值超压和冲击波到达时间进行分析。结果表明:测点距爆心比例距离在1～15 m/kg(1/3)范围内空气冲击波的传播过程进行模拟,并对模拟所得不同测线方向(0°、60°、90°、135°和180°)冲击波峰值超压和冲击波到达时间进行分析。结果表明:测点距爆心比例距离在1～15 m/kg^(1/3)范围内,随比例距离的增大,在60°和90°测线方向,冲击波峰值超压衰减率从87.63%降到26.39%;在135°和180°测线方向,冲击波峰值超压衰减率从81.19%降到1.39%。随着测点距爆心比例距离的增大,冲击波峰值超压呈指数型衰减,冲击波到达时间呈线性增加。     

地下箱形结构在爆炸地震波作用下动力响应的解析分析

基于平面弹性波动理论，建立了爆炸地震波作用下地下箱形结构动力反应的衍射模型，并与一维集中参数模型、一维弹塑性波动理论模型以及洛阳土中试验结果进行对比，验证了模型的正确性。研究了入射波角度、衬砌宽高比、围岩介质和爆炸距离的波动特性，结果表明：随着入射角度的增加，衬砌不同部位呈现明显的非一致分布特性，左侧墙位移大于顶板和底板；随着宽高比的增加，衬砌位移峰值增大，顶板和侧墙轴力减小；当阻抗比大于0.17时，围岩特性对衬砌动力的影响更加明显；衬砌各位置的应力幅值随爆炸距离增加而减小，距离越大，影响越弱。     

爆炸荷载作用下腋角对地下连通道的影响

采用ANSYS/LS-DYNA动力有限元分析程序,建立土中中等矩形截面地下连通道有限元模型,利用流固耦合算法,模拟土中爆炸荷载作用下通道衬砌结构的动态响应过程,得到结构顶板的横向拉应力、压应力峰值分布以及顶板的最终合位移分布,并得到侧墙上的竖向拉应力、压应力峰值分布。对比分析通道在添加不同尺寸腋角时的响应结果得到结论:对于顶板外侧单元,中部压应力峰值最大,顶板与腋角连接部位的拉应力峰值最大,并且峰值最大值受腋角尺寸的影响都较小,但其他大部分部位的压应力在腋角尺寸增大时有明显减小;侧墙上竖向拉应力和压应力峰值最大值均出现在与腋角连接处,腋角尺寸的变化对内侧影响较大;顶板位移峰值最大值随腋角尺寸增大而减小,并且腋角高度的影响作用随高度增加先增大后减小,宽度的影响作用随宽度的增大逐渐减小。     

GFRP-钢筋混合配筋混凝土板的抗爆性能

混合配筋混凝土结构将钢筋和纤维复合材料(FRP)筋混合配置于混凝土，可较好地解决钢筋混凝土(SRC)结构的耐久性问题和FRP筋混凝土结构脆性破坏的问题，已广泛应用于土木工程中。为了研究混合配筋混凝土板的抗爆性能，开展了不同比例距离下混合配筋混凝土板和钢筋混凝土板的非接触爆炸试验，对比分析两种板抗爆性能差异和确定混合配筋混凝土板的破坏模式。结果表明：比例距离为0.684 m/kg^1/3时，混合配筋混凝土板位移峰值比钢筋混凝土板位移峰值大19.2%，但残余变形比钢筋混凝土板残余变形小27.3%。引入爆炸恢复指数评估混凝土板爆炸恢复能力，混合配筋混凝土板爆炸恢复指数大于钢筋混凝土板，混合配筋混凝土板有着出色的爆炸后恢复能力。混合配筋混凝土板背爆面破坏出现多条竖向裂缝和板对角线处斜裂缝，而钢筋混凝土板仅出现一条较宽的竖向主裂缝，多条斜裂缝向外辐射。混合配筋混凝土板随着比例距离的减小，破坏模式从整体弯曲破坏发展为整体弯曲破坏和局部混凝土破坏并存。结合试验数据提出混合配筋混凝土板最大支座转角θ的预测公式。为混合配筋混凝土板抗爆设计提供参考。     

在拱腰爆炸荷载作用下锚杆动态响应数值分析

为研究拱腰集中装药下锚杆的动载响应特性,利用有限元分析程序LS_DYNA 3D,对锚杆的轴向应力分布规律进行了显示动力分析。对比爆心径向同一距离测点的实测压应力时程曲线,模拟结果曲线峰值、形态和趋势与之较为一致。迎爆侧受压强度明显大于背爆侧,最强的受压部位在迎爆侧拱腰;迎爆侧拱顶和拱腰受拉强度比较大,最强受拉部位在拱顶。受压峰值和受拉峰值从锚头到锚端都是先增加后减小,但最大峰值位置不同,并利用应力波原理和最大拉应力瞬时断裂准则分析其原因。     

变埋深条件下混凝土中爆炸加速度的传播规律

为了研究混凝土中不同埋深爆炸冲击质点振动加速度传播规律,运用量纲分析和自由场实验相结合的方法并引入等效当量系数的概念得出C30混凝土不同埋深爆炸冲击质点振动加速度预估公式。研究结果表明：对于C30混凝土,当装药比例埋深为0.25 m/kg1/3≤h≤1.0m/kg1/3时,随着装药比例埋深的增加,爆炸冲击质点加速度峰值随之增大,但加速度随比例埋深的衰减规律基本一致;对于不同强度的混凝土触地爆（h=0m/kg1/3）,随着混凝土强度的增大,爆炸冲击质点加速度峰值随之增大,加速度衰减规律基本一致;给出了C30混凝土不同埋深爆炸冲击质点振动加速度精度较高的预估公式。     

隧道爆破荷载作用下埋地管道动力响应试验

埋地管道爆破动力响应特性是城市管道抗震优化设计的依据。设计并开展城市地铁隧道爆破荷载作用下埋地管道动力响应的相似模型试验,监测埋地管道应变、加速度及地表振动速度值,解析地铁隧道爆破地震波的传播衰减机制及其对邻近埋地管道动力响应影响规律。结果表明,基于量纲分析理论的振动速度预测模型用于隧道爆破时地表PPV预测切实可行;相同爆破荷载作用下,埋地钢管加速度峰值是PVC管的1.5～1.8倍;隧道"空洞效应"导致埋地管道在成洞区一侧的加速度响应更为剧烈;埋地PVC管在各测点处环向应变大于轴向应变,且大于钢管应变值,试验得到可有效监测埋地钢管和PVC管应变响应的最大临界比例距离分别为117 m/kg和263 m/kg。     

隧道爆破荷载作用下埋地管道动力响应试验

埋地管道爆破动力响应特性是城市管道抗震优化设计的依据。设计并开展城市地铁隧道爆破荷载作用下埋地管道动力响应的相似模型试验,监测埋地管道应变、加速度及地表振动速度值,解析地铁隧道爆破地震波的传播衰减机制及其对邻近埋地管道动力响应影响规律。结果表明,基于量纲分析理论的振动速度预测模型用于隧道爆破时地表PPV预测切实可行;相同爆破荷载作用下,埋地钢管加速度峰值是PVC管的1.5～1.8倍;隧道"空洞效应"导致埋地管道在成洞区一侧的加速度响应更为剧烈;埋地PVC管在各测点处环向应变大于轴向应变,且大于钢管应变值,试验得到可有效监测埋地钢管和PVC管应变响应的最大临界比例距离分别为117 m/kg和263 m/kg。     

刚性地面对爆炸冲击波传播规律的影响

为研究刚性地面对爆炸冲击波传播特性的影响,采用ANSYS/LS-DYNA对TNT炸药在刚性地面工况下起爆后的整个过程进行了数值分析,得到了刚性地面工况下爆炸冲击波的传播规律以及特征参数,并将其与自由空气工况下爆炸冲击波的传播规律以及特征参数进行了对比分析。建立了TNT炸药在刚性地面工况下起爆后,比例距离在0.5 m/kg^(1/3)≤Z≤3 m/kg(1/3)≤Z≤3 m/kg^(1/3)之间时的冲击波超压峰值简便计算公式,分析了起爆高度对刚性地面附近冲击波的影响规律,并得到了刚性地面反射增强效应作用范围的判别公式。数值分析所得结果可为结构或构件在刚性地面上发生爆炸时荷载的初步确定提供一定的参考。     

装药位置及形状对某坑道中冲击波压力的影响研究

为了弄清装药位置及形状对某坑道中冲击波压力传播规律的影响,基于Hopkinson比例定律,用LS-DYNA动力有限元软件较为系统地研究了不同装药位置及形状情况下,长坑道中冲击波峰值压力的传播规律.计算结果与其他经验方法的预测结果进行了比较.研究表明,整体上看,柱状装药的压力较大;在爆炸近区,装药位置及形状对预测结果的影响显著.随着传播距离的增加,这种影响越来越小.研究方法和数据可供类似工程问题参考.     

起爆方式对柱形炸药空爆冲击波场的影响

为研究起爆方式对柱形炸药爆炸能量输出的控制效应,运用AUTODYN软件对不同起爆方式作用下的炸药在空气中爆炸过程进行了模拟。通过对比分析参考位置的冲击波超压峰值,得到了起爆方式对爆炸冲击波场分布的影响规律。研究结果表明:比例距离小于5 m·kg-1/3时,起爆方式可改变爆炸冲击波场的局部分布形态,其在不同的方向和距离对冲击波超压影响存在差异;比例距离大于5 m·kg-1/3时,起爆方式对冲击波场分布基本无影响;柱形炸药长径比一定的条件下,同一起爆方式作用下的爆炸相似律仍然成立。     

偏/同心不耦合非装药段孔壁压力分布规律研究

孔壁压力是分析爆炸载荷在隧道掘进过程中对围岩损伤破坏的重要参数，针对隧道周边孔理论装药结构为同心不耦合装药，而实际装药结构为偏心不耦合装药的问题，采用模型试验方法，研究偏心与同心不耦合装药结构爆炸非装药段的孔壁压力。结果表明：偏心装药非装药段测距在0.2 m内的同截面，上孔壁峰值压力大于下孔壁；超过0.2 m时，炮孔同截面孔壁峰值压力近似相等。测距在0.2 m内时，偏心装药非装药段上孔壁峰值压力较同心装药大，偏心装药下孔壁峰值压力较同心装药小；测距大于0.2 m时，同心装药非装药段孔壁峰值压力均大于偏心装药。偏心装药非装药段上孔壁峰值压力随测距衰减最快，下孔壁次之，同心装药孔壁峰值压力衰减最慢。研究结果可为合理设计装药结构提供参考。     

脉冲荷载作用下土中浅埋钢筋混凝土框架直剪破坏分析(Ⅱ.应用)

本文应用文献[5]所提出的计算方法，分析了集团装药爆炸条件下土中浅埋框架迎爆面构件的动力响应及破坏模式，并分析了影响结构直剪破坏的因素。最后通过大量计算，给出了集团装药爆炸条件下土中浅埋钢筋混凝土框架发生直剪破坏的条件。     

空气中TNT爆炸冲击波超压峰值的预测及数值模拟

通过对空气中TNT爆炸冲击波超压峰值的已有研究成果进行比较分析,发现不同学者对其预测结果存在一定差别,并据此拟合总结出能较好地描述冲击波超压峰值与比例距离关系的表达式.同时用LS-DYNA动力有限元软件模拟了2种不同装药量条件下空气中TNT炸药爆炸产生的冲击波的传播,模拟所得的超压峰值小于经验公式的结果,装药量大的模拟结果更接近经验公式预测值.有必要对爆炸冲击波的参数和经验公式进行进一步的研究.