地下抗爆复合结构动力分析基本方法及动力特性研究

摘要

在地下工程抗爆结构的选型方面,为了增加结构的弹塑性变形能力,增强结构的承载能力,使结构体系在瞬时荷载下,能够吸收更多的冲击能量,往往在两层结构中间夹一层刚度很小的弹塑性材料,如砂、泡沫塑料、泡沫混凝土等,即采用带软回填层的地下复合结构体系.对该复合结构体系进行了理论和实验研究,取得的工作进展如下:(1) 采用变分原理,给出了平面应变条件下弹性介质中平面曲杆系统可供直接应用求解的广义泛函,克服了数学力学中求解边值问题的困难,并对平面冲击波作用下,半无限弹性均匀介质中圆柱形结构动力响应给出了具体的计算方法和步骤.方法的本身不失理论的普遍性,而又有很强的针对性,可广泛地应用于解析求解和数值求解.(2) 根据地下复合结构的受力性能和爆炸引起的压力波在岩体中的传播规律等,通过引入5条基本假设,将承受爆炸冲击波荷载作用下的地下多层复合圆形结构动力分析简化成由一定厚度的围岩结构、回填层弹塑性体及衬砌结构组成的复合结构体系,并根据哈密顿(Hamilton)变分原理,建立了体系的广义能量泛函.通过在软回填材料中引入Druck-Prager屈服准则来描述回填材料的弹塑性性质,从而给出了求解复合体系的非线性振动微分方程组,采用Wilson-( 法和修正牛顿法对方程组进行迭代求解.将上述计算方法编制成了相应的动力计算程序(PCCC).(3) 解决了在( 2.5 m爆炸模拟器试验设备上进行有软回填层的地下复合圆形结构动力试验中,岩石介质模拟、侧壁减摩、传感器埋设以及结构模型制作等技术难题,为相关试验提供了试验技术和方法;通过5次加载试验,在国内首次在模爆器中得到了爆炸荷载作用下有软回填层的地下复合圆形结构系统结构和介质动力响应实测波形,获得了真实、可靠的试验数据.(4) 研究了有软回填层的地下复合圆形结构在爆炸荷载作用下的动力力学性能和软回填层对地下抗爆结构的影响,为提高爆炸荷载作用下地下复合结构抗力和抗振性能提供了定量的和有规律性的研究结果.(5) 理论计算结果和试验实测结果均表明,在抗爆炸荷载作用的地下工程中,采用硬-软-硬的圆形结构体系,可以使作用在衬砌结构表面的压力降低85%,减小结构振动加速度达76%左右,其减压、减振及改善结构的受力形态效果取决于软回填材料的变形状态.(6) 采用复合圆形结构动力计算方法对试验模型计算分析表明,软回填层设置太薄,起不到削波减振作用,如果太厚,反而对结构造成不利影响,因此,存在一个最佳回填层厚度,最佳回填层厚度为0.25倍毛洞的半径.围岩与回填材料的声阻抗比复合结构动力响应影响明显,建议选用低弹模、低密度的弹塑性泡沫混凝土.