地鐵車站內(nèi)爆炸激波傳播的數(shù)值分析

胡衛(wèi)勝

【摘 要】為研究地鐵車站內(nèi)發(fā)生化學(xué)爆炸時(shí)爆炸激波傳播規(guī)律，針對典型地鐵車站內(nèi)結(jié)構(gòu)尺寸，利用動力學(xué)軟件ANASYS/Ls-Dyna14.0進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，模擬了固定裝藥量下TNT爆炸時(shí)車站內(nèi)部爆炸激波傳播過程，得到了典型地鐵車站內(nèi)爆炸激波超壓衰減規(guī)律：沖擊波初期傳播態(tài)勢紊亂，在傳播距離20m以后，呈現(xiàn)平面波特點(diǎn)；爆炸激波在距離爆心5m以內(nèi)衰減迅速，距離爆心20m以外激波超壓峰值衰減緩慢。

【關(guān)鍵詞】爆炸激波；超壓規(guī)律；地鐵爆炸；數(shù)值模擬

1 建立車站模型

參考天津城市地鐵車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)[1-3]，本文地鐵車站模型參數(shù)設(shè)置如下：長度為80m，車站寬度為18m，車站的站臺高度為4.8m，站臺底板距離軌道地面垂直高度為1.2m，柱狀結(jié)構(gòu)截面為正方形，邊長為0.8m，每個(gè)柱子之間橫向間距為3.6m，縱向間距為7.2m，在地鐵車站縱向截面的二分之一模型中排列有五個(gè)柱子，具體車站的截面尺寸如圖1所示。爆炸選取4kgTNT半球形裝藥在地鐵車站中心地面爆炸。

根據(jù)地鐵車站模型的參數(shù)，在有限元軟件ANSYS中構(gòu)建模型，如圖1所示。車站結(jié)構(gòu)為空氣理想氣體（ideal gas），在X、Y、Z軸方向按照20cm進(jìn)行網(wǎng)格劃分，四分之一模型空氣總網(wǎng)格數(shù)為240000個(gè)。TNT質(zhì)量為4kg，密度為1.63g/cm3，半球形裝藥觸地爆炸，計(jì)算得出建模TNT球形半徑為10.5cm。由于TNT尺寸與車站模型尺寸相差懸殊，采用REMAP技術(shù)，將4kgTNT在2m范圍內(nèi)的一維計(jì)算結(jié)果重新映射到車站三維結(jié)構(gòu)模型當(dāng)中。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

車站中心炸藥地面半球形裝藥爆炸的壓力云圖如圖3所示。TNT質(zhì)量為4kg。

從外部結(jié)構(gòu)整體觀察爆炸波在車站傳播的過程，由圖3容易看出：

在爆炸初始時(shí)刻，沖擊波向四周傳播的形式為球面波，如圖3（1）所示，此時(shí)沖擊波僅受到剛性車站底板的反射，沖擊波波陣面后方形成負(fù)壓區(qū)；在t=6ms時(shí)刻，沖擊波到達(dá)車站頂板后發(fā)生正反射和斜反射，反射沖擊波能量比入射沖擊波能量增強(qiáng)數(shù)倍，沖擊波另外一部分能量仍沿著車站橫向和縱向進(jìn)行傳播；在t=9ms時(shí)刻，沖擊波峰值到達(dá)第一個(gè)柱子，隨后被柱子擋住部分能量，柱子對沖擊波的能量傳播有一定的削弱作用，隨后沖擊波接著以曲面進(jìn)行傳播，從整體來看柱子對沖擊波的消弱作用不太明顯；沖擊波在到達(dá)結(jié)構(gòu)側(cè)壁然后經(jīng)過反射以及鐵軌處的繞射和反射之后，沖擊波的傳播呈現(xiàn)出一種紊亂的態(tài)勢，但整體傳播方向沿著車站結(jié)構(gòu)的長度方向（即縱向傳播）；在t=32ms時(shí)，沖擊波在頂板附近再次出現(xiàn)峰值，原因主要為來自于各部分沖擊波能量的疊加，其中主要有由爆炸產(chǎn)生的球面波、沖擊波經(jīng)由頂板產(chǎn)生的反射波以及來自于結(jié)構(gòu)側(cè)壁反射的沖擊波；從沖擊波傳播傳播到78ms以及100ms時(shí)刻壓力云圖可看出，此時(shí)波陣面開始以一種較為穩(wěn)定的平面波沿著結(jié)構(gòu)的縱向開始傳播，途徑區(qū)域出現(xiàn)大面積的負(fù)壓區(qū)域。整體來看沖擊波在受限地鐵車站結(jié)構(gòu)內(nèi)隨著距離的增大衰減的很明顯，但初期傳播態(tài)勢比較紊亂。

沿地鐵車站縱向（長度方向）激波壓力數(shù)據(jù)如表1、表2所示，并繪制壓力衰減曲線如圖3、圖4所示。

由圖3可知，在地鐵車站中心爆炸近區(qū)5m范圍內(nèi)，激波超壓峰值衰減十分迅速，從爆心距1m到2m處，超壓峰值由950.90KPa衰減到450.04KPa，衰減率約為53%，從爆心距4m到5m處，激波超壓峰值由118.19KPa衰減到84.80KPa，衰減率約為29%。隨著爆心距的增加，激波超壓衰減率減小；從圖5可得出，爆炸激波超壓衰減率隨爆心距離增加而減小，超壓峰值曲線在爆心距達(dá)到20m以后，曲線趨于平緩，此時(shí)爆心距的大小基本不對激波超壓峰值構(gòu)成影響。

根據(jù)表3，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果中地鐵車站長度方向（Y軸）上的激波壓力數(shù)據(jù)，可以得到爆炸對人員的破壞程度及相應(yīng)的破壞半徑：在大約距爆心5m范圍以內(nèi)，激波超壓峰值ΔP>100KPa，該區(qū)域?yàn)槿藛T損壞極度嚴(yán)重區(qū)；爆心距離在5～8m范圍內(nèi)，激波超壓50KPa≤ΔP≤100KPa，該區(qū)域?yàn)槿藛T損壞嚴(yán)重區(qū)域，具體表現(xiàn)為器官損傷與耳膜破裂；爆心距離約為8～10m，激波超壓30KPa≤ΔP≤50KPa，該區(qū)域人員損壞中等區(qū)域，表現(xiàn)為輕微器官損傷，感覺較為疼痛；在爆心距離10m以外區(qū)域，為人員輕微損壞區(qū)域，感覺會有不適。

沿著地鐵車站橫軸方向（X軸方向），從距離爆心0.5m處設(shè)置選取點(diǎn)，每間隔0.5m設(shè)置一點(diǎn)，共設(shè)置18個(gè)選取點(diǎn)。所有選取點(diǎn)高度（Z軸方向）均為1.2m，縱向距離（Y軸）均為0m。通過數(shù)值模擬分析，在X=2m、4m、6m、8m處（Y=0，Z=1.2m），激波壓力衰減曲線如圖5所示。

由圖5可知，激波在沿X軸線的傳播規(guī)律與在沿車站Y軸方向的傳播規(guī)律基本一致，在距離爆心近的區(qū)域，激波壓力衰減的很快，距爆心3m以外，激波壓力衰減幅度變緩。

3 結(jié)論

（1）地鐵車站內(nèi)發(fā)生爆炸，爆炸激波初始傳播形式為球面波，隨后與地面、頂板及柱體的接觸作用從而發(fā)生反射與繞流，壓力流場變得比較紊亂，但隨著傳播距離的增加，在車站長度方向20m以后，激波傳播呈現(xiàn)為平面波的特點(diǎn)。

（2）地鐵車站內(nèi)爆炸激波在爆炸近區(qū)5m內(nèi)衰減十分迅速，距爆心5m以外，爆炸激波超壓峰值衰減率會隨著爆心距增加而減小，超壓峰值曲線在爆心距達(dá)到20m以后，曲線趨于平緩，此時(shí)爆心距離對激波超壓峰值的影響較弱。

（3）在地鐵長度方向，根據(jù)激波超壓衰減曲線，劃分出爆炸激波對人員損傷區(qū)域范圍：爆心距離為5m以內(nèi)的區(qū)域，為人員死亡區(qū)；爆心距離為5～8m的區(qū)域，為人員損傷嚴(yán)重區(qū)；爆心距離約為8～10m的區(qū)域，為人員損傷中等區(qū)；在爆心距離10m以外區(qū)域，為人員輕微損傷區(qū)。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：王楠]