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《沈阳建筑大学》 2015年
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地铁隧道的爆炸效应及损伤评估研究

韩邦昕  
【摘要】:由于运量大、速度快,地铁这一城市地下空间中的交通网络无疑是解决地面交通拥堵问题的一个良好解决方案,作为重要的生命线工程,其造价高,使用周期长,维护费用高,一旦发生爆炸恐怖袭击,极易造成大量的人员伤亡及经济损失。地铁隧道爆炸效应及损伤是一个十分复杂的问题,涉及到爆炸与冲击动力学、结构动力学、损伤力学、流固耦合、结构与土的动力相互作用等理论。随着计算机技术的发展,数值计算受环境的影响较小,可以方便的改变各个状态参数,对结果进行比较和分析,总结出各重要参数的变化趋势。当炸药在地铁隧道内发生爆炸时,由于城市地下空间中地铁结构的封闭性,爆炸冲击波在其内部形成的流场极为复杂,当冲击波传播至衬砌结构时会发生反射、折射、叠加等效应,其超压峰值明显不同于自由空气中冲击波的超压峰值。国内外对爆炸冲击波的传播规律和超压峰值进行了系统的研究并提出了很多的经验公式,但用于爆炸荷载超压峰值计算的经验或半经验公式多是基于自由空间中的试验,而地铁隧道的环境相对封闭,由公式得到的超压峰值与实际的地铁复杂环境中作用于结构上的超压峰值差异很大,而在爆炸荷载作用下衬砌结构的动力响应和损伤规律更加复杂。本文采用有限元分析程序,针对地铁隧道建立合理的爆源—空气介质—衬砌结构—岩土介质的系统动力相互作用有限元模型,研究冲击波在地铁结构中的传播和变化规律,对地铁结构在内爆炸荷载作用下的动力响应和损伤评估进行探讨,从而为地铁结构的抗爆设计提供依据。研究结果表明,在地铁区间隧道中发生爆炸后,瞬间产生高温、高压、高速膨胀的气体冲击波在传播至地铁区间隧道的衬砌后,将导致地铁隧道衬砌结构的非线性响应和动态损伤,对钢筋混凝土衬砌结构造成破坏。地铁衬砌结构的速度和加速度的变化与超压有关,在爆心的附近区域,冲击波对衬砌结构的动力响应和损伤影响较大,随着与爆心距离的增加,影响逐渐减弱。爆炸冲击波的特征不仅依赖于爆源的性质,而且与炸药当量、爆炸高度等因素有关。泡沫铝作为一种良好的吸能缓冲材料,能有效衰减冲击波能量,是提高地铁衬砌抗爆防护的有效措施。
【学位授予单位】:沈阳建筑大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:U458;U231.96

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