大型爆炸防护结构的动态应力测试与分析

对某大型爆炸防护结构进行不同工况的爆炸实验,通过电测法测量了几个典型位置的应力,结果 显示:从第1和第2主应力测试结果来看,球壳表面在爆炸冲击作用下的冲击应力峰值除第1次最大外,之后 基本以拉压应力状态来回振动,而且振动应力在经过1~2个来回后立刻减小到100 MPa以下,土的堆压可 以起到削弱球壳振动的作用,因此球壳单次爆炸引起的振动疲劳问题大为削弱;模型的强度满足设计要求;排 气孔附近是应力最为集中区域;炸药的形状系数对结构的安全影响很大。     

直坑道内防护门上的爆炸冲击波荷载

为可靠开展抗爆结构设计与评估,基于理论计算与数值分析对直坑道内爆炸冲击波荷载的计算问题进行了研究。定量对比分析了现有不同方法计算结果的差异,基于结构响应对不同方法进行了评价,并结合模型实验对近距离爆炸情况下直坑道内防护门上的设计荷载取值问题进行了研究。结果表明,在进行荷载简化时有必要考虑荷载形式与结构响应的耦合,而现有坑道内爆炸冲击波荷载的简化计算方法普遍没有考虑结构动态特性影响,且相互之间存在很大差异,严重影响设计或评估工作的可靠性;近距离爆炸情况下,取门中线上距门边1/4宽度处的压力或门上平均压力作为坑道内防护门上的设计荷载,在比较宽的结构频率范围内是合理的。研究结果可为坑道内结构的防护设计提供参考。     

减小高速列车荷载对地面结构损害的数值分析

用数值模拟的方法研究无填充壕沟、注水壕沟和砼填充壕沟对地表高速列车荷载引起振动的防护能力。运用LS-DYNA软件,对高速列车荷载作用下地面结构所产生的动力响应进行数值分析。通过数值模拟计算发现,无填充壕沟和注水壕沟可以明显降低地面结构关键点上的加速度与应力幅值,而砼填充壕沟并无明显降低结构中关键点上的加速度与应力值。对于地表高速列车荷载引起的地面结构振动,无填充壕沟与注水壕沟都有明显的防护作用,而砼填充壕沟的防护作用不明显。     

动荷载作用下高速铁路风积土地基动力特性试验研究

根据辽西地区的地震资料和波速测试资料,通过动三轴试验,进行了地震冲击荷载和列车振动荷载两种动荷载作用下辽西风积土地基的动力特性试验研究。研究结果表明,风积土的动强度、动变形和动模量等指标与荷载类型、持续时间、振动频率和动应力幅值等条件有关。在地震荷载作用下,动荷载频率和动应力幅值越大、震动持续时间越长,其产生的动应变越大;在高速列车振动荷载作用下,土的动强度和动抗剪强度随振动次数的增加而降低;固结比相同时,动弹性模量Ed和动剪切模量Gd随固结压力的增大而增大;随动应变εd的增大而减小,且初始时刻减小速度明显,之后逐渐变缓。     

长持时爆炸冲击波荷载作用下梁板组合结构的动力响应

为研究钢筋混凝土梁板组合结构在长持时远爆冲击波荷载作用下的动力响应及毁伤形态,通过实验获得了梁板组合结构的破坏形态和背爆面中心点位移变化。利用有限元软件对钢筋混凝土梁板组合结构的动态响应过程进行数值模拟研究,模拟得到的结构破坏现象与实验吻合较好。在此基础上,分析了梁板组合结构在相同冲量、不同峰值爆炸荷载作用下组合结构的动态响应和破坏过程,并结合挠跨比与破坏形态划分破坏模式。研究结果表明,相同冲量作用下,随着爆炸荷载峰值强度增加,梁板组合构件的破坏程度逐渐增加,破坏模式从弯曲破坏向弯剪联合破坏转换,最后呈现冲切破坏模式;组合构件中板部分发生破坏的时间早于交叉梁部分、破坏程度大于交叉梁。     

爆炸冲击波作用于墙体及对墙体绕射的实验研究

采用试验的方法,对爆炸冲击波作用于防爆墙及绕过墙体的规律进行了研究.采用压力传感器测压,获得了防爆墙前后不同距离的压力波形.试验结果表明:作用于前墙迎爆面反射超压一般要比墙后最大绕射超压大一个数量级,马赫反射一般发生在距离墙后1.5~2.0倍墙高处,药量与爆心距离对墙体反射超压及墙后绕射超压的变化规律有重要影响.通过综合分析和试验结果,得到了爆炸波绕射的内在机理,为防爆墙的设计与加固提供依据和参考.     

沙墙吸能作用对爆炸冲击波影响的实验研究

在爆炸冲击波作用下沙墙快速飞散,爆炸能量转换为沙粒动能和细化沙粒的摩擦做功,因此由沙袋堆积起来组成的沙墙对强冲击波具有消波吸能作用,对爆炸实验结构起到防护作用.本文利用366gTNT当量的球形药球中心起爆,进行了沙墙消波吸能作用下密闭柱形容器承受栽荷的实验.实验结果表明:沙墙使冲击波峰值超压降低最高可达6倍,到时也明显...     

低承台桩基础对地表土体振动的影响分析

建立了基于Biot波动方程的三维显式有限元计算方法,分析饱和地基中低承台桩基在简谐荷载作用下,桩基对桩周地表土振动的影响。采用1/3倍频程分析技术评价地表的振动量级,参数计算分四组,分别探讨土骨架的剪切模量、激振频率、承台板埋深比、平面尺寸的影响规律。结果表明:从减小水平向振动来考虑,承台埋深比宜取0.4~0.5,承台板厚宜取较大值;从减小竖直向振动来考虑,承台埋深及承台板厚的取值与土骨架剪切模量有关,建议承台量纲为一的板宽取0.5;桩基在较低频率荷载作用下对地表振动的放大作用要比较高频率荷载作用强。     

近地表爆炸地震的地面竖向振动速度的随机特性

引入了将爆炸地震的地面运动速度分解为一个确定性的幅值衰减函数和一个随机振动响应函数的乘积进行描述的基本方法 ,对近地表爆炸地震引起的地面竖向振动速度的实验测试结果进行了简要的分析。分析结果表明 :近地表爆炸地震的地面竖向振动速度随机波动分量的双对数功率谱在 10～ 70 0Hz的频率范围内满足近似的线性关系 ,功率谱指数介于 2 .5 1～ 2 .85之间 ,由此得到非平稳地震地面振动速度的演变谱密度方程。此外 ,还给出了地面竖向振动速度的理论模拟结果 ,在随机统计特性上与实验结果具有较好的一致性。     

饱和土和衬砌相互作用的圆形隧洞动力特性

利用 Darcy 渗透定律,通过引入衬砌和土体的相对渗透系数,建立了隧洞边界部分透水条件。将土骨架视为具有分数导数粘弹性本构关系的粘弹性体,基于 Biot 理论,通过界面连续性条件在频率域内给出了简谐轴对称荷载或流体压力作用下饱和粘弹性土-弹性衬砌系统耦合振动时饱和土、衬砌的位移、应力、孔隙水压力表达式,并通过算例分别考察了简谐轴对称荷载、流体压力作用下的分数导数阶数、材料参数比、渗透系数对系统的径向位移幅值 U 、孔隙水压力幅值P 的影响,结果表明：随着分数导数阶数和材料参数比的增加,系统的响应幅值逐渐减小;随着渗透系数κ的增加,轴对称荷载作用下的土体位移幅值和孔隙水压力幅值逐渐减小,当κ大于100时,U 和 P 值无明显变化,流体压力作用下的土体位移幅值和孔隙水压力幅值逐渐增大,当κ大于1时, U 和 P 值无明显变化。     

爆炸容器内冲击波系演化及壳体响应的数值研究

对中心装药爆炸后冲击波的产生、传播和壳体动态响应全过程进行了数值研究。认为RDX瞬时爆炸 ,爆炸近场采用自相似解 ;冲击波传播和波系演化采用PPM (the Piecewise Parabolic Method)格式求解Eu ler方程 ;壳体响应采用有限元方法求解拉氏坐标系下由虚功原理得到的动力学方程。壳体内壁面边界条件分别采用强耦合和弱耦合方法处理。结果表明 :(1)当装药量相同时 ,薄壁壳体振型比厚壁壳体复杂得多 ,振幅也大 ;(2 )当装药量不同 ,壳体厚度相同时 ,爆炸场冲击波的演化过程不同 ;(3)对少量装药 ,产生的冲击波强度低 ,壳体变形小 ,是否考虑内边界运动 ,对计算结果的影响不大 ;(4 )在本文条件下 ,爆炸容器封头顶点所受的载荷最大 ,是最易发生破坏的地方 ,侧壁与爆点所在横截面的交线 ,也易破坏。     

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.     

地铁隧道毫秒延时爆破环境振动特性研究

基于地铁隧道毫秒延时爆破环境振动特性现场试验,考虑爆破荷载的不规则特性,采用基于非对称加卸载准则的修正Davidenkov本构模型描述场地土体的动力非线性特性;通过改进Friedlander方程来模拟内源爆炸在圆柱形炮孔表面产生的瞬态空气冲击波;实现了包含毫秒延时爆破荷载输入和有限元-无限元耦合边界的地层-爆源体系三维精细化有限元模型,并与现场实测数据对比验证了该模型方法的有效性。对50 ms延时爆破和齐爆引起的环境振动特性进行了数值模拟,对比发现毫秒延时爆破不仅可以有效降低地表峰值振速,而且可以显著改变地表振动的频谱特性。毫秒延时爆破产生的地表振动频带较集中,对分散爆破振动能量的作用显著,且地表速度响应的主频较高,远离建筑结构自振频率,可显著降低爆破施工引起的邻近建筑物的结构振动水平。     

舱内爆炸角隅汇聚反射冲击波超压特性研究

为研究密闭舱室内爆角隅汇聚反射冲击波超压特性,利用缩比模型进行了某典型舱室内爆试验,得到远离角隅、两面角隅和三面角隅处的冲击波载荷,结合数值模拟研究了3种特征位置处冲击波传播规律及载荷特征。研究结果表明:远离角隅处壁面反射冲击波超压曲线呈现单峰结构,反射冲击波以球面波传播;距两面角隅一定范围内冲击波超压曲线呈现双峰结构,两面角隅冲击波超压曲线呈现单峰结构,角隅汇聚反射冲击波以椭球状传播;距三面角隅一定范围内冲击波超压曲线呈现多峰结构,三面角隅冲击波超压曲线呈现单峰结构,角隅汇聚反射冲击波以球面波传播;在合理假设条件下,根据量纲分析及数值模拟结果,得到首次冲击时角隅汇聚反射冲击波载荷经验计算公式。     

反射波对预混气体爆炸过程与管壁动态响应的影响

为研究管道内甲烷/空气混合气体火焰和压力波的传播规律,对内载压力波作用下管壁的动态响应进行实验。结果表明,末端闭口实验中,管道末端的反射激波会引起当地火焰亮度的增大,而前端反射激波则有可能导致火焰内部的分离从而出现熄灭与复燃现象。相对于末端开口工况,末端闭口实验时管道两端产生的往复反射激波对管壁具有叠加加载作用,导致管壁产生较大的环向应变。     

聚脲加固砖填充墙抗爆性能的试验和分析方法研究

为了掌握聚脲喷涂加固砖填充墙的抗爆特性,基于一种改进的大型爆炸试验装置,开展了聚脲加固框架砖填充墙的原型爆炸试验,分析了爆炸荷载作用下加固砖墙的动力响应特征和破坏过程及模式,揭示了其失效破坏机理。研究结果表明,聚脲加固可大幅提升填充墙构件的抗爆性能,显著增加填充墙构件的变形延性;加固砖墙受爆炸荷载作用发生振动的过程其体系刚度不断变化,最高相差133%;随着比例距离降低,加固砖墙的破坏模式逐渐由弯曲破坏转为剪切破坏,聚脲厚度超过6 mm可以有效限制局部剪切破坏现象;基于砖墙和聚脲涂层的抗力函数建立的理论计算模型,可以较为准确地预测爆炸作用下背爆面加固双向砖墙的正向位移响应过程。     

水下爆炸冲击波壁压理论及数值计算方法改进研究

水下爆炸冲击波是舰船抗冲击评估中重要的载荷成分,也是水中结构物毁伤程度快速预报的关键和依据。通过小当量实验发现,由于传统 Taylor 平板理论公式忽略了冲击波波速的非线性变化 ,导致其在预报近距离水下爆炸冲击波壁压脉宽时出现偏差。为此,给出了比例爆距R/W1/3为0.11～5.30 m/kg1/3 (R为爆距,W为炸药质量)下的冲击波速度拟合公式,对传统Taylor理论公式进行修正。修正后,在R/W1/3=0.11 m/kg1/3下,壁压脉宽及冲量偏差大幅减小;在R/W1/3≥0.21 m/kg1/3下,两者偏差均小于12%。此外,在处理水下近场和中远场爆炸问题时,发现数值耗散会导致壁压峰值被明显削弱,于是提出了一种可行的数值策略消除计算中数值耗散导致的削弱效应,结果与修正的Taylor平板理论公式吻合良好,峰值偏差均小于9%。改进后的冲击波壁压理论公式及数值计算方法可为舰船抗爆抗冲击领域提供理论和技术支撑。     

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。     

圆筒装置内爆炸压力载荷特性实验研究

为了研究密闭环境压力载荷波形特征和分布规律,开展了长径比2∶1圆筒装置的TNT装药内爆炸实验,获取了圆筒壁面、端盖板表面的压力载荷数据,结合仿真计算结果,研究了圆筒壁面、端盖板上压力载荷波形特征和形成机理,建立了压力载荷峰值的表征模型,并开展了模型验证。结果表明,圆筒壁面与盖板压力载荷波形不完全相同,壁面压力载荷按照爆心距由近到远,从显著的单波峰向多峰值变化,在近场区域压力载荷衰减特性与一定炸高自由地面冲击波类似;盖板上压力载荷呈多波峰特点,中心区域压力载荷最大峰值大于首峰值的3倍,角隅区域大于首峰值6倍;圆筒壁面上的压力载荷最大峰呈现凹型分布规律。该研究结果可为密闭环境内爆载荷的特性分析和结构毁伤评估提供参考。