地下結構在內爆炸作用下的動力響應研究綜述

鐘春玲 楊松強

（吉林建筑大學土木工程學院， 吉林 長春 130118）

0 引言

在我國經濟高速發展的同時，建筑行業也在不斷發展，各式各樣的建筑結構應運而生。而建筑結構一旦發生爆炸，后果不堪設想。地下結構諸如隧道，地鐵車站，地下燃氣管道等由于埋在地下，其爆炸造成的破壞尤為明顯。因此很有必要對建筑結構的抗爆性能進行研究。

1 地下結構抗爆有限元模擬研究現狀

1.1 數值分析軟件

關于地下結構在爆炸沖擊荷載作用下的動力響應，其結構耦合模型，會涉及到炸藥、空氣、土體、混凝土、鋼筋等各種材料，不同材料的本構模型也大致不同。炸藥和空氣多采用Euler、ALE等模擬，結構采用Lagrange模擬，土體則采用D-P模型，混凝土多采用實體Solid單元。

張茜[1]和何偉[2]都運用LS-DYNA動力有限元分析軟件，模擬了地下結構在爆炸荷載作用下的動力響應。其中，剛體采用Laguage算法，炸藥和空氣采用Euler、ALE等算法，混凝土采用Solid單元，剛體與流體之間通過流固耦合處理其相互作用。

王寧，宋紅玉等人[3]運用AUTODYN軟件，模擬了地下結構在近地面爆炸荷載作用下的動態響應全過程。炸藥采用SPH算法，地下結構采用FEM算法，通過耦合的方式進行傳遞。土體采用D-P準則，混凝土采用RHT模型，鋼筋采用John-Cook模型。

田力等人[4]運用ABAQUS有限元軟件，進行了地下框架結構在內爆炸荷載作用下的動力響應模擬分析。

1.2 炸藥當量

在進行結構的爆炸模擬時，往往要考慮炸藥當量的影響，不同的炸藥當量，對結構造成的破壞程度也不一樣。羅晉生，王勇等人[5]研究了地鐵隧道在爆炸荷載作用下的破壞情況，結果表明：在距地面1.5m處，隧道承受100kg當量的炸藥是安全的；當炸藥當量提高到300kg時，隧道底部中央和頂部可能出現局部微裂紋。

曲樹盛等人[6]研究了地鐵車站在內爆炸作用下的動力響應，結果表明：當車站遭受20kgTNT當量的爆炸時，站臺板破壞最嚴重，柱和中板產生局部裂縫，當TNT當量小于5kg時，將不會對結構產生破壞。

張茜[1]模擬了地下爆炸荷載作用下，當TNT當量從104.3kg減少到53.4kg，再減少到22.5kg時，地下結構上單元應力、應變以及速度的峰值均呈衰減趨勢。

馬立秋，張建民等人[7]采用黑火藥，模擬結構在爆炸荷載作用下的動力響應，結果表明，炸藥當量越大，結構物的應變響應也越大。

1.3 結構埋深

張茜[1]模擬在地面爆炸荷載作用下，當結構埋深從1.0m增加到1.24m，再增加到1.48m時，地下結構上單元的應力、應變以及速度的峰值都在不斷減小。

封新華[8]通過建立地下結構的三維模型，對埋深分別為7m和9m地下結構在內爆炸荷載作用下的倒塌過程進行了分析，結果表明，地下結構的埋深越深，其倒塌速度越快。

牟杰，張金鋒等人[9]對城市地下燃氣管道進行了三維有限元模擬，給出了五種埋深模擬工況，分別為 0.6m、0.8m、1.0m、1.2m、1.4m，結果表明，隨著埋深的增加，在空氣中形成的傷害破壞范圍減小。

Liu[10]等人以紐約市區的地鐵為依托，模擬了研究了地鐵隧道襯砌在發生爆炸時的抗爆性能。結果表明，隧道埋深明顯影響了襯砌的最大應力，在埋深較小時，應力明顯增大，在中度爆炸荷載下可能發生嚴重破壞。

1.4 爆源位置

蔣巧英[11]研究了地下結構的內爆炸荷載分布，研究發現，當爆源位置處于梁板正下方時，梁板附近沖量值變化較大。當炸藥沿高度變化時，梁板附近沖量值隨爆源位置距構件距離的增大而增大。當炸藥沿水平移動時，梁板表面的超壓峰值基本不隨爆源位置的變化而變化。

田志敏等人[12]研究了隧道內爆炸的荷載分布，結果表明，當隧道距爆源位置小于1倍隧道直徑時，隧道襯砌破壞的危險性較大。在距隧道距爆源位置約5倍隧道直徑時，同截面各處壓力峰值基本相同。

1.5 配筋率

夏謙[13]研究了隧道內爆炸作用下的襯砌抗爆性能，結果表明，鋼混襯砌比素混凝土襯砌具有更好的抗爆性能，且在一定范圍內，結構配筋率越大，抗爆性能越好。

胡堅尉[14]模擬了爆炸對建筑結構的影響，結果表明，少筋構件破壞明顯且速度較快。適筋構件破壞時，鋼筋在屈服邊緣，混凝土也正好壓碎，符合一般結構的破壞規律。超筋構件混凝土破壞程度最小，但由于鋼筋較多，鋼筋尚未屈服，混凝土就已經被壓碎，是一種不合理的形式。

2 當前研究存在的不足之處

（1）數值模擬軟件作為一種近似的計算方法，用來分析地下結構的抗爆性能，需要進行爆炸試驗來驗證，而由于爆炸試驗所需條件受限，因此數值模擬計算結果往往缺乏說服力。

（2）爆炸是一種在短時間內釋放大量熱量的過程，溫度會驟升，在進行數值模擬時，往往沒有考慮溫度對結構的破壞作用。

3 結論

（1）在進行結構抗爆性能數值模擬時，常常采用 LS-DYNA，AUTODYN，ABAQUS等。

（2）不同的建筑結構，承受的炸藥當量安全限值是不同的，總體來說，炸藥當量越小，對結構造成的破壞程度越小。

（3）在一定范圍內，埋深越深，爆炸對結構造成的破壞程度越小。

（4）當爆源位置遠離結構主體部位時，往往造成的破壞程度小。

（5）適筋構件的抗爆性能要優于少筋構件和超筋構件。