爆炸波在复合钢板衬砌结构中的传播规律研究_赵越.pdf

：爆炸波在复合钢板衬砌结构中的传播规律研究收稿日期：基金项目：民航机场建设工程有限公司科技项目（）作者简介：赵 越（），女，高级工程师，从事土木工程施工与管理工作赵 越，刘 晓，李庆洲，赵明凯，宋 城，（兰陵县公共住房经营有限公司，山东 兰陵；民航机场智能建造与工业化工程技术研究中心，天津；民航机场建设工程有限公司，天津；山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛）摘 要：基于复合钢板抗拉伸、剪切强度高的特点，提出了一种使用复合钢板衬砌结构的地铁抗爆防护方法。结合南京地铁工程实例，使用有限元软件 建立了空气 炸药 复合钢板衬砌结构 周围土体的爆炸冲击模型，分别研究了在 和 炸药当量下，爆炸冲击波在安装复合钢板的地铁隧道区间内的传播规律。结果表明：爆炸冲击波在传播过程中会出现强烈的反射叠加作用。在安装有复合钢板的情况下，隧道区间内的超压峰值呈现出小幅度增大的趋势；衬砌结构各测点的压力值在经历峰值后逐渐减小并处于稳定状态，符合爆炸冲击波的衰减规律；复合钢板对爆炸冲击波在空气中的压力变化规律影响较小，爆源中心截面位置处受到的破坏作用最大。关键词：爆炸波；复合钢板；地铁隧道；反射叠加；传播规律中图分类号：文献标识码：文章编号：（）随着我国的城市化进程不断加快，交通拥堵问题日益显著，地铁作为一种便捷的交通方式，凭借其节约地面空间、噪声小、污染小的优点在全国范围内得到了大力推广。地铁隧道的发展加快了出行速度，有效地满足了城市交通需求，但也极易成为恐怖分子实行爆炸袭击活动的重点目标，存在一定的安全隐患。其中，复合钢板可以作为一种衬砌防护结构，能够吸收爆炸冲击波带来的能量，并且具有较高的抗剪强度，在地铁区间隧道的抗爆防护方面具有很高的适用性。因此，研究爆炸冲击波在复合钢板衬砌结构中的传播规律，在减少恐怖爆炸活动造成的财产损失和人员伤亡等方面有着重要的研究价值。要对地铁隧道实行合理有效的防护措施，了解爆炸冲击波在隧道中的传播规律是保证地铁隧道安全运行的关键。与地上空间相比，地铁隧道区间是一个相对的“封闭系统”，炸药在地铁隧道区间中爆炸产生的空气冲击波会在封闭空间内部不断地传播和反射，其传播规律相比于传统空气冲击波而言更加复杂。目前，有关爆炸荷载在地铁隧道中的冲击反应研究主要可以分为试验方法和数值方法。张玉磊等使用不同药量的 开展了静爆实验，研究了不同装药量级 产生的爆炸冲击波在空气中的传播规律。爆炸试验非常昂贵，试验的可控性差，并且具有一定的风险性。因此，为弥补试验方法的不足，数值模拟方法得到了快速发展。等分别采用模型试验和数值模拟的方法研究了地下封闭空间内部产生的爆炸冲击波对衬砌结构的影响规律。孔德森等基于实际的工程地质条件，采用流固耦合算法研究了爆炸冲击波对地铁区间隧道的冲击反应。李世强等采用有限元软件 研究了爆炸冲击波在某地铁车站内的传播规律和衰减规律，并得出了冲击波的杀伤范围。曲树盛等采用 方法研究了爆炸冲击波在隧道区间的传播过程，得出了避免人员伤亡的安全距离，并分析了结构高度和出口距爆炸源的距离对冲击波传播的影响。等采用激光扫描方法获取地铁车站及车厢的几何数据，使用 程序的风险分析模块研究了不同装药量的 在地铁隧道区间爆炸后带来的损害。以上研究主要集中在爆炸冲击波在未设防护的地铁区间隧道的传播规律及杀伤范围。然而，目前有关爆炸冲击波在已设有复合材料防护的地铁区间隧道内的传播规律研究还不多见，研究成果也不够全面。鉴于上述研究成果，基于流体动力学和爆炸学中的知识，本文提出了一种使用复合钢板作为衬砌结构的地铁防爆方法，建立了空气 炸药 复合钢板衬砌结构 周围土体的爆炸冲击模型。在地铁隧道区间使用复合钢板作为防护结构的条件下，研究了不同 炸药当量下爆炸冲击波的反射叠加效应和衰减规律，为地铁的抗爆防护设计提供参考依据。数值模型的建立 复合钢板衬砌防护结构复合钢板兼备金属材料和高分子材料的特性，被视为代替金属板的理想环保材料，具有防振和防噪声的优良性能。基于复合钢板的以上优良特性，将其应用于地铁隧道的防护领域。复合钢板衬砌结构是由高强度聚酯纤维和两层钢板组成，其厚度比例为 ，其中高强度聚酯纤维在两层钢板之间，采用焊接法制成。将其作为隧道的抗爆结构，具有良好的延展性和硬度，满足防护第 卷 第 期 年 月 山西建筑 材料所需要的性能指标。复合钢板的结构特征见图。钢板高强度聚酯纤维钢板图 1复合钢板结构示意图由于爆炸冲击波在地铁隧道区间的传播过程中呈现出非线性特征，使用双线性弹塑性本构模型来描述复合钢板衬砌结构，使用 模型来描述复合钢板材料的应变率。因此，防护结构的动态屈服强度可以表达为：（）（）其中，为初始屈服强度；为应变率；为硬化参数；为塑性硬化模量；为等效塑性应变，当 时，材料发生随动硬化，时，材料发生各向同性硬化；，均为应变率参数。复合钢板衬砌防护结构的具体参数值列于表。表 复合钢板衬砌结构的参数值参数 比热 熔点 （）取值 防护结构模型的建立本文以南京市某地铁隧道工程为依托，使用动力学分析软件 建立复合钢板衬砌防护结构的数值模型。其数值模型结构简图如图 所示。炸药空气复合钢板土体衬砌结构图 2复合钢板衬砌结构模型研究对象为圆筒形盾构隧道，埋深为 ，外径为，内径为 ，复合钢板厚度为 ，衬砌厚度为 。由于防护结构模型具有对称性，因此在建模计算过程中使用 模型。同时为减少边界效应，建立尺度为 的立方体结构作为整体的爆炸冲击模型，分别研究在 与 炸药当量下，爆炸源距离防护结构底部 处时产生的冲击效应。炸药燃烧模型与参数由于爆炸是瞬间发生的，因此可以忽略爆炸产生的冲击波在炸药和介质交界处之间的传播时间，只研究爆炸冲击波的外部传播规律。炸药的爆炸参数列于表。表 爆炸参数密度（）爆速（）压力燃烧标识（）体积模量剪切模量 炸药产生的爆炸冲击效应可以使用 状态方程进行描述。爆炸产生的压力可以由单位体积的初始内能和相对体积来表达：（）其中，为压力；为相对体积；为单位体积的初始内能；，均为材料系数。基于 程序提供的“”关键字描述状态方程，将使用的具体参数值列于表。表 状态方程参数 整体结构中土体部分使用 模型来描述。屈服函数 可以表达为：（）（）土体的变形特征使用 屈服准则来描述。因此，土体的内摩擦角 和土的黏聚力 可以表示为：（）（）数值模型的计算结果分析 隧道结构受到爆炸冲击的应力分布由于爆炸产生的冲击波是在半封闭的地铁区间隧道内进行传播，防护结构的动力响应变得更加复杂。因此，只研究模型内部空气的相关力学特性。同时，爆炸产生的冲击波作用时间短、频率高，从零荷载到最大值荷载只需要几毫秒。此外，防护结构在冲击波作用下产生的应力应变行为与冲击波的作用速率呈正相关。因此，为了更有针对性地研究爆炸荷载峰值的破坏作用并节约计算时间，数值模型的爆炸时间取 。炸药作用下与 炸药作用下衬砌防护结构各时间点的应力变化特征如图 所示。由图 可以看出，炸药爆炸产生的冲击波会以球形波阵的形式向外传播，作用下产生的冲击波能量更大，影响范围更广。爆炸点距离隧道底部仅有 ，因此，爆炸冲击波会率先作用于衬砌底部。随着冲击压力增大，爆炸作用下的反射波继续向更远的范围内传播，随着距离的增加，爆炸产生的冲击波压强逐渐降低。同时，冲击波会在地铁区间隧道内部产生多次反射，这种反射叠加作用使隧道的爆源截面上出现多次应力峰值，并减缓了冲击波强度的衰弱作用，冲击传播规律更为复杂。此外，爆炸发生初期，隧道底部的冲击波传播速度较快，第 卷 第 期 年 月 赵 越等：爆炸波在复合钢板衬砌结构中的传播规律研究t=0.5 mst=1 mst=2.5 mst=14.5 mst=28 mst=38.5 mst=6 mst=22.5 mst=22.5 mst=6 mst=0.5 mst=1 mst=2.5 mst=14.5 mst=28 mst=38.5 ms（a）10 kg TNT 作用下冲击波应力云图（b）30 kg TNT 作用下冲击波应力云图图 3不同时刻不同装药量 TNT 爆炸的应力云图顶部冲击波在经历反射叠加作用后，速度也会有一定程度的加快。不同爆炸当量下的压力时程曲线为研究地铁区间隧道在爆炸冲击波作用下的受力特性，实验时分别在爆炸截面上环形布置 个测点，各测点的截面布置如图 所示。1413121110987654321炸药衬砌结构图 4横截面测点由图 可以看出，号 号测点与爆源炸药中心的距离为 ；号 号测点与爆源炸药中心的距离为；号 号测点与爆源炸药中心的距离为 ；号测点与爆源炸药中心的距离为 ；号测点与爆源炸药中心的距离为；号 号测点距离爆源的直线距离为，其位置与 号 号测点相对应。爆炸当量下的压力时程曲线研究装药量为 产生的爆炸冲击波在安装有复合钢板地铁区间隧道的影响特征，并通过压力时程曲线研究冲击波的传播规律。药量作用下 号，号，号，号测点的压力时程曲线如图 所示。0102030405021.510.5点 1时间/ms压力/MPa010203040500.80.60.40.2点 6时间/ms压力/MPa01020304050点 100.60.50.40.30.20.1时间/ms压力/MPa010203040500.40.30.20.1点 14时间/ms压力/MPa图 5爆源处中心截面上各测点的压力时程曲线（一）由图 可以看出，爆炸冲击波在隧道区间的传播过程中会产生反射叠加作用，在 号测点处产生最大压力，数值为 ，随后迅速衰减。号 号测点中，在 号测点处产生最大压力，数值为 ；号 号测点中，在 号测点处产生最大压力，数值为 。由此可知，爆炸发生时衬砌结构外侧受到较大的压力作用。由 号和 号测点的压力时程曲线可以看出：号测点只出现一次应力峰值，号测点处历经多次应力峰值。由于爆炸是瞬时发生的，冲击波的反射叠加时间非常短暂，因此在 号测点处只出现一个应力峰值，并且 号点的应力值要远大于其他同距离的 个测点。因爆炸冲击波在密闭空间内的反射叠加作用，号测点处会出现多次应力峰值，这与实际情况是一致的。下面研究距爆源 处截面上的 号 号测点的压力时程曲线，爆炸当量作用下爆源截面处 号，号，号，号测点的压力时程曲线见图。01020304050点 240.250.20.150.10.05时间/ms压力/MPa010203040500.20.150.10.05点 28时间/ms压力/MPa图 6距爆源 6 m 处截面上测点的压力时程曲线（一）0102030405010.80.60.40.2点 15时间/ms压力/MPa010203040500.60.50.40.30.20.1点 20时间/ms压力/MPa由图 可以看出，在靠近爆源中心的测点只出现一次峰值，并且持续时间较短；在距离爆源中心超过一定距离后的测点则出现多个峰值。这是因为爆炸冲击波在传播过程中会出现多次的反射叠加作用，初始的传播方向开始发散，导致测点处出现多次峰值。经过多次的反射叠加作用，反射冲击波的传播时间随着反射次数的叠加而逐渐增长，同一直线上各测点的峰值也会随着冲击波传播距离的增加而呈现出逐渐减小的趋势。爆炸当量下的压力时程曲线选取测点 号 号研究 炸药当量下爆第 卷 第 期 年 月 山西建筑 炸产生的冲击效应，爆源截面处 号，号，号，号测点的压力时程曲线如图 所示。010203040508642点 1时间/ms压力/MPa21.510.501020304050点 6时间/ms压力/MPa01020304050点 141.210.80.60.40.2时间/ms压力/MPa0102030405021.510.5点 10时间/ms压力/MPa图 7爆源处中心截面上各测点的压力时程曲线（二）由图 可以看出，爆炸冲击波发生反射叠加作用与 爆炸当量作用下的特征相似。爆炸冲击波的最大应力发生在 号测点，数值为，随后迅速衰减；在 号 号测点中，最大应力发生在 号测点，数值为 ；号 号测点中，最大应力发生在 号测点，数值为 。由此可知，衬砌结构外侧受到的爆炸冲击作用更强。由图 中各测点的压力时程曲线可以看出，部分测点出现多次峰值，相邻测点的应力变化特征出现较大区别。通过对比分析 与 炸药作用下不同测点的压力时程曲线可知：与爆源中心距离 的范围内出现最大应力，最大应力峰值与炸药量之间并不是简单的倍数关系。部分测点在爆炸冲击作用下出现多次应力峰值，并且二次反射波峰值要高于初次爆炸时的冲击波峰值。也就是说，这些测点位置处会受到更严重的二次破坏。图 为距离爆源 处截面上测点压力时程曲线。01020304050点 280.30.250.20.150.10.05时间/ms压力/MPa图 8距爆源 6 m 处截面上测点的压力时程曲线（二）010203040501.41.21.00.80.60.40.2点 15时间/ms压力/MPa1.210.80.60.40.201020304050点 20时间/ms压力/MPa010203040500.50.40.30.20.1点 24时间/ms压力/MPa由图 可以看出，产生的冲击波在 距离范围内出现多次反射叠加，压力峰值持续出现，之后趋于稳定状态；当距离超过 后，压力值出现多个峰值，并且持续时间较长；同一距离的 与 各测点峰值增幅之间接近倍数关系。由两种不同爆炸当量下的压力时程曲线可以看出：在距离爆源中心 的范围内，最大应力峰值出现在爆源中心线的底部位置，并且明显高于同距离测点的应力值；在距离爆源中心 的范围内，与 爆炸当量下的压力时程曲线具有相似的变化特征，应力值随着时间的变化逐渐趋于平稳并且呈现出逐渐减弱的趋势；在距离爆源中心超过 的范围后，在第一峰值处并不一定会出现最大超压，不同测点处的应力特征也变得更为复杂。爆炸产生的超压冲击超压准则是指当爆炸冲击波产生的超压达到或超过一定值后便会对结构造成一定的伤害甚至破坏。目前主要通过爆炸 冲量准则、冲量准则和超压准则等方法来衡量发生的破坏作用。由于超压准则较为直观，因此，隧道结构在受到爆炸冲击时产生的动力响应可以用超压准则来分析。选用亨里奇公式计算超压峰值，将理论值与数值模拟结果进行对比分析，与 炸药作用下的超压冲击结果分别列于表，表。表 爆炸作用下超压峰值?数值模拟 表 爆炸作用下超压峰值?数值模拟 由表，表 给出的压力差值可以看出：数值模拟结果与理论计算结果并不是完全吻合的。在 炸药当量下产生的压力峰值的模拟值在距离爆源中心较近的范围内要小于理论值。随着距离的增加，模拟值与理论值的差值逐渐减小，并且当距离增大到一定程度后模拟值逐渐大于理论值；在 炸药当量下产生的压力峰值在距离爆源中心较近的范围内要大于理论值。两种计算方式得出的压力差值随着距离的增大而逐渐减小。在 和 炸药当量下，应力峰值在距离爆源中心 之外的范围内逐渐趋于稳定状态并且呈现出明显的减弱趋势，这符合爆炸波在隧道区间内传播的基本特征。第 卷 第 期 年 月 赵 越等：爆炸波在复合钢板衬砌结构中的传播规律研究 结论）爆炸冲击波在地铁区间隧道的传播过程中会出现复杂的反射叠加作用，由于爆炸冲击波的作用，衬砌结构底部出现最大压力，衬砌结构外侧相对于衬砌内部受到较大的压力作用。部分测点受到冲击波的反射叠加作用而出现多次应力峰值。）爆源中心截面处的复合钢板衬砌结构受到最大的破坏作用。炸药当量下爆炸冲击波的影响范围更大，使衬砌结构发生显著的塑性形变，应力峰值随着距离增加而呈现出逐渐减小的趋势。）相同测点的应力峰值随着传播距离的减小得到一定程度的增大；和 炸药当量下产生的应力峰值分别从 和 增加至 和；不同测点的应力值随着时间的推进开始减小并逐渐趋于平稳，这符合爆炸冲击波传播的基本规律。参考文献：任永华 隧道穿越既有建筑物爆破施工影响及方案优化 铁道建筑，（）：孟庆辉 恐怖爆炸荷载作用下地铁隧道的冲击反应与防护研究 青岛：山东科技大学，孙崔源，郭云龙，孟海利，等 复杂环境下铁路复线路堑爆破开挖安全控制技术 铁道建筑，（）：曲树盛 地铁车站内爆炸波的传播规律与超压荷载模型 天津：天津大学，刘晶波，闫秋实 地铁地下结构内爆炸防护问题研究 振动与冲击，（）：杨科之，杨秀敏 坑道内化爆冲击波的传播规律 爆炸与冲击，（）：张玉磊，王胜强，袁建飞，等 不同量级 爆炸冲击波参数相似律实验研究 弹箭与制导学报，（）：，（）：孔德森，孟庆辉，张伟伟，等 爆炸荷载作用下地铁隧道的冲击反应研究 振动与冲击，（）：李世强，李鑫，吴桂英 地铁车站内爆炸冲击波传播规律数值模拟 振动与冲击，（）：曲树盛，李忠献 地铁车站内爆炸波的传播规律与超压荷载 工程力学，（）：，（）：杜修力，廖维张，田志敏，等 爆炸作用下建（构）筑物动力响应与防护措施研究进展 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