爆炸荷载作用下围岩与地下结构的动力相互作用

利用ANSYS/LS-DYNA非线性显式动力有限元程序和流固耦合计算方法,对炸药在地下拱形结构上方岩石中垂直爆炸过程进行数值模拟,借助波动理论p-u Hugoniot线对爆炸冲击波在围岩与结构之间的传播和加卸载过程进行理论分析;得到了不同跨度拱形结构与围岩之间的最大相互作用力及相互作用力分布图。研究结果表明：冲击波由高阻抗围岩向低阻抗混凝土传播时,围岩卸载,应力减小;反向传播时,岩石加载,应力增大;爆距为5 m时爆炸冲击波对40 m跨度拱形结构整体产生拉压震荡,引起的震动效应显著。     

爆炸荷载作用下地下拱形结构动力响应样条小波有限元研究

采用小波有限元方法研究爆炸荷载作用下地下结构的动力响应,克服在模拟过程中由于材料的奇异性、地质条件的复杂性和加载的快速性出现的应力集中和计算效率低下,根据样条有限点法,构造了单向和双向区间B样条圆环扇形小波单元,用尺度函数作为插值函数;结合工程实例,通过Matlab软件编程对爆炸荷载作用地下拱形结构的动力响应进行了数值模拟,并与应用传统有限元程序模拟结果进行对比。结果表明,小波有限元用很少单元取得了较高的精度,计算效率比传统有限元提高一倍。     

爆炸冲击波与破片联合作用下防弹衣复合结构防护效果的数值模拟

为增强现有防护装备的性能,设计了一种由聚脲(polyurea,PU)、凯夫拉(Kevlar)和泡沫组成的人体胸部复合防护结构。采用LS-DYNA对胸部复合防护结构在爆炸冲击波与破片冲击下的力学响应进行了数值模拟,分析了防护结构排布类型以及厚度对胸部防护的影响。结果表明：在单独爆炸冲击波作用下,防护结构的不同排布类型对抗爆效果影响较小,PU-Kevlar-泡沫排布结构抗爆效果较好,比透射压力峰值最大的Kevlar-PU-泡沫结构的峰值减小了2.42%;在爆炸冲击波与破片联合作用下,PU-Kevlar-泡沫排布结构防护效果较好,比透射压力峰值最大的PU-Kevlar-PU-泡沫结构的峰值减小了18.49%;适当增加结构的厚度可降低爆炸冲击波与破片联合作用对人体胸部的损伤,但继续增加厚度对防护性能的增益有限。

     

爆炸冲击波作用下围岩与被覆结构的动力相互作用

爆炸作用下围岩与被覆结构的动力相互作用对于合理确定防护结构荷载、科学设计被覆结构具有重要意义。运用ANSYS/LS-DYNA非线性显式动力有限元程序和流-固耦合算法,对垂直爆炸作用下不同爆距、不同跨度的地下结构与围岩的动力相互作用进行了数值模拟,应用波动理论进行了动力相互作用力分析,讨论了相互作用动载计算公式在岩石结构中的适用性,得到了围岩与被覆结构的最大相互作用力变化规律。研究结果表明:在距拱顶1~25 m垂直爆炸作用下,14~25 m跨地下结构都发生了拱顶局部破坏,整个拱的混凝土均会产生震动裂缝;当爆距为4 m时,围岩与结构的动力耦合作用最大,可以作为确定最大荷载的依据。     

炸药爆炸作用下地下结构的动力响应分析

基于显式有限元计算程序LS-DYNA3D和粘弹性人工边界条件，建立了爆腔-地下结构-软回填隔震层-岩土介质系统三维弹粘塑性动力响应分析模型，其中爆腔的模拟采用了经验关系式。通过与美陆军技术手册TM5-855-1经验公式的计算结果比较，表明该分析模型与方法是合理的。还进一步讨论了软回填层的隔震效果。     

地质断层对地下结构震塌影响机理的动光弹试验研究

用动态光弹性试验模拟研究了地质断层对应力波的影响及相互作用,比较分析了冲击荷载作用下水平和30方向的裂缝的动态响应,得到指定点处的条纹级数 时间关系曲线图和应力 时间关系曲线图,研究了结构物顶部震塌的机理,试验结论可为防护结构的改进提供参考。     

高饱和黏土中爆炸波作用下直埋聚乙烯管的动力响应

为了解决爆破作业对近距离埋地管道的安全评估问题,对高饱和粘土中爆炸波作用下聚乙烯(polyethylene, PE)管道进行了一系列管道动态响应的原型实验,得到了不同药量下管道动应变、动压力的实验数据和管体及地面的振速数据。实验结果表明:PE管动应变峰值同比例距离具有良好的幂函数衰减关系,在6～11 m/kg^1/3比例距离范围内,PE管的环向峰值应变衰减指数(绝对值)比轴向峰值应变衰减指数大;管道动态响应的主振频率略高于土体的主振频率,两者在同一量级,管道合成速度衰减指数大体和管道轴向应变衰减指数相当;压电陶瓷片所测得的电压信号和同测点的应变变化率信号具有较强的相关性。高饱和黏性土由于含水量较高,近距离柔性PE管因受到局部冲击会产生较大的环向应变,管道安全计算时应充分考虑这一因素;随着比例距离的增大,环向应变水平降低,轴向应变水平相对增强;压电陶瓷片因为具有良好可靠的动态性能,作为埋地管道现场监测的技术手段值得采用和推广。     

桥梁结构抗爆安全评估研究进展

随着恐怖袭击和偶发爆炸事故造成的桥梁爆炸事故不断增多,桥梁结构抗爆安全问题越来越受到关注。本文中系统总结了桥梁结构抗爆安全评估的研究进展,分析桥墩、桥面、桥索和桥塔爆炸载荷作用下桥梁的理论简化方法和结构的动力响应,和桥梁的连续性、冗余性和鲁棒性对结构连续性倒塌的影响,通过对建筑和桥梁抗连续倒塌的研究现状及相关规范的归纳,明确了桥梁连续倒塌的特性及现行桥梁设计方法的缺陷。而后,就承载能力评估、耐久性评估和适用性评估等桥梁安全评估问题的研究进展进行了梳理,并对桥梁爆破拆除技术和近地下爆炸对桥梁产生的响应和破坏作用进行分析,并针对当前研究的现状,分别提出建议。     

地下爆炸冲击波引起的基底滑移隔震建筑的动力响应

对埋置在土体中的圆形衬砌内发生意外爆炸引起的附近地表的滑移隔震建筑 (考虑了土 结构相互作用 )的动力响应进行了研究。在土 结构相互作用分析中 ,分别采用有限元、无穷元和集中质点体系建立了衬砌周围的有限土区、四周的无限土区以及基底滑移隔震建筑的计算模型 ;在基底滑移隔震分析中 ,提出了用连续摩擦力模型取代传统的库仑摩擦力模型 ,避免跟踪啮合滑移的过渡边界并可减小计算误差。通过数值模拟 6层基底滑移隔震建筑在遭受地下爆炸冲击波作用且考虑土 结构相互作用所产生的动力响应 ,分析了基底滑移隔震效果以及不同隔震参数对隔震效果的影响 ,为相关的理论研究和工程实践提供了依据。     

爆炸应力波作用下动、静裂纹相互作用的实验研究

采用数字激光动态焦散线测试系统,研究爆炸应力波作用下动裂纹与预制静裂纹(水平夹角为90°、150°)相互作用机理,以及裂纹扩展的动态行为。结果表明:(1)在动、静裂纹贯通之前,静裂纹两端便出现焦散斑,动、静裂纹贯通以后,静裂纹沿爆炸应力波传播方向扩展,并且扩展速度小于动裂纹扩展速度,也小于无静裂纹时动裂纹扩展速度; (2)静裂纹存在时,动裂纹扩展的总体长度减小。动裂纹起裂时间缩短,扩展速度基本不受静裂纹的影响,裂纹应力强度因子值大于静裂纹两端值; (3)随着静裂纹水平夹角的增大,动、静裂纹贯通时动裂纹沿水平方向偏转距离增大,静裂纹B端反向扩展与动裂纹相互“咬合”,C端裂纹扩展位移和速度增大。

     

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。

     

地下爆炸波作用下基底滑移隔震大跨结构的动力响应分析

对由地下隧道内发生意外爆炸引起的地下爆炸波作用下基底滑移隔震大跨结构考虑土一结构相互作用（SSI）的动力响应进行了全面的分析。在SSI分析中,分别采用有限元、无穷元和杆件体系建立了地下衬砌及周围有限土区、远场无限土区以及基底滑移隔震大跨结构的计算模型;在基底滑移隔震分析中,提出用连续摩擦力模型取代传统库仑摩擦力模型,以避免跟踪啮合滑移的过渡边界并可减小计算误差。最后,通过与Lysmer透射边界法和修正阻尼透射边界法的算例结果对比分析,验证了本文方法的有效性,其数值结果揭示了地下爆炸波作用下大跨结构的基底滑移隔震效果以及不同隔震参数对隔震效果的影响,从而为城市地下隧道建设相关的理论研究和工程实践提供了重要的依据。     

爆炸荷载作用下配筋砌体结构的动力响应

基于大型非线性动力有限元软件LS-DYNA,通过改变墙体的约束情况、砌体材料的强度等级、纵向配筋率、高宽比、荷载峰值、墙体距爆心点距离、墙体开洞以及粘贴玻璃纤维复合材料等,得到配筋砌体墙在爆炸荷载作用下的变形规律、破坏情况以及结构墙体中砌体材料、钢筋的应力和位移随时间的变化规律。同时对各种不同工况下配筋砌体墙的防爆性能进行比较,找出了影响结构响应最为重要的因素,给配筋砌体墙防爆设计提供参考。     

Dynamic analysis of underground composite structures under explosion loading

In selecting rational types of underground structures resisting explosion, in order to improve stress states of the structural section and make full use of material strength of each part of the section, the research method of composite structures is presented.Adopting the analysis method of micro-section free body, equilibrium equations, constraint equations and deformation coordination equations are given. Making use of the concept of generalized work and directly introducing Lagrange multiplier specific in physical meaning,the validity of the constructed generalized functional is proved by using variation method.The rational rigidity matching relationship of composite structure section is presentedthrough example calculations.     

水饱和岩石中爆炸应力波传播的数值模拟

基于连续介质力学和不相融混合物理论,假定组分间无相对运动,采用B-W-N-B有效应力准则,在屈服面中引入孔隙影响因子,提出了一种多孔含水介质流固耦合的本构模型,并给出了孔隙的演化方程,对水饱和凝灰岩介质中的爆炸应力波传播作了数值模拟。数值计算给出的应力波形与实测结果有良好的一致性。采用本文中所述流固耦合本构模型,可很好地预测水饱和岩石中爆炸波的演化规律。     

爆炸荷载作用下大跨预应力混凝土框架动力响应分析

为了研究预应力混凝土(prestressed concrete, PC)框架结构的抗爆性能,利用有限元软件LS-DYNA对一栋3层2跨的大跨有/无黏结PC框架结构在不同比例距离的外部远爆荷载作用下的动力响应进行了分析。分析结果表明：混凝土预应力框架在地表远爆荷载作用下,最大层间位移角与前墙所受峰值反射超压近似成线性关系;有黏结混凝土预应力框架结构层间位移角相较于无黏结混凝土预应力框架更小,损伤分布更均匀,结构抗爆性能更好;基于分析结果,给出了不同比例距离对应的损伤状态,可用于对混凝土预应力框架结构进行爆炸损伤状态快速评估。

     

侧向点爆炸作用下地下拱结构的动力响应

首先,利用几何关系与介质中超压、位移衰减公式得出结构表面自由场荷载和位移的分布形式,并对衰减因数、爆距等参数进行讨论;其次,利用MSSI（modified soil-structure interaction）相互作用模型对拱的振动方程进行正交求解,得到任意角度荷载作用下的结构弹性动力响应解析解。基于动力响应解析解,得到了土体的声阻抗对结构位移、速度、加速度时程响应曲线的影响。研究结果表明:侧向爆炸荷载作用下,岩土介质声阻抗越大,埋设其中的地下结构的位移、速度和加速度变化越大。为此,建议地下防护结构应修建在声阻抗小的岩土介质中。     

爆炸载荷下地下巷道分配层结构的对比分析

为寻找削波效果更好的分配层结构,基于光滑粒子流体动力学-有限元耦合方法SPH-FEM,建立地下巷道爆炸效应分析模型,形成11种不同的模拟方案。将含不同材料的分配层结构的测点应力峰值进行对比,以及从测点应力峰值、能量峰值和拱顶竖向位移的角度来比较不同分配层结构的削波能力,并将爆炸近区测点应力峰值与经验公式进行对比。结果表明,砂土的削波能力要强于泡沫混凝土;分配层中各层材料采用周期循环、波阻抗值递增且相邻材料波阻抗比减小的方式来布置,同时在分配层中加入钢铁,对应力波峰值的衰减和弥散效果最优。爆炸近区的模拟数值与计算值吻合度较高,证明此模拟具有一定的可靠性,可以为军事防护工程的结构设计提供参考。     

水中爆炸激波对水泥试样作用的数值模拟分析

通过对水中爆炸激波在水泥净浆试样中传播的数值模拟,再现了爆炸激波的传播过程,采用对典型单元受到的激波作用和应力进行分析的方法,得出了水泥试样各个区域损伤破坏的成因,数值模拟结果和实验现象吻合。     

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。