城市浅埋隧道衬砌结构抗爆特性数值模拟.研究

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1、1绪论1．1课题的背景及意义1．1．1背景地铁作为城市客运交通的动脉以及重要的市政设施，由于其自身的特殊性，往往是恐怖分子袭击的主要目标之一，同时，也使人们不得不更加关注地铁安全问题：如何采取有效措施，防患于未然，将损失控制在最小范围内。工程防爆是当前世界各国所关注的一个研究领域，为降低和防止爆炸冲击波对目标的破坏，提高工程结构的抗冲击能力，一般采用增加单层介质厚度和新型的结构型式的方法，但单纯依靠增加目标厚度并不是最好的方案，并且成本也相对很高。在抗爆结构的合理选型中，复合结构占有重要的地位。本文讨论的复合衬砌结构系指以钢筋混凝土为主体，中间含泡沫吸能介质层的一种防

2、护结构型式。通过数值计算和理论研究的方法，系统研究城市浅埋隧道复合衬砌结构在侵彻爆炸作用下的力学效应，破坏过程，材料和结构参数的影响，研究复合衬砌结构抗爆机理。近年来，非线性结构动力仿真分析方面的研究工作和工程应用取得了很大的发展。20世纪90年代中后期，著名的通用显式动力分析程序LS．DYNA被引入中国，爆炸问题的仿真分析在爆炸力学研究中正在发挥着日益重要的作用，LS．DⅥ、IA程序作为分析非线性冲击动力问题的有效工具，可用来成功地模拟各中介质中的爆炸过程及各类工程爆破过程。正是在这样的背景下采用数值模拟的方法来研究城市浅埋隧道衬砌结构的抗爆特性具有工程应用的实际意

3、义。1．1．2意义近几年，地铁成为破坏与恐怖袭击的主要目标之一，加强地铁的安全保护作用日益突出。因此必须充分认识地铁安全工作的特殊性，复杂性和重要性，提高地铁的安全程度，确保生命与财产安全。地铁隧道衬砌结构主要以钢筋混凝土材料构筑，本文所采用的复合衬砌结构所显现的高抗爆性能呈现出良好的应用前景，本文研究为地铁隧道工程的建设，加固提供相应的技术支持，具有工程实用意义，研究爆炸波在复合衬砌结构中的传播可用来指导防护结构的设计，以减少甚至避免爆炸带来的巨大生命财产损失。1．2国内外研究现状西安科技大学硕士学位论文1．2．1复合结构抗爆研究为了有效抵抗冲击和爆炸的高数值高应变

4、率载荷，越来越多的被攻击和防护目标已由原来的单层材料改为了由多层介质组成的结构。对于带有软回填层的地下复合结构抗动载性能，人们进行了一些理论研究。黄西成等【l】采用实验和数值模拟方法分析了泡沫铝填充结构在冲击作用下的变形特征与吸能特性。研究表明，填充结构中钢制圆柱壳在整个冲击吸能过程中占主要地位，它与泡沫的相互作用使得变形过程中的能量吸收和初始失稳载荷随冲击速度的提高而增加；当钢制圆柱壳的壁厚增加时，峰值塌陷载荷和总的吸能也提高。由于钢壳是主要的承载和吸能部件，要想提高泡沫铝填充结构的吸能特性，需要合理地设计泡沫密度与钢壳厚度，充分利用它们之间的相互作用关系。任志刚等

5、【2J由硬质聚氨酯泡沫与钢板构成的复合夹层板对比粘钢混凝土板及混凝土板的数值分析得到：从力学性能上，在上覆土层的情况下，同等爆深，复合夹层板比粘钢混凝土板、混凝土板的中心应力强度小，也就是说，在相同条件下，复合夹层板的承载能力较大，更利于结构的抗爆，而且复合夹层板的变位较大，这非常有利于结构的缓冲吸能。廖祖伟等【3l从钢板．聚氨酯泡沫复合材料构件试验结果看，既使爆炸后构件出现了很大的位移甚至产生了可见的构件内泡沫夹芯开裂，构件仍具有很大的残余抗力。钢板．聚氨酯泡沫复合材料构件出现塑性变形后，其下层钢面板只是出现拉伸变形，未出现裂缝或破损，与混凝土、钢筋混凝土板等受弯下

6、部出现裂缝甚至掉渣的情况相比，钢板．聚氨酯泡沫夹层板具有更好的安全性。刘殿书等【4】利用ANSYS／LS．DYNA对中间含吸能层的复合防护结构，即由外向内为混凝土拱．泡沫混凝土拱．混凝土拱，在爆炸载荷作用下的动力响应和破坏规律进行了数值计算：从破坏形式上看，外拱结构的破坏基本上属于冲切破坏，而内拱结构基本上属于拱的压弯破坏。冲切破坏基本上被认为是材料的问题，而非结构的响应问题．而内拱结构的破坏，是材料和结构的耦合作用造成的结果。通过数值计算并与常规防护结构的试验对比，复合防护结构的抗暴能力明显加强。李欢秋等【5】对有软回填层的地下复合圆形结构体系相互作用进行了分析研究

7、：软回填材料具有良好的减压作用，在这次实验中，当泡沫混凝土变形小于硬化应变时，软回填层使结构表面压力减小最大到68％，结构表面四周压力呈现均匀分布。近年来，关于夹层结构在抵抗爆炸等冲击载荷的能力的研究越来越多。如Fadf．ord等【6】对金属夹层梁受冲击载荷时的变形进行了详细的理论分析，将变形过程分为三个阶段，并通过塑性极限分析求得最终响应。Ra：tllbuIl等【．7】对芯层为金属蜂窝结构的央层梁受爆炸载荷时的变形进行了实验研究。而Xue等【8。10】在一系列的文章中，对芯层为金属薄21绪论板结构的夹层板受冲击载荷时的性能以及变形过程及机理进行了多