水中爆炸作用下隧道毁伤效应研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:河北省高等学校科学研究项目()作者简介:杜闯()男博士讲师硕士生导师:.通信作者:庄铁栓()男博士工程师:.:./.水中爆炸作用下隧道毁伤效应研究杜 闯张江鹏庄铁栓伍 俊张 涛宋 帅(.河北工业大学 土木与交通学院 天津.军事科学院国防工程研究院 河南 洛阳)摘要:为研究隧道在水中爆炸荷载作用下的毁伤机理和破坏形态选取典型管节建立隧道管节的耦合()三维数值模型通过水下爆炸试验验证了 方法和材料模型的准确性 开展隧道管节的毁伤效应数值模拟分析冲击波作用过程、管节损伤演化过程和管节破坏机理进行参数分析比较不同炸药当量和爆炸距离对管节毁伤程度和破坏模式的影响 结果表明:在水中爆炸作用下隧道管节的损伤过程超过冲击波的作用时间 在同种炸药当量下管节前壁的损伤程度随爆炸距离的增加而降低后壁的损伤程度主要受炸药当量影响爆炸距离对其影响较小 以位移变形为损伤指标拟合得到函数关系式并给出不同破坏程度的临界曲线可用于评估隧道管节的破坏程度关键词:水下隧道水中爆炸数值模拟动力响应毁伤模式本文引用格式:杜闯张江鹏庄铁栓等.水中爆炸作用下隧道毁伤效应研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:引言水下隧道经过近百年的发展已经成为跨江跨海交通的重要方式之一 相较于轮渡和桥梁而言水下隧道不受台风、浓雾等恶劣天气的影响有稳定畅通的通行能力且不对水上航运造成影响 但是由于其特殊的运营环境一旦受到恐袭爆炸隧道的损毁将带来难以估量的损失 水中爆炸具有冲击波峰值压力高、传播速度快、作用时间短、有二次气泡脉动效应等特点其作用于水下隧道轻则局部损伤渗水重则直接破坏短时间无法修复 因此开展水中爆炸作用下隧道的毁伤效应研究对于该类结构的抗爆防护设计和战时敌方打击毁伤后的安全评估具有重要意义水中爆炸相关研究是以海战为背景发展起来的研究对象以钢为主要材质的舰船、潜艇为主 对以混凝土为主要材质的水工结构研究较少且主要为混凝土坝、码头 等 在水下隧道方面 等 通过离心机试验和数值模拟相结合的方法研究了不同水深的水下爆炸对隧道结构的影响罗刚等将悬浮隧道简化为等截面刚度的伯努利 欧拉弹性支撑梁通过建立动力学理论模型研究水中非接触爆炸作用下的动力响应 等将悬浮隧道简化为线弹性简支梁研究其在水下爆炸冲击波和气泡脉动荷载作用下的动力响应 等 建立沉管隧道的管节模型研究不同爆炸工况下隧道管节的破坏模式提出沉管隧道损伤的评估标准 等基于挪威某一隧道施工方案使用 对比研究 种不同截面的隧道在发生内部爆炸时结构的毁伤效应 可见已有文献对水下隧道抗爆进行了相关的研究但由于水下隧道特殊的环境其毁伤机理及破坏方式仍然认识不足需要进一步深入研究本文中以水下隧道典型管节为研究对象采用 建立全耦合模型研究水中近场非接触爆炸下隧道管节的毁伤破坏特征分析其毁伤机理比较炸药当量和爆炸距离对其毁伤效应的影响得到不同损伤程度的临界曲线 研究结果可为该类结构的抗爆设计和安全评估提供参考 有限元模型和参数选取.隧道管节设计参考文献设计的隧道管节断面为割圆形钢筋混凝土结构 外径 内径 壁厚.长 内部行车道宽.厚.下方通过 个厚.、高.的直立墙支撑 隧道采用双向双层直径 的 钢筋配筋外侧纵向钢筋间距 内侧纵向钢筋间距 环向箍筋间距 混凝土保护层厚 隧道管节及外形尺寸如图 所示图 隧道管节及横断面尺寸示意图.有限元模型及算法有限元模型由 炸药、水、空气和隧道管节组成 由于隧道管节具有对称性以隧道管节对称面中心点作为坐标原点建立/计算模型 管节横向为 向竖向为 向轴向为 向 按照实际试验工况设置边界条件在管节端部施加固定约束 域边界施加 流出边界条件不考虑冲击波在边界的反射影响 单元大小对计算结果有一定影响经过试算最终确定混凝土采用 单元网格尺寸 炸药、水和空气采用 单元网格大小为 钢筋采用 单元单元尺寸 模型共由约 万个 单元和 万个 单元组成采用 算法钢筋与混凝土采用 连接 中的 技术可以减少计算量提高计算效率计算时先在一维模型中计算炸药从初始爆炸到传播至管节段前的状态再通过 方法将其映射到三维模型中这样既减少了计算量也保证了炸药的填充精度 同时为便于结果分析将迎爆侧定义为管节的前壁背爆侧为管节后壁并且在隧道管节前壁轴向中心线上间隔 布置测点测点编号依次为 有限元模型如图 所示图 有限元模型示意图.材料模型参数混凝土材料采用 本构模型 由于 中默杜 闯等:水中爆炸作用下隧道毁伤效应研究认参数值将会导致应变软化的不合理结果 参考刘殿柱、辛健、施德胜等给出的 模型参数敏感性分析方法对其参数进行修正修正后的 本构模型参数见表 钢筋材料采用 本构模型材料参数见表表 混凝土 模型参数 参数剪切模量/抗压强度/抗拉强度/抗剪强度/失效面常数失效面指数残余失效面常数 数值.参数残余失效面指数 压缩应变率指数 拉伸应变率指数 损伤常数损伤常数最小破坏应变 残余剪切模量分数数值.表 钢筋材料参数 参数/()/塑形失效应变数值.炸药采用 并使用 状态方程其表达式为 ()()()式()中:为爆轰压力 为炸药爆轰产物的相对体积单位体积能量./.空气采用 材料模型 状态方程为()()式()中:为气体压力 为绝热指数常取.为空气初始密度取./为当前时刻的空气密度为空气的初始内能 标准大气压下的空气初始内能为 /水采用 状态方程参数取值见表 本文中模拟水深 其静水压力通过设置水的内能来实现 ()式()中:为水面处的大气压常取值为.为水的多项式方程中的一个常数取值见表 为水深表 水的材料参数 参数/()/数值.参数/数值.模型验证爆炸试验在圆柱形水池中进行缩尺模型试验如图 所示 水池直径 深 周围和底部均为 厚的钢板试验水深.炸药当量 爆炸距离 试件放置位置距两侧池壁约.试件背爆面距池壁 以减小池壁反射波对试验的影响图 试验布置 试件外半径为 内半径为 圆壳段壁厚 底部平台厚 在其中间设置一个长 高 的矩形凹槽管节长度.采用 混凝土浇筑试件分别在试件中心截面的迎爆面、管节顶面和背爆面安装 壁面反射压力传感器其量程分别为、试件传感器布置及横截面尺寸如图 所示图 压力传感器布置及试件横截面尺寸示意图 兵 器 装 备 工 程 学 报:/./按照上文方法采用 对试验建立三维模型如图 所示 在三维有限元模型上压力传感器测点、和 的对应位置布置 点提取冲击波压力时程曲线 各测点压力时程曲线的实测值与模拟值对比如图 所示 由图 可见迎爆面测点 的反射压力时程曲线和顶面测点 的绕射压力时程曲线的模拟值和试验值吻合良好背爆面测点 的绕射压力时程曲线模拟值略大于试验值这是由于实际流场边界和数值模拟不完全相同实际试验由于现场条件的限制流场边界是有限的而数值模拟采用无反射的流出边界导致模拟结果略大于试验值 总体上可以看出本文中所使用的材料模型和 方法在模拟水中爆炸方面具有较好的可靠性图 模型试验有限元模型示意图.图 试验与模拟压力时程对比.隧道管节毁伤数值模拟分析.冲击波与管节的相互作用图 给出了炸药当量、爆炸距离 时水中爆炸冲击波与隧道管节的相互作用过程 冲击波传播至管节前壁表面发生反射和透射 由于混凝土的波阻抗远大于水当冲击波传播到管节前壁时会形成反射波在迎爆面区域与入射波相互叠加导致结构迎爆面区域的冲击波压力迅速增加最大峰值压力约为 透射波以应力波形式在混凝土内部传播由于隧道内侧空气的波阻抗远小于混凝土因此应力波传播到隧道内侧临空面时反射波形成拉伸波 、冲击波作用于管节范围不断增大其压力强度逐渐降低 可以看出冲击波在混凝土内部的传播速度明显快于水中 冲击波的作用范围几乎覆盖整个管节 冲击波绕射到管节背侧峰值压力相较迎爆面而言较低仅有.此时管节前壁的冲击波也已衰减至较小值 图 给出了管节前壁各测点(各测点布置见图()压力时程曲线 由图()可以看出冲击波作用在管节表面上的时间短、衰减速度快其超压时间不足 便衰减至较小值 各测点到达压力峰值的时间也随距爆心距离增加而逐渐滞后 图()为各测点压力峰值 可以看出正对爆心测点 的峰值压力最高达 各点峰值随距爆心距离增加而递减最远端靠近基座处测点 的峰值压力仅为.作用在管节表面上的压力空间分布极不均匀图 冲击波传播与管节相互作用的过程(.).(.)杜 闯等:水中爆炸作用下隧道毁伤效应研究图 管节前壁冲击波压力曲线.隧道管节损伤演化过程图 为上述隧道管节损伤演化过程(上为前壁轴侧下为后壁轴侧)(图()管节前壁正对爆心区域的内侧开始损伤局部混凝土破坏 (图()隧道前壁内侧混凝土的损伤范围沿轴向从中间向两端扩展且损伤程度较高此时隧道前壁外侧的损伤面积接近于前壁面积的/但其损伤程度较低 (图()损伤区域几乎覆盖整个隧道前壁外侧并扩大到管节后壁内侧的损伤范围也延伸至管节端部 (图()损伤继续演化在隧道前壁外侧形成若干条轴向裂纹和环向裂纹 管节后壁损伤也不断扩展延伸管节后壁也出现一条明显轴向裂纹和数条环向裂纹 时(图()管节破坏程度与 时相比未发生明显变化裂纹也未再继续扩展表明管节破坏已经完成 在同一时刻隧道管节前壁比后壁的损伤范围更大管节内侧比管节外侧的损伤程度更严重 图()为隧道管节测点位移时程曲线 可以看出隧道管节的位移变形主要发生在 之前而在 之后各测点虽然仍有变形但其变形量较小 图()为隧道管节前壁各测点挠度变形曲线 可以看出管节的位移变形与压力分布规律相似正对爆心的测点位移最大各测点的变形量随距爆心距离的增加而逐渐降低图 隧道管节损伤演化过程(.).(.)图 隧道管节前壁位移变形曲线.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.隧道管节的毁伤机理分析对比图 和图 可以发现水中爆炸作用下冲击波与管节的相互作用时间不超过 但管节的毁伤过程却远超过冲击波的传播过程达到 管节的毁伤过程要远大于冲击波作用时间 当冲击波传播至管节表面时(见图)由于混凝土材料的波阻抗远大于水冲击波在管节前壁表面发生反射和透射管节前壁受到的压力为反射波与入射波的叠加其强度远大于入射波透射波传播至管节内侧临空面时再次反射形成拉伸波由于混凝土材料的抗拉强度低仅为抗压强度的/因此水中爆炸冲击波作用下混凝土隧道管节更容易发生拉伸破坏拉伸破坏区域主要集中在前壁内侧 随着冲击波作用范围的扩大其峰值强度也逐渐降低因此尽管其损伤范围逐渐扩大但管节的损伤程度和位移变形相对于中心区域明显降低 冲击波掠过管节后受到水中爆炸冲击波作用的隧道管节由于惯性仍在继续运动变形其变形导致隧道管节的损伤范围和程度进一步加剧 隧道管节前壁的损伤由冲击波作用直接引起而管节后壁并未承受过大的冲击波作用其损伤在冲击波结束后逐渐形成主要由管节后续的运动变形所产生图 冲击波与隧道前壁的相互作用.参数分析以药量和爆距为参数研究不同水中爆炸工况对隧道管节毁伤效应的影响 选择、种 当量爆炸距离为 计算工况如表 所示.不同工况下隧道管节的毁伤分析图 图 为炸药量 爆炸距离分别为、时隧道管节的损伤云图 爆炸距离 时管节前壁外侧靠近爆源处发生局部损伤损伤范围约为直径 的圆形前壁内侧最大变形挠度.且伴随混凝土局部失效 管节后壁仅在中部形成两条环向裂纹和轴向裂纹损伤程度较小爆炸距离 时损伤范围有所扩大但管节的损伤程度明显减轻当爆炸距离增大至 时管节前壁外侧已无明显破坏仅有若干条裂纹管节后壁基座处有 条斜裂纹与中部的轴向裂纹相交损伤程度轻微 由上述分析可知炸药当量为 时随着爆炸距离增大管节损伤明显减小管节的破坏形式主要为前壁的局部冲击破坏和内侧混凝土的局部失效管节后壁的损伤程度较小表 计算工况 爆炸工况炸药当量/爆炸距离/比例爆距/(/).图 图 为炸药量 爆炸距离、时隧道管节损伤云图 爆炸距离 时管节前壁外侧接近/区域受到损伤内侧混凝土发生大面积失效最大挠度变形.管节后壁在跨中位置形成明显的拉伸破坏裂纹随着爆炸距离的增加管节前壁的损伤范围并无明显变化但损伤程度明显降低当爆炸距离增大到 时管节前壁的损伤程度已比较轻微无大面积的损伤区域仅有若干条横向裂纹和环向裂纹隧道内侧无明显损伤 与药量 的工况相比随着炸药当量的增加管节前壁的损伤范围明显增加管节后壁的损伤程度也更加严重图 图 为炸药量 爆炸距离、时隧道管节损伤云图 爆炸距离 时管节前壁外侧发生大范围严重损伤内侧混凝土大面积失效最大挠度变形达.管节后壁破坏也极为严重 随着爆炸距离增加管节的损伤程度逐渐降低当爆炸距离增大到 时管节的破坏程度已大幅降低管节前壁外侧损伤程度较轻仅有若干条损伤裂纹但管节后壁损伤程度较前壁更为严重有 条贯穿的斜向裂纹图 工况 的损伤云图().()杜 闯等:水中爆炸作用下隧道毁伤效应研究图 工况 的损伤云图().()图 工况 的损伤云图().()图 工况 的损伤云图().()图 工况 的损伤云图().()图 工况 的损伤云图().()图 工况 的损伤云图().()兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 工况 的损伤云图().()图 工况 的损伤云图().()通过对上述 种爆炸工况下隧道管节的毁伤结果对比分析可以发现在同种炸药当量下管节前壁的损伤程度随爆炸距离的增加而显著降低而管节后壁的损伤程度并无明显变化与爆炸距离关系不大其主要受炸药当量影响炸药当量越大管节后壁的损伤程度越严重在爆炸距离不变的情况下改变炸药当量爆炸产生的冲击波在结构上的作用范围是固定不变的但结构上受到的总荷载将随炸药当量的增大而增大 爆炸产生的冲击波主要作用在管节前壁管节后壁的损伤程度并不直接受冲击波作用的影响其破坏主要由结构整体的变形引起 当炸药当量增大时管节前壁所受到的总荷载将增大结构的整体变形也将更加严重管节后壁的损伤程度也随之增加在炸药当量不变的情况下改变爆炸距离冲击波在结构上的作用范围将随着爆炸距离的增大而增大但结构上受到的总荷载不变 当爆炸距离缩小时管节前壁上的冲击波压力会增大从而引起结构局部破坏更严重然而管节前壁所受到的总荷载不变结构不会产生更加严重的整体变形管节后壁的损伤也不会产生明显的变化.不同爆炸工况下的管节位移变形分析图 为不同爆炸工况下管节前壁位移曲线 可以看出管节变形主要集中在正对爆心的中间区域而两端变形较小 在同一炸药当量下其对隧道管节的影响范围是有限的 炸药当量为 时改变爆炸距离主要影响管节中心截面两侧 范围内的位移变形端部的位移变形几乎不受爆炸距离的影响当炸药当量增加至 时其影响范围增加至 炸药当量为 时影响范围扩大到 随着炸药当量的增加爆炸对隧道管节的影响范围明显增大图 前壁位移变形曲线.不同爆炸工况下的管节损伤耦合分析在水下隧道毁伤效应研究中影响隧道管节破坏因素很多主要是炸药量和爆炸距离隧道管节位移变形是衡量破坏程度的重要指标 将不同工况下管节炸药量、爆炸距离和前壁的最大位移进行拟合得到管节前壁跨中位移变形量()和爆炸距离()、炸药当量()之间存在如下函杜 闯等:水中爆炸作用下隧道毁伤效应研究数关系式如图 所示.()结合不同爆炸工况下的损伤云图和跨中位移变形量可以看出当管节前壁的最大位移超过 时(工况、)隧道管节将发生严重破坏当前壁跨中位移大于 而小于 时(工况、)隧道管节发生中度破坏当跨中位移小于 时(工况、)管节损伤程度较小因此在图 中分别作 和 的平面并用其截取炸药、爆距和跨中位移函数曲面的交线将所得交线向图中底面进行投影即可得到不同损伤程度的临界曲线如图 所示可用于评估不同爆炸工况下隧道管节的破坏程度图 位移爆距药量拟合曲面.图 不同损伤程度的临界曲线.结论本文中采用 方法对水下隧道管节爆炸荷载作用下的毁伤效应进行了数值模拟分析选取 种典型工况对水下隧道管节的毁伤特征进行分析研究了炸药当量和爆炸距离对隧道管节破坏形式的影响 主要得出以下结论:)水下爆炸冲击波的作用时间短、衰减速度快与管节的相互作用时间不足 冲击波作用结束后隧道管节由于惯性仍在继续运动变形导致其损伤范围和程度进一步加剧管节毁伤时间持续约 水中爆炸作用下隧道管节的毁伤过程远远超过冲击波在管节上的作用时间)由于拉伸波的作用管节前壁内侧的混凝土最先损伤失效 在同一时刻隧道管节前壁比后壁的损伤范围更大管节内侧比管节外侧的损伤程度更严重)随着炸药当量的增加爆炸对隧道管节的影响范围明显增大管节整体变形程度也增大 在同种炸药当量下管节前壁的损伤程度随爆炸距离的增加而降低管节后壁的损伤程度与爆炸距离关系不大主要受炸药当量影响炸药当量越大结构后壁的损伤程度越严重)对不同工况下管节前壁的最大位移变形进行曲面拟合得到管节前壁跨中位移和爆炸距离、炸药当量之间的函数关系将不同爆炸工况下的损伤云图和跨中位移变形量相结合得到不同损伤程度的临界曲线可用于评估不同爆炸工况下隧道管节的破坏程度参考文献:.:.(.):.().金键朱锡侯海亮等.水下爆炸载荷下舰船响应与毁伤研究综述.水下无人系统学报():.():.().黄谢平孔祥振陈祖煜等.近水面、库中、库底水下爆炸荷载作用下混凝土重力坝的破坏模式对比.土木工程学报():.():.刘靖晗唐廷韦灼彬等.水下爆炸对高桩码头毁伤效应的试验研究.爆炸与冲击():兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.():.李凌锋韦灼彬唐廷等.爆炸荷载下沉箱重力式码头模型毁伤效应.爆炸与冲击():.():.():.().罗刚张玉龙潘少康等.水下爆炸冲击作用下悬浮隧道响应参数分析.应用数学与力学():.():.():.:.:.:.王雪霁刘罡.悬浮隧道(水下连续梁桥)跨越海峡方案研究.路基工程():.().():.安世亚太.在水下爆炸模拟中的应用./与制造业信息化():.():.:.():.刘殿柱刘娜高天赐等.应用正交试验法的 模型参数敏感性研究.北京理工大学学报():.():.辛健.爆炸作用下 模型参数敏感性分析.舰船电子工程():.():.施德胜施冠银陈江瑛.模型的改进与数值拟合.宁波大学学报():.()():.科学编辑 李海涛 博士(海军工程大学 副教授)责任编辑 胡君德杜 闯等:水中爆炸作用下隧道毁伤效应研究