人防地下室抗爆性能數值模擬

任慶偉 謝 齊 白偉亮

(1.天津經濟技術開發區國有資產經營公司，天津 300457； 2.中電投工程研究檢測評定中心，北京 100142)

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人防地下室抗爆性能數值模擬

任慶偉1謝 齊2*白偉亮2

(1.天津經濟技術開發區國有資產經營公司，天津 300457； 2.中電投工程研究檢測評定中心，北京 100142)

采用ANSYS/LS-DYNA軟件，建立了地下室主體結構、炸藥、空氣和土壤的三維有限元模型，并采用流固耦合算法，得出了爆炸沖擊波和等效應力在地下室主體結構和周邊介質中的分布規律，指出地下室頂板在抗爆加固設計中需要著重考慮。

人防地下室，混凝土，抗爆性能，有限元模擬

0 引言

人防地下室能夠在戰時抵御常規武器和核武器的襲擊，相比于普通地下室，在滿足平時使用功能外，還需考慮戰時的人防荷載[1]。根據GB 50038—2005人民防空地下室設計規范[2]，人防荷載主要指武器爆炸產生的沖擊荷載，規范中按照等效靜載的方法計算其對結構的影響。近年來，隨著計算機數值仿真技術的發展，ANSYS/LS-DYNA，AUTODYN，ABAQUS等商業有限元軟件均為爆炸沖擊荷載作用下的動力響應求解提供了解決方案，能更加細致的分析結構受沖擊荷載作用的復雜動力過程。張志剛[3]，張舵[4]，陸新征[5]，師燕超[6],史祥生[7]，閆秋實[8]等采用ANSYS/LS-DYNA分析了爆炸荷載作用下結構的動力響應。Zhou等[9]采用AUTODYN分析了纖維加固混凝土板在沖擊荷載下的動力響應，仿真結果與實測數據較為接近。

以上學者的研究工作表明，在考慮爆炸問題非線性因素的情況下，采用有限元等數值模擬方法來求解人防地下室構件的非線性受力行為是可行的，而且具有工程實際意義。然而以上研究多針對人防地下室單個構件，對地下室整體抗爆性能的研究不夠全面。因此，本文應用ANSYS/LS-DYNA，建立了人防地下室混凝土結構與周邊土壤、空氣及炸藥的有限元計算模型，得出了地下室結構在爆炸荷載下的等效應力值分布規律。

1 人防地下室結構有限元模型建立

1.1 結構尺寸參數

本文建立的人防地下室結構的平面尺寸如圖1所示。地下室為素混凝土結構，層高5 m，縱橫向寬度均為5 m，頂板、底板以及邊墻的厚度均為300 mm；土體域為距離地下室結構0.3 m范圍內的土體，地下室上方的覆土層厚度為0.2 m；空氣域位于土壤上方及地下室內部。炸藥為26 kg的TNT炸藥，位于空氣與土壤的分界面上，其投影位于地下室頂板的中心處。

1.2 有限元模型及邊界條件

本文應用ANSYS/LS-DYNA軟件進行數值模擬，采用Solid164單元建立地下室主體結構、土壤、空氣和炸藥的有限元模型。炸藥、土壤和空氣三種材料為Euler網格屬性[10-14]，采用多物質ALE算法；地下室主體結構為混凝土材料，設置Lagrange網格屬性。計算過程采用流固耦合算法，單位制是cm-g-μs。

炸藥單元的尺寸為10 cm，土壤和空氣單元的尺寸為14 cm，混凝土單元的尺寸為10 cm。考慮結構的對稱性，取1/2結構模型進行數值分析,有限元模型如圖2所示。耦合模型的下表面為固定邊界條件，側面和對稱面法向位移為0，空氣上表面為自由邊界條件。

1.3 材料參數

1)空氣材料參數[15-17]。

如表1所示為空氣材料參數，如表2所示為描述空氣狀態方程的系數。

表1 空氣材料參數

表2 線性多項式狀態方程參數

2)炸藥材料參數[15-17]。

炸藥采用高能炸藥模型和JWL狀態方程來描述，參數選取如表3和表4所示。

表3 高能炸藥材料模型

表4 JWL狀態方程

3)土體材料參數[15,18]。

土體材料參數選取如表5所示，該模型還定義了土壓力與土體應變的關系曲線。

表5 土體材料模型

4)混凝土材料模型[15,19-23]。

人防地下室主體結構混凝土材料的強度等級為C30，選用H-J-C本構關系[15,20]，參數見表6，并定義混凝土的失效準則為主拉應力失效。

表6 混凝土的H-J-C本構模型參數值

2 結果及分析

本文對人防地下室結構的爆炸荷載效應進行了數值模擬，如不做特殊說明，均假設空氣、炸藥、土壤和混凝土為連續介質，整個爆炸過程為絕熱過程，采用第一節中的結構及材料參數建立有限元模型，動力響應的計算時間為3 000 μs，時間步長為3 μs。

2.1 爆炸沖擊波傳播的數值模擬及分析

本節對爆炸沖擊波在空氣、土壤、混凝土(地下室主體)三種介質中的傳播過程進行了數值模擬，由圖3，圖4可以看出：炸藥瞬時爆炸后沒有接觸到障礙物，爆炸沖擊波以一個近似于半球形的波陣面向四周擴散，爆炸點的壓力隨著沖擊波的擴散而降低。由于有限元模型中空氣層厚度有限，爆炸沖擊波受到結構的限制，主要沿著與混凝土板平行的方向傳播，波陣面向兩側運動，并引起相應區域土壤被壓縮，人防地下室頂板混凝土碎裂嚴重。

2.2 地下室結構在爆炸荷載下的等效應力分布及變形規律

本節計算了人防地下室結構在爆炸荷載下的等效應力，結果如圖5，圖6所示。

由圖5，圖6可以看出，由于爆心的豎直投影落在頂板的中心點，因而頂板的中心點及其周邊區域在爆炸初始階段處于高應力狀態，隨著時間的增加，高應力狀態區域的范圍不斷擴大，頂板自中心點開始向外碎裂，在1 739 μs時刻，頂板的大部分區域和兩側邊墻的上端均出現碎裂現象。

取圖1中地下室主體結構頂板中心線A，B，C，D點分析，各點對應的等效應力(0 μs～750 μs)如圖7所示。

由圖7可以看出：頂板的等效應力均隨著時間增加而到達峰值，然后衰減。距離爆心投影點越近的點，達到應力峰值的時間越短，且對應的應力峰值越大，A點對應的等效應力峰值為29.47 MPa，以上數據反映了爆炸荷載作用下，地下室結構頂板的應力具有明顯的波動效應。

3 結語

本文對人防地下室在地面爆炸沖擊荷載作用下的動力響應進行了數值模擬研究，結果表明地下室主體結構的頂板是地面爆炸作用下的薄弱位置，其應力具有明顯的波動性，頂板混凝土自中心向四周損毀嚴重,地下室頂板是加固設計中需要著重考慮的構件。從模擬的結果考慮，本文的方法是較為科學的模擬爆炸作用的理論，可為相關工況提供理論依據。

[1] 宋穗徽.人防地下室結構設計方法與工程應用[D].合肥:合肥工業大學,2008：5-26.

[2] GB 50038—2005，人民防空地下室設計規范[S].

[3] 張志剛，李姝雅，瘳紅建.爆炸荷載下碳纖維布加固混凝土板的抗彎性能研究[J].應用力學學報,2008，25(1)：150-153.

[4] 張 舵,盧芳云,王瑞峰.鋼筋混凝土板在爆炸作用下的破壞研究[J].彈道學報,2008,20(2):13-16.

[5] 陸新征,江見鯨.抗爆門在爆炸荷載作用下有限元動力數值模擬[J].防護工程,2003,25(1):14-17.

[6] 師燕超.爆炸荷載作用下鋼筋混凝土結構的動態響應行為與損傷破壞機理[D].天津:天津大學,2009：4-23.

[7] 史祥生.爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板的損傷破壞分析[D].天津:天津大學,2008：7-18.

[8] 閆秋實.典型地鐵結構內爆炸流場分布及動力反應研究[D].北京:清華大學,2011：5-16.

[9] Zhou X Q,Kuznetsov V A,Hao H,etc.Numerical prediction of concrete slab response to blast loading[J].International Journal of Impact Engineering,2008,35(10):1186-1200.

[10] 時黨勇.基于ANSYS/LS-DYNA 8.1進行顯示動力分析[M].北京：清華大學出版社，2005：23-45.

[11] 石少卿.ANSYS_LS-DYNA在爆炸與沖擊領域內的工程應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2011：66-78.

[12] 王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學出版社,2009：523-544.

[13] 張 雄,王天舒.計算動力學[M].北京:清華大學出版社,2007：236-322.

[14] Ted Belytschko,WingKam Liu,Brian Moran.連續體與結構的非線性有限元[M].莊 茁,譯.北京:清華大學出版社,2002.

[15] 李 朝.基于ANSYS/LS-DYNA 軟件的配筋砌塊墻體爆炸數值模擬[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2007：24-28.

[16] 郭 東.爆炸荷載作用下防護門的動態響應行為與反彈機理研究[D].北京：清華大學,2011：13-15.

[17] 高明德.爆炸荷載作用下地鐵車站內人員損傷分析[D].沈陽：沈陽建筑大學,2012：34-39.

[18] 趙躍堂，于小存.分配層厚度對成層式結構動力響應的影響[J].巖石力學與工程學報,2007，26(1)：3540-3545.

[19] 鄧昭金.鋼筋混凝土防爆墻的抗爆性能數值分析[D].長沙：湖南大學,2012：22-23.

[20] 巫緒濤，孫善飛，李和平.用HJC本構模型模擬混凝土SHPB實驗[J].爆炸與沖擊,2009，29(2)：137-142.

[21] Hallquist.LS-DYNA THEORY MANUAL[Z].2006：234-251.

[22] Holmquist TJ,Johnson GR,Cook WH.A computational constitutive model for concrete subjected to large strains,high strain rates and high pressures[C].14th international symposium on ballistics,1993:591-600.

[23] 李猛深，李 杰，李 宏，等.爆炸荷載下鋼筋混凝土梁的變形和破壞[J].爆炸與沖擊,2015，35(2)：177-183.

The numerical simulation of antiknock performance of civil air defense basement

Ren Qingwei1Xie Qi2*Bai Weiliang2

(1.Tianjin Economic and Technological Development Zone State-Owned Asset Management Company, Tianjin 300457, China;2.CPI Engineering Research Inspection and Evaluation Center, Beijing 100142, China)

Using ANSYS/LS-DYNA software, this paper set up the three-dimensional finite element model of main structure of basement, explosives, air and soil, and using fluid solid coupling algorithm, gained the distribution law of explosive blast and equivalent stress in basement main structure and surrounding medium, pointed out that should pay attention to the basement roof in antiknock reinforcement design.

civil air defense basement, concrete, antiknock performance, finite element simulation

1009-6825(2016)34-0039-04

2016-09-25

任慶偉(1983- )，男，碩士，工程師； 白偉亮(1984- )，男，碩士，工程師

謝 齊(1988- )，女，碩士，助理工程師

TU352.1

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