水下爆炸冲击作用下重力坝的损伤发展及破坏模式

基于有限元程序ABAQUS/Explicit,采用声学介质描述流体,考虑坝体-水流固耦合作用和混凝土 的受拉、受压损伤,对某典型的重力坝坝段结构进行损伤塑性时程分析。结果表明,大坝存在3种潜在破坏模 式,除近爆炸点区域破坏外,坝底损伤区过大可能引起坝体向下游滑动甚至倾倒,坝头局部破坏或断裂而倒向 下游可能造成大坝挡水高度不足,出现漫顶。对于坝体与坝基连接部位以及坝头部分,可以考虑局部增加配 筋(插筋),防止灾难性后果的出现。大坝高度方向中部应该成为安防重点,控制爆源距离是有效的手段。     

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。     

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。     

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。     

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2 t TNT炸药在距离坝体上游面10 m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。     

爆炸荷载下沉箱重力式码头模型毁伤效应

在野外条件下开展了不同爆炸荷载条件下沉箱重力式码头模型毁伤效应实验，得到了沉箱重力式码头模型在1 kg TNT当量空中爆炸、水下爆炸以及结构内部爆炸后的毁伤模式，并针对不同毁伤模式给出了相应的抢修建议。实验结果表明:空中爆炸荷载下码头仅面板局部破坏形成爆坑；水下爆炸荷载下码头迎爆面及相近区域形成大量裂缝；结构内部爆炸荷载下码头仓格大变形破坏且中间面板被掀飞；从横向对比来看，在相同爆炸当量下空中爆炸荷载下码头毁伤程度最小，结构内部爆炸荷载下码头毁伤程度最大。     

制导炸弹连续打击下混凝土重力坝的破坏效应

选取某制导炸弹作为研究对象,利用任意Lagrange-Euler计算方法,通过对大口径、高弹重武器的 侵彻爆炸的全过程三维数值仿真,针对连续打击作用下大坝破坏效应进行了研究。研究表明,侵彻引起的振 动很小,引起质点振动的主要是弹药的爆炸。由于相继打击间隔时间已远超过大坝动态响应时间,相继打击 引起的坝体振动基本上不存在叠加效应。但前枚制导炸弹侵彻爆炸的破坏效应为后继制导炸弹提供了“临空 面”,使得后继制导炸弹无论是侵彻深度还是爆炸破坏范围等破坏效应都有所增大。连续打击下,爆炸后形成 的破坏范围基本上互相连通,对大坝的正常运行及安全构成威胁。     

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.     

钢筋混凝土拱的水下抗爆性能

为探究水下爆炸荷载作用下钢筋混凝土拱的动力响应特性和破坏特征,制作了两个钢筋混凝土拱试件,并开展了水下爆炸试验。试验分为拱外爆炸和拱内爆炸两组,采用10 g乳化炸药,试验时爆源距结构面最小距离为10 cm（起爆点位于拱结构正上方和正下方）,通过传感器记录爆炸试验中钢筋混凝土拱典型断面处的水压力及加速度时程曲线。基于Arbitrary Lagrange-Euler (ALE)算法,建立了空气-水-炸药-钢筋混凝土拱等多介质动态耦合作用模型,将数值模拟结果与试验结果对比,验证了数值方法的可靠性。采用验证后的数值模型进一步研究了拱外及拱内爆炸荷载作用下钢筋混凝土拱的动力响应差异。结果表明：相同炸药当量下,内部爆炸有更多的能量作用于混凝土拱,使结构的动力响应更强烈;外部爆炸下,拱顶、拱腰处产生较大裂缝;内部爆炸时,迎爆面裂缝数量明显增多,拱肩位置出现裂缝。钢筋混凝土拱形结构抵抗外部爆炸荷载的能力明显强于内部爆炸荷载。     

舷侧近距离爆炸下舱段模型毁伤试验研究

为探究舷侧近距离爆炸对水面舰船的毁伤效应，设计了大尺度舱段模型，并开展了舷侧近距离水下爆炸试验，试验后测量了舱段模型破坏范围及破坏模式、模型典型部位冲击环境数据、典型部位动态响应。综合对比可发现:（1）舷侧近距离水下爆炸下，在爆心区域可对舱段模型形成严重毁伤破坏，但毁伤范围有限，基本以局部破坏为主；（2）舷侧近距离水下爆炸下可形成较为明显的水射流载荷，主要是由气泡与非完整边界、自由面在耦合过程中形成的，与传统研究的气泡收缩失稳引起的水射流载荷形成机理存在一定的差异；（3）基于板格能量计算方法，建立了舷侧外近距离爆炸下舷侧爆炸破口计算公式，与试验结果吻合较好；（4）近距离爆炸下，舷侧外板的破坏模式与爆距存在较大的关系。本文的研究成果对舰船抗爆防护具有很强的指导意义。     

工程爆破问题数值模拟研究

工程爆破方法在开矿、筑坝、修路和凿洞中得到了广泛使用,经验和分析表明,当炸药埋深超过40米时,重力对爆破抛掷现象有明显影响,但目前缺乏系境研究。本文提出了一个用于爆破作用下的岩体本构数学模型,并用二维轴对称数值计算方法对有重力影响的工程爆破问题初始阶段进行了详细研究,计算结果包括爆炸应力波的传播规律,岩体的加速与破坏过程,空腔与地表面的运动规律,抛掷区的形成与划定,能量分配关系等,结果表明:重力对爆炸波的传播基本无影响,重力仅影响抛掷区的大小和抛掷区动能占总爆炸能的比例。     

Failure mechanisms of concrete slab–soil double-layer structure subjected to underground explosion

The failure mechanism of a concrete slab–soil double-layer structure subjected to an underground explosion was investigated by experimental and numerical methods in this paper. Two underground explosion depths of 150 and 350 mm were tested. The typical failure modes such as the conoid spall of concrete, the bulge of the concrete slab and the cavity in the soil were obtained experimentally. Numerical simulations of the experiments were performed using a hydrodynamic code to analyze the effects of both the stress wave and the expansion of the blast products. Based on the experimental and numerical results, the effects of explosive depth, blast wave front and expansion of the blast products on the failure modes and failure mechanisms were discussed. The underground explosion process at different explosion depths was also analyzed. The results show that attenuation of the stress wave in the soil is significant. The blast wave front and the expansion of the blast products play different roles at different explosion depths. At the explosion depth of 150 mm, the failure mode is mainly caused by a point load induced by the blast wave front, whereas at the depth of 350 mm a sphere-shaped load resulting from the expansion of the blast products is a key factor for failure.     

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。     

水下成组药包爆炸作用下冰盖动态响应数值模拟

利用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立了成组药包水下爆炸冰盖动态响应模型,通过数值计算,得到了冲击波峰值压力变化规律,峰值压力与理论计算结果基本吻合。本文分析了冰盖在成组药包水下爆炸冲击载荷下的应力分布及垂直位移响应特征。结果表明,冰盖迎爆面为压缩破坏,背爆面为拉伸破坏,两者数值均十分接近,其中迎爆面最大压力值可达18.12MPa,冰盖近爆炸点最大垂直位移为1.211cm,两药包连线中点最小位移为0.15cm,达到脆性冰盖形成贯通裂隙的基本条件,从而确定了冰盖在水下成组药包大间距布设条件下,其动态破坏形式是以产生裂隙为主要特征。     

舱内爆炸载荷及舱室板架结构的失效模式分析

通过对典型半穿甲导弹打靶实验中舰艇结构破坏模式的观察，结合数值模拟，分析了舱内爆炸载荷的特征以及舱内爆炸下舱室板架结构的失效模式。结果表明，舱内爆炸下，舱室板架结构承受的冲击载荷及失效模式与敞开环境爆炸下加筋板结构承受的冲击载荷及失效模式有较大区别，其动态响应难以用敞开环境爆炸下加筋板结构的动态响应描述；舱内爆炸载荷主要有壁面反射冲击波、角隅汇聚冲击波以及准静态气体压力，其中两壁面和三壁面角隅汇聚冲击波的强度分别为相同部位壁面反射冲击波强度的5倍和12倍以上；舱室板架结构主要有4种失效模式，其中模式Ⅲ、Ⅳ较常发生；舱室板架结构加强筋布置在迎爆面将使板架中部的局部破坏程度增加，但有利于削弱角隅汇聚冲击波强度，减小板架沿角隅部位的撕裂破坏。     

基于石膏材料的小结构重力坝损伤本构模型研究

大坝模型试验的模型材料力学性能是试验成功与否的关键影响因素。基于石膏模型材料基本力学性质和混凝土材料基本相似的实际情况,考虑石膏模型材料的孔隙率,在能量损伤理论模型的基础上,结合工程规范,建立了石膏模型材料的受拉损伤本构模型。同时,分析了模型材料应变率对材料峰值应力的影响,引入动应力提高系数,并给出了与应变率相关的模型材料受拉损伤本构模型。利用该本构模型模拟了动荷载下石膏模型重力坝的破坏过程,并与模型试验结果进行对比。结果表明：数值模拟得到的重力坝开裂破坏的位置、形式与模型试验结果较为接近。     

钢筋混凝土排架结构的抗爆破坏等级

为了研究钢筋混凝土排架结构在大当量爆炸冲击波下的破坏规律，依据最大TNT当量为3 t的爆炸试验，对排架主体结构的抗爆破坏等级进行数值模拟研究。通过量纲分析得到1/2缩比模型的荷载参数和结构尺寸。基于Abaqus有限元软件，利用CONWEP方法实现爆炸加载，分别计算装药0.5 t爆距33 m和装药3 t爆距33 m两种工况下排架结构的破坏形态，并与试验结果进行对比。进一步通过控制药量和距离，计算不同超压和冲量下缩比模型的破坏形态。研究结果表明，排架的关键破坏特征为中间承重柱的倾覆转动；数值计算与试验破坏形态吻合较好，特征位移和特征转角的最大相对误差分别为5.6%和4.6%。以承重柱的倾覆角作为划分依据，将计算结果分为3种破坏等级，拟合得到的超压-冲量曲线和药量-距离曲线可用于厂房安全距离和仓库容量设计以及意外爆炸下的破坏程度预估。     

密闭空间内不同炸药爆源的能量输出结构及与目标作用研究

对钝化黑索今（RDX）、含铝炸药（RDX/Al）、一次引爆型燃料空气炸药（SEFAE）在爆炸容器和爆炸水池中爆炸波的能量输出结构进行了实验研究。用TVD格式数值模拟了带平板封头爆炸容器的内部爆炸载荷的分布规律。并对在不同爆炸载荷作用下,容器典型位置的应变进行了测量。结果表明:（1）密闭空间内,RDX/Al（90/10）和SEFAE体系具有后燃效应;（2）在本实验条件下,平板封头与罐体结合处的载荷最大;（3）SEFAE产生的爆炸载荷对容器的作用最小,钝化RDX和RDX/Al（90/10）两者相当。3种炸药产生应变的频谱相似,强度略有差别;（4）在本实验的条件下,爆炸载荷的结构不是应变增长的主要原因。