土中爆炸波与地下结构相互作用计算方法研究综述

土中爆炸波与结构相互作用是地下工程结构抗爆计算的理论基础,理论研究中通常在宏观试验基础上,引入合理的介质动力本构模型分析波动问题。针对工程防护中的计算模型和解析方法,综述了岩土介质中爆炸波与结构相互作用的现状和研究进展,内容包括土的动力本构模型,自由场中爆炸波的传播、爆炸波与箱型、圆柱形和直墙圆拱型等地下结构的相互作用等。重点阐述了常用的非饱和土和饱和土的动力本构模型、考虑松弛效应的土的综合弹塑性模型,一维平面波在不均匀介质和分层介质中的传播及地下结构爆炸荷载计算方面的研究成果,分析了各种模型和计算方法的适用范围和存在问题。     

气体泄爆压力分步计算模型及其湍流修正

通过将密闭空间内爆燃泄放过程进行微分，假设各微分时段内爆燃泄放过程均按照先燃烧、再泄放、最后压力平衡的过程独立分步进行，最终得到泄爆压力分步计算模型。同时，在尺寸为2 m×1.2 m×0.6 m的爆炸腔体一端安装击穿压力相同、泄放面积不同的泄爆构件进行泄爆实验，对分步压力计算模型进行验证。对比发现:大面积泄放条件下，2个传感器测得的压力曲线基本重合，均为单峰值曲线，此时模型计算值与实验结果吻合较好；小面积泄放条件下，腔体内压力曲线均为双峰值曲线，由于泄放截面改变加剧口部湍流扰动，使得腔体内部产生压力梯度，近泄爆口处传感器测得的第2个压力峰值要大于腔体内部传感器相应的测量值，经湍流速度修正后的压力计算模型可以较好地描述近泄爆口处的压力变化情况。     

大尺度泄爆构件对室内爆燃压力影响的实验研究

通过在尺寸为2 m×1.2 m×0.6 m的腔体一端安装泄爆板研究不同乙烯浓度下大尺度泄爆构件对腔体内压力变化的影响。选用开启静压不同的2种泄爆板，在乙烯体积分数为4%~11%条件下进行实验，得到3种典型压力时程曲线。实验发现:泄爆结构的实际击穿压力大于静载作用下的击穿压力，且存在使实际击穿压力最大的最佳乙烯体积分数；泄爆构件的开启时间会对腔体内压力变化产生重要影响，低浓度条件下开启时间可达数十毫秒，化学当量比条件下开启时间仅为数毫秒，此时李克山模型针对长方体容器大尺度泄爆仍具有较好适用性，乙烯浓度较高时大尺度泄爆构件会因泄压面积过大造成外部空气大量进入腔体并与未燃气体再次反应发生二次爆炸，高浓度条件下增大泄压面积反而会因二次爆炸对结构造成破坏。     

大尺寸密闭容器内天然气的爆炸超压场

以天然气体积分数在爆炸下限附近的天然气-空气混合物爆炸超压状态场为着眼点,在大尺寸容器中轴向和径向位置布置压力传感器,实时记录天然气体积分数不同的天然气-空气混合物爆炸后的超压发展过程。经过数据处理发现,在天然气爆炸下限附近,存在3种压力波形式且存在前导冲击波和二次发展形成的燃烧波共存的状态。不同天然气体积分数条件下爆炸压力沿容器轴向和径向发展过程存在明显差异,天然气爆炸径向超压变化不明显,轴向超压的发展趋势更适用于天然气爆炸发展过程的描述。     

外爆条件下冲击波与组合壳结构的相互作用

为研究冲击波与组合壳结构的相互作用，针对带防护墙的地面直立钢筋混凝土组合壳结构，考虑结构安置于地面和周边围土2种工况，开展结构爆炸实验，分析了结构外表面冲击波荷载分布及振动特性。实验结果表明:冲击波作用下，结构外表面爆炸荷载主要产生在冲击波绕射过程，确定荷载时应考虑冲击波压力在绕射传播过程中的自然衰减；整个结构中与冲击波最早接触的构件先产生振动，而后由于结构整体参与使得振动频率降低，振动幅值减小；结构周边围土可降低防护墙迎爆部分构件的振动频率，减小防护墙和组合壳的振动幅值。     

方形空间可燃气体爆燃泄爆实验及三维数值模拟研究

为了研究大空间内预混可燃气体爆燃泄爆过程中的压力与火焰传播规律,在1.21 m3的方形空间内进行了不同体积分数乙烯气体和两种不同泄压面积的泄爆实验,针对泄压面积为0.18 m2、体积分数为7%的乙烯-空气预混气体爆燃泄爆过程进行了三维数值模拟研究。结果表明:不同泄爆条件下压力形式不同,小面积泄爆口开启后,压力先下降后上升且第2峰值较大,在高体积分数下超过第1峰值,大面积泄爆时第2峰值较小。数值模拟结果与实验得到的压力时程曲线趋势一致,与实验中观察到的外部火焰形态相似;泄爆口开启后引发的湍流效应,使得空间内火焰阵面变形和火焰传播速度显著加快,导致了小面积泄爆第2峰值压力较大。     

建筑物内气体爆炸效应简化计算研究综述

根据当前受限空间内气体爆炸效应的研究成果,综述了建筑物内气体爆炸事故发生时室内压力、结构荷载及动力响应的简化计算方法,内容包括室内气体爆燃压力及结构荷载特点、爆燃压力和结构响应计算模型等。重点阐述了基于实验数据的泄爆压力关联式和反映燃气爆燃主要物理过程的压力简化计算模型,并分析了各类计算模型的适用性、存在问题以及爆燃荷载特征对结构响应的影响;探讨了考虑建筑功能特点影响的工程简化计算模型,对建筑物内爆燃压力计算应重点考虑点火位置、爆室几何特征、火焰燃烧速率、湍流效应以及泄爆结构开启过程等因素;对爆燃事故中结构响应的计算,应考虑爆燃荷载时程、结构初始静载与动载耦合、结构支座边界受载变化等因素。