泡沫混凝土回填层在地下复合结构中的抗爆特性分析.pdf

第 3 6卷第 6 期 2 0 1 0年 1 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 3 5 泡沫混凝土回填层在地下复合结构中的抗爆特性分析 张斌 ， 许金余 ， 李 乐 ， 林伟。 ( 1 空军工程大学工程学院机场建筑工程系 ， 陕西 西安7 1 0 0 3 8 2 西北工业大学力学与土木建筑学 院 ， 陕西 西安7 1 0 0 7 2 ； 3 沈空后勤部机场营房处， 辽宁 沈 阳1 1 0 1 6 2 ) 摘 要： 泡沫混凝土材料具有减振和吸收冲击能量的特点。应用 A N S Y S L S D Y N A有限元程序对地下复合结构在爆炸荷载作 用下的动力响应进行了数值模拟， 分析了泡沫混凝土减振层对结构动力响应特性的影响。计算结果表明， 泡沫混凝土减振层 能够明显减小结构的动力响应； 泡沫混凝土减振层的最佳厚度为毛洞半径的0 2 5倍左右。 关键词： 地下复合结构； 动力特性； 泡沫混凝土； 数值模拟 中图分类号 ： T U 5 2 8 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 0 ) 0 61 3 5一 O 4 An a l y s i s o f a n t i d e t o n a t i o n a l p r o pe r t y o f f o a m c o n c r e t e b a c k fil l l a y e r s i n u n d e r g r o u n d c o m p o u n d s t r u c t u r e Z HANG B i n ， XU J i n y u ， L I L e ， L I N W e i ( 1 D e p a r t m e n t o f A i r f i e l d a n d B u i l d i n g E n g i n e e ri n g ， A i r F o r c e E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y E n g i n e e r i n g C o l l e g e ， X i a n 7 1 0 0 3 8 ， C h i n a ； 2 Co l l e g e o f Me c ha ni c s a n d Ci v i l Ar c h i t e c t ur e， No r t h we s t Po l y t e c h n i c Uni v e r s i t y，Xi a n 71 0 07 2， Ch i na； 3 O f fi c e o f A i r fi e l d a n d B a r r a c k s ， D e p a rt m e n t o f S h e n A i r F o r c e L o g i s t i c s ， S h e n y a n g 1 1 0 1 6 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： F o a m c o n c r e t e c a n r e d u c e v i b r a t i o n a n d a b s o r b i mp a c t e n e r g y Dy n a mi c r e s p o n s e s o f u n d e r g r o u n d c o mp o u n d s t r u c t u r e u n d e r b l a s t i n g l o a d s w e r e n u me ri c a l l y s i m u l a t e d b y a p p l fin g A N S Y S L S D Y N A， a ff e c t i o n o f 4 b r a t i o n r e d u c i n g l a y e r o f t h e f o a m c o n c r e t e o n t h e d y n a mi c r e s p o n s e p r o p e r t y o f s t r uc t u r e we r e a n a l y z e d Th e fin a l r e s u l t s ho ws t h a t t h e d y na mi c r e s p o ns e o f s t r u c t ur e C an b e r ed u c e d b y v i b r a t i o n r e d u c i n g l a y e r o f t h e f o a m c o n c r e t e T h e b e s t t h i c k n e s s o f v i b r a t i o n r e d u c i n g l a y e r o f t h e foa m c o n c r e t e i s a b o u t 2 5 p e r c e n t o f r a d i u s o f s u r r o u n d i n g r o c k Ke y wo r ds ： un de r g r o u n d c o mp o u n d s t r u c t u r e； f o am c o nc r e t e； nu me ric al an a l y s i s 0 前言 在地下工程抗爆结构的选型方面， 为了发挥结 构的弹塑性变形能力 ， 增加结构 的承载能力， 使结构 体系在瞬时爆炸荷载作用下能够吸收更多的冲击能 量 ， 往 往在 两层结 构 中问夹 一层 刚度 很 小 的 弹塑 性 材料 ， 即采用带软回填层 的复合结构体系 。对于 带有软 回填层 的地下复合结构抗动载性 能， 人们进 行了一些理论和实验研究 。方秦等用有限元法研究 了不同厚度 、 不同波阻抗 回填层对复合结构动力特 性的影响 ； 骆文海就几种圆形结构 ， 其 中包 括有 软回填层 的复合结构进行了动力实验研究 j 。 复合结构 的高抗爆性能呈现出 良好的应 用前 景 ， 而泡沫混凝土材料具有很高的阻尼减振和冲 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 0 3 3 0 作者简介 ： 张斌 ( 1 9 8 0一) ， 男 ， 湖北枝江人 ， 博 士研究生 ， 主要从事 机场防护工程研究。 E ma i l ： z h a n g b i n 0 7 0 2 y a h o o C O ll 1 c n 击能量吸收能力 。关于柔性夹层厚度对地下复合结 构动力响应的影响， 文献 2 通过有限元计算 ， 认为 衬砌结构与柔性夹层厚度 的最佳 比值约为 1 3 3 。 B a t e s 通过试验研究 ， 研究 了柔性夹层厚度与衬砌 半径的最佳比值 ， 认为其在 0 3 0 5之间为结构动 力响应特性最优 比值。因此 ， 本文应用泡沫混凝土 作为回填层材料 ， 并将其铺设于结构和岩石层之间， 利用 A N S Y S I _ S D Y N A有限元技术对地下复合 防护 结构在爆炸荷 载作用下 的动力 响应进行 了数值 分 析 。 1 作用机理 董永香 等对 含泡沫混凝土 的多层介质应力 波传播实验研究指出， 对于波阻抗不匹配程度较大 的组合介质， 会造成相邻介质之间在达到平衡前需 要进行多次 的反射和透射。这说 明介质越不 匹配 ， 在多层介质 中的反射和透射次数越多。如花 岗岩、 泡沫混凝土、 钢筋混凝土组合 比花 岗岩、 泡沫铝 、 钢 1 3 6 四川建筑科学研究 第 3 6卷 筋混凝土组合的波阻抗不匹配程度大。所以， 在多 层介质达到与周围介质应力平衡时， 反射和透射次 数多， 需要的时间长。二者相比， 含有泡沫混凝土的 多层介质使应力波波幅下降更大 ， 作用时问更长， 具 有更好的消波性能。要提高 回填材料 的耗 能效果， 一 方面要尽量降低其波阻抗 ， 增大与其他介质 的不 匹配程度； 另一方面又要提高其能量吸收能力。 适当选定 回填层材料的特性和厚度 ， 可减小作 用在结构上的压力 ， 改善其分布的不均匀性 ， 还可减 小传递到结构上的加速度 、 调节岩石洞室的变形和 岩石的相对位移， 并缓和剥落的碎片和松散的岩石 对结构的冲击 。泡沫混凝土在地下复合结构中的吸 能机理 ， 主要体现在以下几个方面 ： ( 1 ) 由于泡沫混凝土 的波阻抗与周围介质 ( 衬 砌与围岩) 相 比要低很多 ， 应 力波传播到这种波阻 抗不匹配程度较大的组合介质时， 应力波需要进行 多次的反射和透射， 从而将一部分能量耗散。 ( 2 ) 应力波通过泡沫混凝土减振层 时， 泡沫混 凝土产生大变形并大量消耗能量 ， 使传递到结构衬 砌上的动应力大大降低 ， 并使应力变得均匀。 ( 3 ) 泡沫混凝土减振层使围岩处于三 向受力状 态 ， 能充分发挥围岩的 自承能力 ， 调节洞壁 的变形 ， 减缓围岩剥离碎块对结构衬砌的冲击。 2 泡沫 混 凝 土 回填 层 在 地下 复 合 结 构 中抗爆性能的数值模拟分析 2 1 模型介绍 为了分析泡沫混凝土减振层对结构抗爆性能的 影响， 分为两种工况 ： 一是无泡沫混凝土减振层结构 ( 图 1 ) ； 二是有泡沫混凝土减振层结构 ( 图 2 ) 。坑 道为直墙圆拱形构造 ， 净跨 4 2 m， 直墙高 2 5 m， 拱 高 2 1 m， 被覆混凝土结构的厚度为 0 5 m， 底板厚 度为 0 3 m， 支护 结构上方 的岩石 保护层 厚度 为 1 0 0 m， I 类围岩。某低阻式爆破弹侵彻 4 1 6 m后 在结构正上方爆 炸。计算采用 四分之一模型 ， 在对 称面上施加对称约束 ， 顶部为 自由面， 其他面上设置 透射边界。同时， 为 了分析泡沫层厚度对结构动力 特性的影响 ， 分别对不 同厚度的泡沫混凝土层进行 了模拟 ， 见表 1 。 表 1 泡沫混凝土厚度及结构尺寸 Ta bl e 1 Th i c kn e s s e s o f f oa l n c on c r e t e a nd s t r u c t ur e s i z e s 图1不加减 振层 的模型 Fi g 1 M o de l wi t ho ut v i br a t i on r e duc i ng l a ye r 图2 加减振层的模型 Fi g 2 M o de l wi t h vi br at i on r e duc i n g l a y e r 2 2 本构方程及计算参数 炸药采用高能炸药材料模型和 J WL状态方程 描述 ( M A T H I G H E X P L O S I V E B U R N和 E O S J wL ) ， 炸药的物理力学参数见表 2 。 表 2 炸药 的材料模型参数 Tabl e 2 The p ar a me t e r s o f d e t o na t i n g ma t e r i a l 撕 p m一 。 ) D 一 ) P A P a B 1 2 E P 0 P a P a a ( k g m一 0 ) m s 一 ) P a “ “ P a 1 6 3 0 6 9 3 0 1 8 5 e+1 n 3 7 1 e+1 1 3 2 3 P+q 4 1 S 0 9 S 0 3 n7 0 e+ 9 岩石 采用 各 向 同性 弹 粘 塑性 模 型 ( M A T P LAS TI C K I N E MA T I C ) 。应 变率效应 由 C o w p e r S y m o n d s 模型考虑。具体参数取值见表 3 。 表 3 岩石模型材料参数 Ta bl e 3 M e c ha n i c a l pa r a me t e r s o f t he r o c k 泡沫混凝 土 的材料模 型采用 可压扁 材料泡 沫模 型( MA T C R U S H A B L E F O A M) 。该泡沫模型与应 变效率相关 ， 并且在单向压扁时泊松 比为零。在该 算法中， 弹性模量为常数且应力为弹性效应： “ ： n +E ： + 1 2 A t ” J + 式中 ， 为应变率 ； E为弹性模量 ； t 为时间。其准 静态下典型的应力一应变曲线如图 3所示 。材料具 体参数见表 4 。 表 4 泡沫混凝土材料参数 Tab l e 4 Foa m c onc r e t e ma t e r i a l pa r a me t e rs 混凝土采用 H J C模型， 该模型 的定义方式为 MAT J O HN S ONHO L MG UI S TC O N C R E T E， 综合 2 0 1 0 N o 6 张斌， 等： 泡沫混凝土回填层在地下复合结构中的抗爆特性分析 1 3 7 图 3 泡沫混凝 土的应力一应变 曲线 F i g 3 S t r e s s - s t r a i n c u l we o f f o a m c o n c r e t e 考虑了大应变、 高应变率、 高压效应 ， 其等效屈服强 表 5 混凝土模型材料参数 Ta bl e 5 M a t e r i a l pa r a me t e r s o f c o nc r e t e 度是压力 、 应变率及损伤的函数 ， 而压力是体积应变 ( 包括永久压垮状态) 的函数 ， 损伤积累是塑性体积 应变、 等效塑性应变及压力的函数 。本分析模型中， 混凝土各参数见表 5 ， 表中数据单位均以( k g m s ) 为基本单位。 2 3结 果分 析 为 了说 明泡沫混凝土减振层的减振作用 ， 通过 L S D Y N A软件计算并汇总 ， 得到坑道有、 无泡沫混 凝土减振层两种情况下， 结构拱顶单元的有效应力 、 压力 ， 拱底和底板中心点加速度 、 位移的计算结果的 对 比表 表 6 有 、 无减振层时计算结果对比 Ta b l e 6 Co m p a r i s o n o f r e s u l t s wi t h v i b r a t i o n r e d u c i n g l a y e r a n d wi t h o u t 拱顶单元有 效应力峰值 P a 共 底 中心 速度峰值 f k ms ) 拱底中心 底板中心 最大位移 加速度峰值 ram f k m s ) 无减振层 3 4 5 7 0 1 5 0 1 0 有减振层0 3 8 5 8 0 5 0 7 从表 6中可以看 出， 坑道增加了泡沫混凝土减 振层后 ， 拱顶处 的有效应力经过泡沫混凝土减振层 后衰减 了很多， 达到了惊 人的 9 8 以上， 拱底 中心 的加速度、 位移分别减少 了 9 2 和 9 9 ， 底板中心 点的加速度减少了9 3 。这说明， 泡沫混凝土减振 层具有 良好的消波 吸能作用。其原 因是 ， 由于泡 沫 混凝土的大塑性变形大量 吸收冲击和振动能量 ， 造 成岩石介质一泡沫混凝土一钢筋混凝土之间的阻抗 失配而产生有利的反射波 ， 使冲击振动能量在泡沫 混凝土中急剧衰减 ， 减少 了衬砌结构的振动效应。 从 图 4 ， 5中可以看出， 随着泡沫混凝土减振层 厚度的增加 ， 结构底板加速度和拱顶单元应力最小 的不是厚度最大的 F 一 3方案 ， 也不是厚度最小的 F 一 1 方案 ， 而是介于二者之间的 F 一 2方案。这说 明， 泡沫 混凝土减振层并不是越厚越好 ， 而是存在一个最佳 厚度 ， 太薄起不到消波减振的作用 ， 太厚效果增加不 明显， 反而对结构造成不利影响 ， 这个最佳厚度为毛 洞半径的 0 2 5倍左右。 3 结 论 数值模拟结果表明： ( 1 ) 泡沫混凝土减振层能有效地降低结构的应 图 4 底板 中心点加速度时程 曲线 Fi g 4 Ac c e l e r a t i o n t i m e h i s t o r i e s o f t h e c e n t e r o f s t r u c t u re s s o l e pl a t e 图 5 拱顶单元应力时程曲线 Fi g 5 S t r e s s t im e h i s t or i e s o f t h e c e n t r a l e l e me n t o f v au l t 力 、 加速度 、 位移 ， 均能达到 9 0 以上， 明显地减小 了结构的动力响应。因此， 泡沫混凝土减振层能够 有效地吸能和减振 ， 对地下军事工程起到很好的防 1 3 8 四川建筑科学研究 第 3 6卷 护作用 。 ( 2 ) 泡沫混凝 土减振层不能太厚， 太厚了消波 减振作用反而有所降低 ， 同时又会对结构造成不利 影响 ， 增 加造 价。因此 ， 最佳 厚 度为 毛洞 半径 的 0 2 5倍左右。 ( 3 ) 虽然泡沫混凝土减振层可大幅度降低结构 的加速度 ， 但是 ， 隔震后底板的加速度仍然可达 7 0 g 左右， 超出了人员和设备的耐震界限， 必须进行进一 步的结构内部隔震 。 参 考 文 献： 1 吴祥云 ， 赵玉祥 ， 任辉 ， 等提高岩体 中地下工程承受动载能 力的技术途径 J 岩石力学与工程学报， 2 0 0 3 ， 2 2 ( 2 ) ： 2 6 1 2 6 5 方秦 ， 钱七虎应力波与带软衬垫的地下结构动力相互作用 J 爆 炸与冲击 ， 1 9 8 8 ， 8 ( 4 ) ： 2 8 9 - 2 9 8 骆文 海地 下 圆形 结构 在冲击 荷载作 用下 的动力 特性分 析 J 防护工程 ， 1 9 9 1 ( 2 )： 6 - 1 0 L i Hu a n q i u， Z h a o Yu x i a n g I n t e r a c t i o n a n a l y s i s o f t h e u n d e r - g r o u n d c o m p u l s i v e c y l i n d r i c al s t r u c t u r e s s u b j e c t e d t o i n t e n s e i m p u l s i v e l o a d i n g C P r o c e e d i n g o f t h e 2 I n t e r n a t i o n al S y m p o s i H i l l o n I n t e n s e Dy n a mi c L o a d i n g a n d I t s Eff e c t s 1 9 9 2： 2 7 5 - 2 7 8 B a t e s R C， Da r S ML i n e r B a c k p a c k i n g S y s t e m T h e o r y B u r e a u o f Mi n e s ， US Go n z a g d Un i v e r s i ty， S p o k a n e， Wa s h， 1 9 7 4： 1 8 5 - 2 0 1 董永香 ， 黄晨光 ， 段祝 平 多层介质对 应力波传播 特性影响分 析 J 高压物理学报 ， 2 0 0 5， 1 9 ( I ) ： 5 9 - 6 4 唐德高 ， 王昆名 ， 贺虎 成 泡沫混凝土 回填层在坑道 中的耗能 作用 J 解放军理工大学学报 ， 2 0 0 6， 7 ( 4 ) ： 1 2 1 6 L i v e n n o r e S o ft wa r e T e c h n o l o g y Co r p o r a t i o n L S DYNA Ke y wo r d U s e r S Ma n u al ( 9 7 0 v ) L i v e r mo r e ， 2 0 0 3 ( 上接第 1 3 I页) 非线性 ； ( 4 ) 本文的计算方法未考虑基坑角部土体 的三维约束效应； ( 5 ) 本文未考虑桩顶冠梁对位移 的影响。但是 ， 利用本文的计算方法得出的桩顶 的 位移偏大 ， 是偏于安全的， 而且能够满足工程上的精 度要求。 4 结 语 在中国西北黄 土地 区非饱和黄土上开挖深基 坑 ， 采用桩锚支护结构时 ， 给出的计算模型可比较准 确地反映基坑 的水平位移， 保证 了周围建筑物 的安 全。这种计算模型有 以下几个主要特点 ： ( 1 ) 可用有限元法计算出桩锚支护结构较为精 确的水平位移 ； ( 2 ) 能够运 用增 量法求得 支护结构 的水平 位 移， 与实际中的由上向下的逐步开挖比较相符； ( 3 ) 最后 ， 用一实例说明这种设计方法， 并在施 工开挖阶段检测了基坑的变形， 结果说明， 这种设计 方法对土质较均匀的黄土地区既经济又安全可靠 ； ( 4 ) 在用 M a t l a b程序分析中， 未考虑周 围土体 的整体作用， 与实际情况不太符合。 对于桩锚支护体系， 不考虑施工过程的计算方 法所得的桩体内力和锚杆反力是不符合实际的， 其 分布也是不合理的。本文采用的方法可以用于模拟 桩锚支护体系的施工过程 ， 从而可以计算整个施工 过程中各不同阶段桩 的内力和位移 ， 整个计算过程 中均考虑土、 桩和锚杆的共同作用。 参 考 文 献 ： 1 朱彦鹏 ， 王秀丽 ， 周勇 支挡结构设 计计算手 册 M 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 8 2 陆培炎 ， 等 横 向荷载 下土、 桩共 同作用 的简化法 J 广东水 电科技 ， 1 9 9 1 ( 1 ) 3 C h e u n g Y K， L u P e i y a n， Y u e t T s u i A S i m p l i fi e d o f P i l e S o i l I n - t e r a c t i o n u n d e r L a t e r a l L o a d i n g C F o u r t h I n f e r n a t i o n al C o n f e r - e n c e o n T a l l B uil d i n g，V o 1 1， 1 9 9 8 4 杨光华 深基坑支护结构的实用计算方法及其应用 M 北 京 ： 地质 出版社 ， 2 0 0 4 5 杨光华 ， 陆培炎 考虑施工过程的多撑或多锚式地下连续墙的 增量计算法 R 广州 ： 广东省水利水 电科学研究所， 1 9 9 0 6 陈忠汉 ， 黄书秩 ， 程丽萍 深 基坑工程 M 北京 ： 机械 工业 出 版社， 2 0 0 2 I、 j _寸_