混凝土重力坝爆炸荷载数值分析及抗爆性能研究

利用LS-DYNA非线性有限元程序,基于Eulerian和Lagrangian耦合的方法,研究了RHT本构模型模拟的混凝土板在爆炸荷载下的动力反应,并且将数值结果与现场实验结果进行比较,由此说明了RHT本构模型模拟爆炸荷载下混凝土动力反应的有效性。研究了2tTNT炸药在距离坝体上游面10m不同起爆深度的情况下,有泡沫混凝土保护层和无泡沫混凝土保护层的坝体动力响应及其损伤状况。计算结果表明,无泡沫混凝土保护层时,坝体上游面主要损伤区域位置总是随起爆深度的增加向坝体底部移动;当上游表面有泡沫混凝土保护层时,坝体上游表面的损伤明显变小,下游面的损伤较无保护层情况也明显减小。表明泡沫混凝土能够有效减小混凝土大坝在爆炸荷载下的损伤,在提高混凝土大坝的抗爆性能方面起到很好的保护作用。     

水下爆炸冲击荷载作用下混凝土重力坝的破坏模式

考虑混凝土的高应变率效应,构建重力坝水下爆炸全耦合模型,运用显式动力分析程序LS-DYNA, 对水下爆炸冲击荷载作用下大坝动态响应进行分析,探讨大坝可能破坏模式及相应的破坏机制。研究 表明,大坝破坏模式不仅与坝体的自身动力特性有关,还取决于炸弹起爆时的水下深度、爆心距及炸弹药量; 重力坝坝头是抗爆性能薄弱部位,大坝可能破坏模式为上游迎爆面的爆炸成坑破坏、坝顶及坝下游面的震塌 破坏、坝头与上游直面交接处及下游折坡附近的脆性冲切破坏并出现贯穿性裂缝破坏。     

接触爆炸荷载作用下溢流坝的抗爆性能

以黄登重力坝的溢流坝为研究背景,考虑混凝土的高应变率效应,运用Lagrange-Euler耦合算法建立大坝-库水-空气-炸药全耦合数值模型,研究溢流坝在接触爆炸荷载作用下的抗爆性能。分析满库与空库时溢流坝在爆炸冲击波作用下的动力响应及损伤程度,并进一步研究满库时大坝在不同炸点的水下接触爆炸荷载作用下的动力响应及损伤分布。研究结果表明,满库时水下爆炸比空库时爆炸的动力响应及损伤程度大得多;溢流坝的抗爆薄弱部位主要集中在溢流道顶部及坝体上游折坡处。研究溢流坝的抗爆性能时应重点研究满库时水下爆炸对大坝的破坏特性。     

沥青混凝土心墙堆石坝动力有限元分析

采用三维非线性有限元技术,结合某沥青混凝土心墙坝工程,在静力分析的基础上对大坝的动力特性及抗震安全性进行动力反应分析,动力计算中坝体材料及沥青混凝土均采用等效非线性粘弹性模型,计算分析了坝体的加速度反应、动位移反应、大坝的地震永久变形、坝体单元的安全系数的分布规律。结果表明:大坝在地震作用下的动力反应发生了明显的变化;坝体顶部发生了较明显的永久变形,地震最大沉陷量为429mm,为坝高的0.42%;大坝的抗震安全系数基本均大于1,坝体的局部抗震安全性基本满足要求,因此坝体在设计地震作用下是满足稳定要求的。     

水下爆炸冲击荷载下混凝土重力坝的抗爆性能

在水下爆炸冲击荷载作用下,结构动力响应较之静态荷载和地震荷载作用下要复杂得多。通过大 量的数值模拟,探讨了混凝土重力坝在水下爆炸冲击荷载作用下,大坝高度、库前水位对大坝抗爆性能的影 响,为大坝抗爆性能评估和防护设计提供基础。数值计算中,构建了重力坝水下爆炸全耦合数值模型,并考虑 爆炸冲击作用下混凝土的高应变率效应。研究结果表明:对于混凝土重力坝,随着大坝高度的增加,大坝的抗 爆性能增强;库前水位对大坝的抗爆性能影响较大,通过降低库前水位可有效提高大坝的抗爆性能。     

冲击载荷下混凝土动态力学性能研究进展

系统总结了国内外研究者在混凝土动态抗压强度、抗拉强度和平板冲击实验研究方面所取得的最新进展,在此基础上分析了适用于冲击问题的混凝土本构模型的构建要素。对有代表性的用于数值模拟冲击问题的几个混凝土本构模型,如J-H模型、Forrestal模型、RHT模型和Malvar模型等。从极限面、状态方程以及损伤的定义及其演化等方面进行了深入分析,据此分析总结了混凝土动态本构模型的研究状况及发展趋势。     

高水位运行下近水面水下爆炸对拱坝结构的影响

为预测近水面水下爆炸作用下拱坝结构的动态响应和损伤,基于有限元程序Abaqus/Explicit,采用声学介质描述库水,并采用拱坝-地基-库水系统有限元模型,考虑键槽作用的两种极端情况(完好和失效)及混凝土的受拉、受压损伤,假设50kg当量TNT炸药爆炸距离大坝迎水面水平距离为10m,对某133m高的薄拱坝进行了持时1s的显式动力时程分析.计算结果表明:靠近爆炸源的坝段径向加速度响应峰值大于其它坝段1倍以上,键槽失效情况下3号坝段向上游方向的位移峰值比键槽完好情况时大28%,键槽是否正常工作会影响大坝各坝段之间的动力响应传递,导致坝体损伤发展的差异;坝体损伤范围比较集中,0.3s 后损伤发展基本完成,坝面不会出现大面积的宏观断裂破坏;键槽失效时,3号坝段底部下游两侧混凝土可能破坏,可考虑在拱坝横缝上配置跨缝钢筋作为键槽失效情况的安全储备.     

爆炸荷载下碳纤维布加固混凝土板的抗弯性能研究

为研究碳纤维布加固混凝土板的抗爆能力,用混凝土HJC动力本构模型,建立了混凝土板、炸药及考虑空气介质影响的流固耦合有限元计算模型.用动力分析软件ANSYS/LS-DYNA,对在爆炸荷载作用下未粘贴碳纤维布以及用碳纤维布加固下的混凝土板的跨中位移及受力性能进行了数值分析.研究结果表明:混凝土板用碳纤维布粘贴加固后抗爆炸冲击能力明显提高,且碳纤维布粘贴在一定层数以内时,其抗爆炸冲击能力与加固层数成正比,继续增加层数时抗爆能力提高不明显,甚至有相反的变化趋势.     

地冲击下新型脆断构件防护性能实验研究

为对地冲击作用下地下结构进行有效防护,提出一种泡沫混凝土材质的新型防护构件。与使用实心泡沫混凝土层的防护机理不同,本文中提出的构件在地冲击作用下,首先发生脆断破坏,然后破碎块体间搭接折断、挤压密实。通过构造设计,截断地冲击荷载,减弱荷载传递,改变被保护结构上的荷载形式。通过场地爆炸实验对比了不同防护措施下（无防护、实心泡沫混凝土层防护及新型构件防护）被保护结构的动力响应。实验结果表明:新型构件防护通过脆断、破碎块体的搭接、挤压密实表现出较实心泡沫混凝土层防护更好的防护效果;新型构件防护由于脆断特性,在较小荷载下即可显著削弱荷载传递,避免了实心泡沫混凝土层防护中负效果的出现;地冲击荷载较强时,构件防护层趋于压实,其防护效果逐渐接近实心泡沫混凝土层。     

混凝土静力与动力损伤本构模型研究进展述评

对混凝土材料在静力和动力载荷作用下的损伤本构关系模型进行了评述.梳理了混凝土本构关系研究的历史脉络和逻辑脉络;归纳总结了在混凝土本构关系研究发展过程中具有代表性意义、并且对重大工程建设具有参考意义的若干混凝土静力和动力损伤本构模型.基于对混凝土材料非线性及随机性的理解和诠释,阐述了混凝土静力和动力本构关系研究的发展趋势.      

水下爆炸对重力坝的毁伤效应及最优爆距

为研究不同爆距水下爆炸对重力坝的毁伤效应，并探讨是否存在“最优爆距”，基于离心模型试验建立了炸药-库水-空气-重力坝结构的全耦合数值模型，并设计了60组数值计算工况。不同工况水深均为600 mm，炸药量为2.2 g，重力坝模型几何比尺为1/80，包含5组爆深（50～250 mm），每组爆深对应12组爆距，爆距范围为10～200 mm，相应比例爆距范围为0.077～1.54 m/kg1/3。对比分析了不同爆距水下爆炸对重力坝的毁伤程度，并定量比较了重力坝平均损伤、单元删除率、应力、应变等参数。结果表明，对于重力坝整体结构破坏，如重力坝整体弯曲导致的拉伸破坏，水下爆炸对重力坝的毁伤效应存在“最优爆距”，即随着爆距增加重力坝毁伤程度先增加后降低；与之类似，随着爆距的增加，重力坝上游坝面损伤区域的平均损伤、重力坝单元删除率、坝踵最大拉应力平均值和坝踵最大拉应变平均值先增加后降低且在40 mm爆距附近达到最大值。保持水深、炸药量和重力坝几何模型相同，5组不同爆深近水面水下爆炸对重力坝毁伤效应的“最优爆距”均在40 mm附近，表明近水面水下爆炸时爆深对“最优爆距”不存在显著影响。     

近爆下泡沫混凝土复合结构在地下洞室的抗爆特性数值研究

为研究近爆作用下带泡沫混凝土复合结构的地下洞室的抗爆性能，基于LS-DYNA非线性有限元软件，建立了TNT炸药-围岩-锚杆-衬砌结构-空气的爆炸效应全耦合模型。应用ALE多物质流固耦合算法对比分析了普通衬砌结构洞室和带泡沫混凝土夹层的衬砌结构洞室的重要控制测点的应力、空气层压力和位移。测点峰值应力与TM5-855-1的经验公式吻合良好，证明了数值模拟的可靠性。数值研究结果表明，相比普通混凝土夹层，泡沫混凝土夹层能够有效地削弱爆炸冲击波的传播，大幅降低洞室内部空气的压力峰值，降低超压对人体器官的损伤，提高洞室内部人员的生存几率；采用泡沫混凝土夹层的衬砌需加强拱顶区域的刚度以降低顶底板相对位移差。研究结果为地下洞室抗爆设计提供了参考依据。     

泡沫铝防护钢筋混凝土板的抗爆性能

为研究多孔吸能材料泡沫铝板对工程结构的抗爆防护作用，开展室外爆炸破坏实验，分别对设置不同泡沫铝防护层的钢筋混凝土（reinforced concrete，RC）板在爆炸荷载下的动态响应及破坏模式进行了研究，并运用LS-DYNA软件建立了有限元模型。通过与实验对照，验证了模型的可行性，对比分析了有、无泡沫铝防护层钢筋混凝土板的损伤破坏规律，并讨论了泡沫铝密度梯度分布和纵筋配筋率的影响。结果表明:有限元模型能够有效分析含泡沫铝防护层RC板的动态响应及其破坏形态；泡沫铝防护层能够有效减小钢筋混凝土板的挠度变形，降低试件的破坏程度；泡沫铝密度由下到上递增情况对RC板的减爆效果最好；增大配筋率可以提升泡沫铝防护RC板整体抗爆性能。     

接触爆炸对底部有土垫层纤维混凝土板破坏效应试验研究

采用钢纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土、钢筋混凝土3种材料共24块板试件进行了接触爆炸试验。对试验现象进行了描述,由迎爆坑尺寸拟合分析得到了3种材料的爆炸介质压缩系数。采用ЛяхоB公式对试验测得的土压峰值进行了拟合分析,结果表明,随试件厚度的增加,砂土中应力波峰值衰减更显著,相同比例爆距的土压值明显减小,并由试验结果得到了底部有土垫层介质情况下混凝土板临界爆炸贯穿厚度计算公式。     

孔内起爆位置对爆破振动场分布的影响作用规律

岩石钻孔爆破中,孔内起爆位置决定炸药爆轰波的传播方向,进而影响爆破振动场的分布。通过分析柱状药包爆轰产物和爆炸能量的分配及其爆炸应力场的分布,揭示了起爆位置的影响作用机理;基于Heelan短柱解延长药包叠加计算模型,比较分析了不同起爆位置下爆破振动场的分布规律,并结合现场实验,验证了起爆位置对爆破振动场分布的调节作用效果。结果表明:起爆位置的影响作用机理在于柱状药包爆炸能量的轴向不均匀分配和爆破振动场叠加的相位延迟效应;孔内起爆位置对爆破振动场的分布起调节作用,爆破振动沿爆轰波传播正向叠加增强,且爆破振动场分布的不均匀性受药包长度和炸药爆轰速度的调控;对于常见的几种起爆方式,现场实验统计结果显示,底部起爆时地表爆破振动峰值最大,中部起爆次之,上部起爆最小,且爆破振动差异性随炮孔深度的增加而增大,但振动差异会随距离逐渐消减。     

高聚物牺牲包层对钢筋混凝土板的爆炸毁伤缓解效应

为研究高聚物牺牲包层对钢筋混凝土结构的爆炸毁伤缓解效应，开展了带高聚物牺牲包层钢筋混凝土板的接触爆炸试验，同时设置了普通钢筋混凝土板作为对照组，对比分析了高聚物牺牲包层对钢筋混凝土板毁伤特征的影响。此外，运用AUTODYN软件建立了现场爆炸试验的SPH-FEM耦合模型，通过与试验结果的对比，验证了所建耦合模型的可靠性。在此基础上，通过参数敏感性分析，探究了炸药量和高聚物牺牲包层密度、厚度对带高聚物牺牲包层钢筋混凝土板毁伤特性以及吸能特性的影响。结果表明：接触爆炸下，高聚物牺牲包层能够有效地分散爆炸荷载，缓解爆炸荷载对钢筋混凝土板的冲击作用，具有良好的防护性能；药量在一定范围内增大时，高聚物牺牲包层依然能维持较高的吸能水平，增大包层密度和厚度有利于增强高聚物牺牲包层的吸能特性，包层厚度的变化会造成被保护钢筋混凝土板毁伤模式的改变。     

以新型空壳颗粒复合材料为分配层的成层防护结构抗爆性能试验研究

以成层式人防工程为试验研究背景,分别采用黄沙和新型空壳颗粒复合材料做分配层,开展大比尺集团装药化爆模拟试验,考察其衰减爆炸冲击波的能力。试验结果表明,采用颗粒复合材料构建的分配层,在相同装药量下,遮弹层的变形和破坏明显大于黄沙分配层,应力波上升沿加大,波形脉宽增加,平均峰值应力大概是黄沙分配层的0.65左右,除装药正下方的个别颗粒遭受粉碎性破坏外,绝大部分空壳颗粒依然完好,只是表层泡沫陶瓷略有破损。这说明新型空壳颗粒复合材料不但对爆炸波有非常明显的衰减弥散作用,而且具备承受多次打击的能力。用这种材料做分配层,可大幅提高地下人防工程的抗爆能力。     

非理想炸药在混凝土介质中的爆炸做功特性

为了研究非理想炸药的做功能力,对TNT、PBXN-109、AFX-757和CL-20基炸药进行了混凝土介质内爆炸实验,测量了实验炸药爆炸形成的混凝土腔体容积,通过量纲分析和实验数据建立了混凝土腔体容积的计算模型,并采用自行设计的混凝土腔体容积方法评价了炸药的爆炸做功特性。结果表明,混凝土腔体容积法能够用于评估非理想炸药的做功能力,单位质量同类型炸药的混凝土腔体容积基本一致。混凝土腔体容积与炸药能量(或炸药质量与爆热的乘积)存在线性关系,炸药混凝土中内爆炸的相对做功能力可以通过爆热当量确定。     

滑移爆轰驱动钢管的层裂

将VG损伤模型推广到二维情况,考虑了最大主应力方向对损伤演化的影响,并使用显式断裂算法对20钢管在GI-920炸药滑移爆轰驱动下层裂的问题进行二维数值模拟。分析了一维内爆和滑移爆轰两种加载方式下作用于钢管外表面的压力及钢管内部受力状态的区别,考察了滑移爆轰加载方式下钢管外表面的受力随炸药厚度变化的规律,进而研究了钢管内损伤的分布和演化,以及裂纹的产生和扩展现象。计算得到的层裂片初始厚度随炸药厚度的变化规律与实验结果符合较好。