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恐怖爆炸荷载作用下地铁隧道的冲击反应与防护研究

孟庆辉  
【摘要】:随着我国地铁结构的大量修建,地铁结构的安全防护逐渐成为一个迫切需要解决的问题。基于国际社会的恐怖活动和地铁防护现状,介绍了爆炸冲击反应模型的建立、冲击波在地铁隧道中的传播规律、爆炸荷载作用下的地铁隧道的动力响应以及泡沫铝在地铁抗爆防护方面的研究成果,并采用数值计算的方法来模拟实际的爆炸过程对地铁隧道的影响,从而更好的了解爆炸荷载对地铁结构的作用规律,以便为地铁建设服务。 为了精确的分析爆炸荷载的影响,利用动力分析软件LS-DYNA建立地铁隧道的爆炸冲击反应模型,并采用流固耦合算法,将多种材料耦合在一起,实现流体与固体之间的相互作用问题,从而解决了空气与衬砌之间的接触问题。 在模拟爆炸冲击波在地铁隧道内传播的过程中,采用了10kgTNT和20kgTNT两种炸药当量作用下的数值计算模型,主要分析了冲击波的反射,叠加效应,以及冲击波的超压衰减变化规律,可以得出,在距爆炸点较近处,各点冲击波经历一次主峰值后,超压衰减很快,但是随着距炸药中心距离的增加,各点经历超压主峰值后也衰减,但是衰减幅度不是很大。这是由于爆炸冲击波在向前传播的同时,在结构内部经历了多次反射,冲击波正压区拉长并分成很多部分,使爆炸产生的能量分布变得均匀了。并对不同断面处各点冲击波到达时间进行了相应的分析,同时分析了冲击波超压对人员的伤害程度。 在地铁隧道动力响应反面,分析了10kgTNT和20kgTNT两种工况作用下衬砌三个断面处的位移、速度及加速度和应力的变化规律以及周围土体的动力响应规律,得出的结论为,距爆心最近的断面处速度和加速度经历主峰值后衰减很快,随着距爆炸中心距离的增加,各点的速度及加速度也在降低,但是衰减较慢,可以证明速度及加速度的变化与超压有关,在20kgTNT作用下距炸药最近的衬砌底部首先进入塑性区。在爆炸初始时刻衬砌处于受拉状态,并且对周围土体的影响是随着距离的增加而逐渐减弱,而当炸药量增加时,影响范围也将增大。 在抗爆防护方面,采用了对衬砌内壁添加泡沫铝的方法,并对添加泡沫铝前后进行了简化计算,由计算结果可以看出,泡沫铝对缓冲爆炸荷载对衬砌的冲击作用有很好的效果。


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