地下拱结构抗爆研究进展与展望

防护工程在战时能有效抵御打击并保存有生力量,历来是国家防御和威慑力量的重要组成部分。与地上防护工程相比,构筑在岩土介质中的地下防护工程具有更强的防护能力。然而,随着科学技术的发展,高技术武器和精确制导武器的命中精度、侵彻深度和毁伤能力不断增强,对地下防护工程构成严重威胁。拱结构具有优异的力学性能,在地下防护工程中应用十分广泛,研究地下拱结构的抗爆性能对地下防护工程建设与发展具有重要意义。地下拱结构的抗爆问题涉及岩土介质中的爆炸冲击效应、岩土介质与拱结构的相互作用以及拱结构的动力响应与破坏机理等复杂的研究内容。国内外学者通过试验、数值仿真和理论分析等方法对爆炸荷载作用下地下拱结构的动力响应开展了较为系统的研究,取得了丰富的科研成果。从地下拱结构抗爆试验、数值模拟研究以及抗爆动力学理论三个方面讨论了地下拱结构抗爆研究进展,结合研究现状,指出未来应结合地下防护工程向深埋地、大跨度发展的趋势,加强地下拱结构原型和大比例模型结构抗爆试验、精细化数值模拟分析以及兼顾精度与实用的计算方法研究。

浅埋大跨地下拱结构拱轴力学及数值优化研究

通过力学分析与有限元计算探讨浅埋大跨地下混凝土拱结构合理拱轴形式及拱轴优化问题。首先,基于曲梁平衡微分方程推导出浅埋大跨地下拱结构的合理拱轴微分方程。然后,分别采用SAP2000及ABAQUS有限元软件对相同参数下的不同拱轴混凝土拱结构进行内力比较分析,验证推导所得合理拱轴线的合理性。接着,以最大限度减小拱圈截面弯矩为优化目标,采用迭代法对拱轴进行优化,并以圆弧形拱轴为例进行计算分析。最后,将优化后的圆弧拱轴与本文所得合理拱轴的拟合曲线进行内力比较,得到合理拱轴线的近似最优解。本文的研究可为混凝土拱结构设计提供参考。

爆炸荷载下弹性支撑地下拱结构的动力响应

弹性支撑是常用的隔振减振手段,研究爆炸荷载下弹性支撑地下拱结构的动力响应对提高地下防护工程内部人员及设备的战场生存能力具有重要意义。应用ANSYS/LS-DYNA非线性显式动力有限元分析程序,模拟了爆炸荷载下弹性支撑地下拱结构的模态和动力响应,得到了低阶自振圆频率变化曲线和拱顶、拱肩、拱脚动力响应时程曲线。结果表明:弹性支撑减小结构固有频率,延长结构自振周期,具有良好隔振减振作用;临界刚度系数导致结构的一、二阶模态易同时激发,结构设计时应予以避免;与刚性支撑地下拱结构相比,弹性支撑地下拱压力、应力峰值减小,出现时间延长,竖向位移峰值增大,抗爆承载力提高;弹性支撑的刚度系数并非越小越好,应根据结构抗爆承载力和极限位移设计要求合理设置。

土中浅埋地下拱结构化爆动载的确定方法

为了研究化爆作用下地下拱结构表面荷载分布的规律,简述了目前化爆条件下结构上荷载均布化的3种方法,提出了适用于地下拱结构抗爆设计的荷载分布假设,即拱结构横截面上荷载呈三角形分布,且纵向荷载均布。通过有限元数值模拟,比较分析了4种工况动载峰值荷载作用下拱结构在弹性阶段、塑性阶段的受力状况和结构响应,并与动荷载作用下的结构响应进行对比分析。结果表明,相较于化爆条件下拱结构所受圆锥状荷载,把化爆条件下拱结构所受荷载假设为横截面上三角形分布、沿纵向均匀分布时,拱结构响应相似;按荷载总集度相等原则提出的荷载简化方法仍偏于保守,可以作为一种用于工程设计的简化计算方法。

侧向点爆炸作用下地下拱结构的动力响应

首先,利用几何关系与介质中超压、位移衰减公式得出结构表面自由场荷载和位移的分布形式,并对衰减因数、爆距等参数进行讨论;其次,利用MSSI(modified soil-structure interaction)相互作用模型对拱的振动方程进行正交求解,得到任意角度荷载作用下的结构弹性动力响应解析解。基于动力响应解析解,得到了土体的声阻抗对结构位移、速度、加速度时程响应曲线的影响。研究结果表明:侧向爆炸荷载作用下,岩土介质声阻抗越大,埋设其中的地下结构的位移、速度和加速度变化越大。为此,建议地下防护结构应修建在声阻抗小的岩土介质中。

爆炸荷载作用下地下拱结构动力分析

为了准确分析爆炸作用下地下拱结构的动力响应,利用阻尼系数来表达土介质与结构的动力相互作用,建立结构运动方程。由于结构动态响应方程的复杂性,在计算中对结构进行了简化,忽略了结构剪切力、转动惯性矩以及切向力的影响,并且假设拱结构在切线方向是不可延展的。利用振型分解法获得了两端固支拱结构在爆炸荷载作用下的动态响应的解析解。对圆心角为120°的拱结构单元进行了计算,得出了位移、速度和加速度时程响应曲线,探讨了参数响应的最大值与比例爆距之间的关系,得到了最大值与比例爆距之间的关系曲线。利用解析计算得到了结构弯矩的包络图。

非均布荷载作用下震后地下拱结构抗动载能力评估

为评估非均布荷载作用下震后地下防护结构的抗动载能力,针对震前震后三种结构型式,给出了动荷载动力系数的确定方法,推导出了非均布荷载作用下地下拱形结构的弯矩和拱脚推力的计算公式。针对工程实例,计算了不同损伤型式的拱结构承受非均布动载时的结构内力,从而给出了非均布荷载作用下震后结构的抗动载能力评估方法。研究表明:抗弯设计条件下震后拱结构抗非均布动载能力将降低约13%,而在抗剪设计条件下由于裂缝的穿透震后拱结构抗非均布动载能力将降低50%以上。

可液化场地上三拱立柱式地铁地下车站结构地震反应特性振动台试验研究

开展了近、远场地震动作用下可液化场地上三拱立柱式地铁地下车站结构大型振动台模型试验。分析了模型地基的加速度、孔压、地表震陷及模型结构的加速度、应变。结果表明：模型地基的孔压累积经历了缓发展、急增长两个阶段;模型地基的加速度Arias强度释放时刻与孔压急增长阶段的起点时刻相对应,加速度Arias强度峰值较大的工况,模型地基孔压比峰值也较大;模型地基孔压场分布呈现出小震时模型结构底部液化程度较低、大震时场地底部液化程度较低的现象。强地震动作用下,模型结构发生了显著的上浮;模型地基、模型结构均表现出对低频相对发育的地震动反应更为强烈的现象。强震作用下,浅层可液化土在循环流动过程中发生了由于剪切刚度瞬态突增而导致峰值加速度瞬时急增的现象。模型结构中柱为此类型车站的最不利构件,附拱在与竖向成±（30°-60°）区域内应变反应较大,中庭上拱在45°位置处应变反应较大;随着模型结构拉应变幅值的增加,模型结构自振频率不断衰减。主观测面测点和次观测面测点的拉应变幅值均存在不同程度的差异,模型结构的应变反应存在空间效应。