城市浅埋隧道衬砌结构抗爆特性数值模拟研究

摘要

地铁隧道衬砌结构主要以钢筋混凝土构筑。试验和理论研究表明只靠增加衬砌厚度并不是提高抗爆能力的有效途径，采用新型复合衬砌结构可大幅度的提高衬砌结构的抗爆能力。本文中复合衬砌结构系指以钢筋混凝土为主体，中间含泡沫吸能材料层的一种衬砌结构型式。 论文研究所采用的方法是通过选择合理的材料模型和材料参数，应用LS-DYNA非线性动力分析通用有限元程序对位于砂土中的地铁隧道衬砌结构进行数值模拟，并结合应力波理论进行分析。本文研究应力波在复合衬砌结构中传播和衰减规律，单一衬砌结构及复合衬砌结构在侵彻爆炸载荷作用下的动力响应和破坏形式，以及复合衬砌结构中间层材料，泡沫混凝土层厚度和位置对结构抗爆性能的影响。 研究表明，泡沫混凝土层的存在，改变了应力波传播的状态，泡沫材料对爆炸冲击波有很大的反射和衰减作用。泡沫材料有较大的变形和吸能作用，变形过程中的泡沫混凝土本身吸收了一部分能量，复合衬砌结构的总能量有所降低，降低的幅度达到了大约97.3％。 在侵彻爆炸作用下，单一衬砌结构与复合衬砌结构动力响应有很大的不同，单一衬砌结构的破坏形式主要为冲切破坏，主要是材料相应的结果。复合衬砌结构外拱的破坏形式基本上属于冲切破坏，内拱主要表现为拱的压弯破坏，是材料和结构的耦合作用。 计算表明，选用的空气，砂土，泡沫混凝土三种不同材料中间层的复合衬砌结构中，含泡沫混凝土层的复合衬砌结构抗爆性能提高最大，得出最佳中间吸能层材料密度约为钢筋混凝土的31.8％。复合衬砌结构中泡沫混凝土的较优厚度应该为结构拱厚度的22.2％-33.3％。泡沫混凝土层在复合衬砌结构中的最佳位置，外侧钢筋混凝土与内侧钢筋混凝土厚度比大致在1：2左右。

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文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题的背景及意义

1.1.1背景

1.1.2意义

1.2国内外研究现状

1.2.1复合结构抗爆研究

1.2.2应力波传播研究

1.2.3混凝土在冲击载荷下的力学特性

1.2.4多孔材料的抗冲击研究

1.2.5数值模拟研究进展

1.3主要研究内容

2侵彻爆炸作用在衬砌结构上的数值模拟方法

2.1概述

2.2数值模拟软件的选择

2.2.1 ANSYS／LS-DYNA软件的特性与应用

2.2.2数值模拟研究进展

2.3材料模型及基本参数

2.4模型相关条件

2.5本章小结

3衬砌结构中应力波传播及能量分布规律研究

3.1侵彻爆炸作用下复合衬砌结构中应力波传播

3.2临界条件下的等效塑性应变

3.3侵彻爆炸作用下复合衬砌结构中的能量分布

3.4本章小结

4衬砌结构的动力响应与破坏规律

4.1单一衬砌结构与复合衬砌结构破坏模拟的具体问题

4.1.1数值模拟的方法与分析

4.1.2失效的判断与分析

4.2变形动态过程的模拟

4.2.1单一衬砌结构的动态过程

4.2.2复合衬砌结构的动态过程

4.2.3单一衬砌结构与复合衬砌结构的破坏形式对比

4.3含泡沫混凝土吸能层结构的抗爆机理

4.4本章小结

5复合衬砌结构的参数优化

5.1计算方案

5.2吸能层材料对衬砌结构抗爆性的影响

5.3泡沫混凝土厚度对衬砌结构抗爆性的影响

5.4泡沫混凝土位置对衬砌结构抗爆性的影响

5.5本章小结

6结论

6.1主要结论

6.2展望

致 谢

参考文献

附录 攻读硕士期间发表的论文