爆炸冲击波对隧道结构破坏效应数值模拟

第３６卷第３１期　２　０　１　０年１　１月　文章编号：１００９－６８２５（２０１０）３１－０３１３－０２　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖｏ１．３６　Ｎｏ．３ｌ　Ｎｏｖ．２０１０　・３１３・　爆炸冲击波对隧道结构破坏效应数值模拟　谢金良　摘　要：为了解爆炸冲击波对隧道结构的破坏效应…，采用ＡＬＥ算法对不同药量ＴＮＴ爆炸对结构的应力进行了分析。　结果表明，随着药量的增加，结构受到的应力越来越大，最不利位置位于结构的底板。　关键词：爆炸，隧道结构，数值模拟，破坏效应　中图分类号：Ｕ４５５．６　文献标识码：Ａ　１　计算模型　气和炸药单元网格数目根据流场区域大小而定。整体有限元计　　围岩基本尺寸：长８０　ｍ，高４０　ｍ，厚０．４０　ｍ。混凝土结构尺　算模型　见图１。寸：总长２８　ｍ，总高７．４０　ｍ，总厚０．４０　ｍ。底板厚１．０　ｉｎ，顶板厚　２材料模型　０．６　ｉｎ，侧墙厚１．０　ｍ，中隔墙厚０．４　Ｉｎ。空气域尺寸：长２０．０　ｍ，　２．１　ＴＮＴ炸药　高ｌ８．０　ｍ，厚４．５　ｍ。　炸药尺寸及起爆中心根据不同工况有所变化，见表１。　表１计算工况　工况　】　２　３　采用　ＭＡＴ＿ＨＩＧＨ＿ＥＸＰＬＯＳＩＶＥ＿ＢＵＲＮ材料模型，爆轰压力和　单位体积内能及相对体积的关系采用Ｊｏｎｅｓ，Ｗｉｌｋｉｎｓ，Ｅ．Ｌ．Ｌｅｅ等提　出的ＪＷＬ状态方程模拟，其爆轰过程中压力和比容的关系为：　炸药尺寸（长×高×厚）／ｍ’　Ｏ．６×０　６×Ｏ．６　Ｏ　８×０．８×Ｏ．６　１．０×１．０×０．８　炸药药量／ｋｇ　炸药中心与底板距离／ｍ　３５２　Ｏ．８　６２６　１．Ｏ　１　３Ｏ４　２．０　Ｐ：Ａ（卜　）ｅ－ＲＩｖ＋曰（卜　ｅ－Ｒ２Ｖ＋　（１）　其中，Ａ，曰，Ｒ　，Ｒ：，　均为状态方程参数；Ｐ为压力；Ｖ为相对　　为初始内能。　假设空气、炸药为均匀连续介质，整个爆炸过程为绝热过程。　体积；对称面上采用对称边界条件，采用无反射边界条件以反映空气的　２．２　空气　无限域。大量的地面爆炸试验　研究表明，地冲击的作用远远小　采用ＬＳ—ＤＹＮＡ３Ｄ程序中ＭＡＴ—ＮＵＬＬ材料模型，状态方程采　Ｐ＝Ｃｏ＋ＣＩ　＋Ｃ２　＋Ｃ３　＋（　＋Ｃｓ／ｚ＋　）Ｅ　（２）　于空气冲击波的作用，因而本文不考虑地冲击对隧道结构的影　用　ＥＯＳ—ＬＩＮＥＡＲ＿ＰＯＬＹＮＯＭＩＡＬ，表达式为：　响。围岩、混凝土结构采用Ｌａｇｒａｎｇｅ单元网格，围岩和混凝土采　用共用节点方式。炸药　‘和空气采用Ｅｕｌｅｒ网格建模，单元采用　多物质ＡＬＥ算法，混凝土结构与空气间采用流固耦合算法。　其中，　＝１／（Ｖ一１），Ｖ为当前相对体积；Ｅ为材料的内能。　２．３钢筋混凝土　采用　ＭＡＴ—ＪＯＨＮＳＯＮ—ＨＯＬＭＱＵＩＳＴ—ＣＯＮＣＲＥＴＥ材料模型。　该模型综合考虑了大应变、高应变率和高压效应，同时结合损伤　理论考虑了材料的拉伸脆断行为，还考虑了材料压溃后的体积压　缩量与压力的函数关系。　２．４　围岩　土本构的研究一直是土工问题中的难点和热点　Ｊ，近十几年　来，土本构的研究获得了大量的研究成果，可以模拟各种土的一　些特殊行为。本文采用Ｋｒｉｅｇ提出的　ＭＡＴ＿ＳＯＩＬ＿ＡＮＤ—ＦＯＡＭ材　料模型。　图１隧道模型结构形式　３数值模拟分析　取混凝土结构上部一个单元（Ａ），下部一个单元（Ｂ），左侧两　结构在　方向上的应力峰值及达到峰值的时间在各种工况　考虑到模型的复杂性…及计算机硬件的限制，为了节省计算　１２　ｍｓ～１５　ｍｓ。有限元网格采用８节点六面体单元划分，其中混　时间，取整个模型的一半进行计算，对称面为ＸＯＹ面，计算时长为　个单元（Ｃ，Ｅ），右侧一个单元（Ｄ）进行分析。　凝土单元网格数目为３　１１６个，围岩单元网格数目为２２　２０８个，空　下的数值模拟结果见表２。　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｒｏｕｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｓｈｉｅｌｄ　ｃｒｏｓｓｉｎｇ　ｓａｎｄｙ　ｃｏｂｂｌｅ　ｂｅｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ＣＨＥＮ　Ｇｕａｎｇ・ｉｉａｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｅａｒｓ—ｐｌａｎｅ　ｓｕｂｗａｙ　ｉｎｔｅｒｖａｌｓ，ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｃｅｄ，　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ，ｆｉｌｌｉｎｇ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｔｈｒｅｅ　ｗａｙｓ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｓａｎｄｙ　ｃｏｂｂｌｅ　ｂｅｄ，ａｎｄ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｇｒｏｕｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｇｒｏｕｔｉｎｇ　ｗａｙｓ．Ｐｒａｃｔｉｃｅｓ　ｐｒｏｖｅ　ｔｈａｔ：ｇｒｏｕｔｉｎｇ　ａｔ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｓｔａｇｅｓ　ｃａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｇｒｏｕｎｄ　ｓｕｒ－　ｆａｃｅ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｕｎｎｅｌ　ｓｈｉｅｌｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｇｒｏｕｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｕｎｎｅｌ　ｓｈｉｅｌｄ，ｓａｎｄｙ　ｃｏｂｂｌｅ　ｂｅｄ，ｇｒｏｕｎｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ，ｃｏｎｔｒｏｌ　收稿日期：２０１０—０７—０９　作者简介：谢金良（１９８４－），男，解放军理工大学硕士研究生，江苏南京２１０００７　・３１４・　第３６卷第３１期　２　０　１　０年１　１月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖｏ１．３６　Ｎｏ．３１　Ｎｏｖ．　２０ｌ０　文章编号：１００９－６８２５（２０１０）３１．０３１４．０２　低应变法检测桥梁灌注桩的要点　王建文　摘　要：结合自身工作实践，介绍了采用低应变反射波法检测桩基时的要点，包括资料的收集、桩头处理、激振方武等六　方面，指出检测人员不仅要会操作，而且要有相关的基础知识，并具有较强的综合分析能力。　关键词：低应变反射波法，桩基，激振方式　中图分类号：Ｕ４４３．１５４　文献标识码：Ａ　低应变反射波法作为一种快速普查桩的施工质量的半直接　质量信息的波形进行处理和分析，并结合有关地质资料和施工记　法，具有测试设备轻便简单、检测速度快，成本低等优点，愈来愈　录作出对桩的完整性的判断。操作虽然看似简单，然而在桩基反　多的应用到了工程检测中。低应变反射波法的理论基础建立于　射波检测中，有些问题必须引起足够的重视，否则很容易出现误　波动力学，假设桩是一根细长的杆体，并假设一维平面应力波沿　判结果，经过几年的检桩实践，我总结了以下几点。　桩身传播。测试原理是：利用手锤（或力棒）在桩头施加一小冲击　１　资料的收集要全面　扰动力，激发一应力波沿桩身传播，然后利用速度传感器或加速　低应变反射波法检测桩一般是靠反射波的波幅、频率、相位　空洞、夹泥　度传感器接收由初始信号和由桩身缺陷或桩底产生的反射信号　来推断、评价桩身完整性的，由于桩身中的缩颈、离析、组成的时程曲线（或称波形），最后利用低应变仪记录的带有桩身　等缺陷在反射波曲线上体现的特征基本上是一致的，故而仅从波　表２　结构在ｘ方向上的应力峰值数值模拟结果　工况Ｉ　工况２　工况３　向上的应力峰值也逐渐增大。从表３可以看出，Ｂ单元位于隧道　结构顶板的中部，随着ＴＮＴ炸药药量的增加，其在ｙ方向的应力　达到峰值　时间／ｍｓ　Ｏ．５８　单元　应力峰　值／ＭＰａ　Ａ　ｌ２．４６　达到峰值　时间／ｍｓ　Ｏ．５８　应力峰　值／ＭＰａ　—４９．３８　达到峰值　应力峰　时间／ｍｓ　值／ＭＰａ　０．２６　—２９　１０　峰值越来越大，且达到应力峰值的时间也越来越短。　２）Ｄ单元位于侧墙内比位于同一水平线上的ｃ单元应力峰　值稍小，且达到应力峰值的时间也晚于Ｃ单元。ｃ，Ｅ单元同处于　中隔墙内，随着工况的改变，Ｃ单元逐渐向Ｅ单元靠近，故ｃ，Ｅ单　元的应力峰值及达到峰值的时问也逐渐接近。考查ｃ，Ｄ，Ｅ单元，　发现随着ＴＮＴ炸药药量的逐渐增加，其在　方向上的应力峰值也　逐渐增大。　参考文献：　Ｂ　Ｃ　Ｄ　１２．７Ｏ　一３．５９　３．４６　９　２】　５．Ｏ８　５．７５　ｌ６．４８　—５　０７　—５．７２　１０　５７　３．５４　４．３０　１０　ｏ９　２４　３Ｏ　ｌ７．２６　ｌ　６５　３　９４　７．８８　Ｅ　２．９９　４．９６　—７．Ｏｌ　３．５７　２４　２８　３．９２　表３结构在ｙ方向上的应力峰值数值模拟结果　工况ｌ　工况２　工况３　单元　应力峰　值／ＭＰａ　Ａ　—ｌ７．１４　达到峰值　时间／ｍｓ　０．４７　应力峰　值／ＭＰａ　—８１　８８　达到峰值　应力峰　时间／ｍｓ　值／ＭＰａ　Ｏ．２８　—５２．７５　达到峰值　时间／ｍｓ　０．６４　［１］　尹峰，张亚栋，方秦．常规武器爆炸产生的破片及破坏　Ｂ　Ｃ　Ｄ　Ｅ　一４．９２　一４．３８　９．５４　】６．Ｏ８　４．６Ｏ　５．７６　７．９７　８．３５　—ｌ２．９４　ＩＯ．５３　９．３６　２４．４２　２．５３　４．３８　７．７７　６．８２　—１９．３２　２４　２６　９　３９　ｌ７．１３　１　３ｌ　ｌＯ．Ｏ５　４．１１　９　８４　效应［Ｊ］．解放军理工大学学报，２００５（２）：３９－４０．　收稿日期：２０１０－０７—０４　作者简介：王建文（１９７２．），男，工程师，忻州市交通试验检测中心，山西忻州０３４０００