城市典型地下人防工程外爆性能評估研究進展

王沿朝, 趙志鵬, 強洪夫, 陳清軍

(1.火箭軍工程大學基礎部, 西安 710025; 2.火箭軍工程大學智劍實驗室, 西安 710025; 3.同濟大學土木工程防災國家重點實驗室, 上海 200092)

地下人防工程是地下人民防空工程的簡稱,指在戰爭時能抵抗一定武器殺傷破壞效應,保護人民生命和財產安全的地下防護工程,同時也是提高國家國防戰略安全和城市防災御害能力的關鍵生命線工程。近年來,“平戰結合”概念的普及推廣,推動地下人防工程建設突破了人防部門的責任局限而納入城市建設總體規劃之中,并逐漸擴展成為中國城市地下空間開發的重要內容。城市地下人防工程也從傳統的以戰備為目的人防工程轉變為融合城市公共交通、公用隧道或公共商業為一體的綜合性地下防護工程,其所承載的城市功能也愈發集中。

城市地下人防工程賦存環境復雜,結構形式多樣,空間尺度大,一旦在外部爆炸作用下發生破壞將極難修復。外部爆炸時城市地下人防工程的性能,對于維護結構安全,保障人員生命財產安全及災后修復重建,都至關重要。新時期城市地下人防工程的抗爆防爆需求給研究者提出了新的挑戰,總結現有城市地下人防工程防爆抗爆技術發展,并積極推動城市地下人防工程防爆安全性能提升具有重大現實意義。

針對地下工程的抗爆性能研究,中外早期主要集中在國防工程領域,并在國防試驗的基礎上系統總結經驗方法,編制了系列規范標準用于地下防護結構的設計建造,如美國國防部出臺的《常規武器防護設計原理》(TM5-855-1),《抗偶然爆炸結構設計手冊》(TM5-1300),美國土木工程協會的《抗核武器影響的結構設計》(ASCE Manual 42),中國出臺的《防護工程防常規武器結構設計規范》(GJBz 20419.2—1998)等,這些規范標準的出臺體現了國家層面對地下工程抗爆安全性的高度重視。錢七虎[1]院士在地下防護結構抗爆性能與設計方法研究中做出了突出貢獻,推動了中國地下防護工程技術的飛躍發展。然而,上述研究成果主要針對國防工程,近年來,“平戰結合”指導思想下的城市地下人防工程已逐漸發展成為城市的核心組成部分與關鍵生命線工程,一旦在爆炸中發生破壞,將會給人民的生命財產安全帶來極大的威脅,同時也會嚴重遲滯城市的快速恢復。因此,研究并評估此類結構的外爆性能十分必要。21世紀初,中國雖然出臺了相關的人防工程設計規范,但大都參照國防工程研究成果和規范標準擬定,主要針對以戰備為目標的傳統地下人防工程。國防工程與“平戰結合”背景下新修建的城市地下人防工程的設計建造標準及抗爆等級明顯不同,既有研究成果對于新結構的適用性需進一步驗證,新時期城市地下人防工程的外爆安全性亦需進一步探討。

鑒于新時期“平戰結合”背景下城市地下人防工程抗爆性能和防爆技術研究中尚存在不少亟需解決的問題,首先探討新時期“平戰結合”背景下城市地下人防工程的分類,闡述地下人防工程的外爆作用機制;在此基礎上,對中外城市典型地下人防工程的外爆性能從理論方法、模型試驗及數值仿真研究成果等方面進行簡要分析與系統總結,并闡述今后需要進一步深入研究的幾個關鍵問題,以期促進城市地下人防工程的抗爆研究,進一步完善城市地下人防工程抗爆設計理論與方法。

1 地下人防工程分類

1.1 傳統方式分類

依據建造方式,地下人防工程可分為掘開式地下人防工程和坑道式地下人防工程。其中,前者可根據有無地面建筑進一步分為單建式地下人防工程和結建式地下人防工程。單建式地下人防工程獨立建造于地面以下,地表除出口設施外,不附著其他建筑[圖1(a)];結建式地下人防工程則指與地面建筑一同建造,且預設防護功能的地下人防工程[圖1(b)]?？拥朗降叵氯朔拦こ炭筛鶕錁嬛问?進一步分為坑道式[圖2(a)[2]]和地道式[圖2(b)[2]]地下人防工程。

圖1 掘開式(明挖)地下人防工程示意圖Fig.1 Schematic diagram of excavation type underground air defense structures

圖2 坑道式(暗挖)地下人防工程示意圖[2]Fig.2 Schematic diagram of tunnel type underground air defense structures[2]

按照防護特性,地下人防工程可分為甲類人防工程和乙類人防工程,其中甲類人防工程防護等級更高,在戰時可抵御預定核武器、常規武器及生化武器的襲擊;乙類人防工程則在戰時可抵御預定常規武器及生化武器襲擊。

按照戰時使用功能,地下人防工程則可分為指揮工程(戰時保障指揮機關工作)、防空專業隊工程(戰時保障防空專業隊掩蔽和執行某些勤務)、人員掩蔽工程(戰時保障人員掩蔽)及配套工程(戰時的保障性工程)等。

1.2 “平戰結合”背景下分類

“平戰結合”背景下,中國城市地下空間大規模開發利用推動了傳統以防止戰爭災害為主的人防工程演變為防止人為災害(包括戰爭災害)和自然災害等廣泛災害的綜合防護工程。人防工程的建設發展也逐步融入城市地下空間綜合開發利用之中。當前,地下人防工程按照所承載的城市功能可大致分為如下幾類。

(1)地下公共交通工程。包括地鐵車站、地下汽車道、地下車庫及地下人行通道等(圖3[3])。近年來,日益加快的城市化進程推動了人防工程與地下公共交通工程的快速融合。立體化多層次的城市地下交通系統在極大改善大型城市公共交通需求的同時也在戰時為人們提供了大量的人防保障。此外,一大批地下汽車道、地下車庫及地下人行通道在各大城市興建,將城市交通流從地面轉向地下,在緩解地面交通壓力的同時取得了顯著的社會、經濟和環境效益。

圖3 典型地下公共交通工程[3]Fig.3 Typical underground public transportation system[3]

(2)地下公共隧道工程。包括共同溝、地下管網、地下走廊等(圖4[3])。隨著人們生活水平的不斷提高,以電力、給排水、煤氣、通訊及熱力為主的城市地下管線系統迅猛發展,在圍繞這些系統工程的整個長度上也都建立了便于人員進入檢修和管理的多功能公共隧道。這些地下公共隧道工程的建設和發展在和平時期很大程度上提高了城市的現代化程度和集約程度,降低了馬路反復開挖和施工對人們的生產生活帶來的不利影響,而在戰時則可以有效抵御敵方武器對于城市地下生命線系統的襲擊和破壞,顯著提升了城市基礎設施在“戰爭期間”和“和平時期”的綜合防災御害能力。

(3)地下公共商業工程。包括地下商業街、地下綜合體等(圖5[3])。經濟的突飛猛進推動了城市商業的快速發展,當前,各大城市中心地面空間早已擁擠不堪,而地下空間的開發利用為城市商業注入了新的活力。各大城市都積極開發地下公共商業工程,并建成了一大批地下商業街。此外,許多城市在探索環保型、生態型城市的過程中積極融合城市地下空間功能,發展了一批集商業、市政、交通、停車及人防功能于一體的地下綜合體,推動了城市地下空間利用的高效化與集約化。這些預設防護功能的地下公共商業工程在和平時期可為城市經濟帶來新的活力,在戰時也可成為城市居民躲避敵方武器襲擊的良好防護工程。

圖5 典型地下公共商業工程[3]Fig.5 Typical underground public commercial street[3]

(4)地下防護工程。中國各大城市都是國家重點人防城市,新中國成立初期在全國“長期準備、重點建設”的指導思想下,各大城市為了應對戰爭威脅,建設了一批早期人防工程和地下硐室。這批防護工程在開發建設時主要針對戰備防護,在組織上遵循“群眾路線”,在技術上突出“群眾創造”,沒有進行整體的設計規劃。目前這批工程除少量由于建設地點過于偏僻而廢棄之外,大部分已變成市民休憩納涼場所,另有部分被改造成實驗室、科普館等地下工程(圖6[3]),在戰時仍然承擔著一定的防護任務。

圖6 典型地下防護工程[3]Fig.6 Typical underground protective structures[3]

2 地下人防工程外爆性能分析

外部爆炸沖擊載荷是設計地下人防工程結構時必須考慮的內容[4]。爆炸引起的在地層中傳播的應力波又稱為地耦合沖擊波,可分為兩類:一類是直接地耦合沖擊波,另一類是感生地耦合沖擊波[5]。當外部爆炸產生的地耦合沖擊波達到足夠強度時,就會引起地下人防工程結構的破壞。針對地下人防工程的外爆性能,中外專家和學者探究了地下人防工程的外爆作用機制,并從理論方法、模型試驗及數值仿真等方面進行了針對性的研究。

2.1 外爆作用機制及其分類

爆炸發生時,將在極短時間內釋放大量能量,在產生高溫高壓的同時對其周圍產生巨大的破壞作用。針對地下人防工程在戰時可能經歷的爆炸毀傷環境,其面臨的外部爆炸沖擊可大致分為三類[6](圖7),具體如下。

Pa為大氣壓;Pmax為沖擊波峰值;ta為到達時間;t0為正相持續時間;為負相持續時間

2.1.1 自由空氣爆炸

自由空氣中生在爆炸發時,爆炸沖擊波迅速向外擴散。圖7給出了距爆心一定位置某點的爆炸壓力時程[7-8],當沖擊波抵達該點時,壓力峰值急劇增大,并瞬間達到峰值,之后迅速衰減至大氣壓力以下。在空氣中傳播的沖擊波,接觸到地面后將產生反射,導致沖擊波的運動狀態和參數都發生變化,反射一般可分為正反射、斜反射及馬赫反射。自由空氣爆炸產生的能量大都消散在空氣中,小部分被淺表巖土體耗散,對地下人防工程影響較小。威脅地下人防工程安全的主要是(近)地表爆炸及埋地爆炸。

2.1.2 (近)地表爆炸

(近)地表爆炸時,炸藥位于地表或地表附近,類似于空氣爆炸,當入射波到達地面后將發生反射,部分沖擊能量消散在空氣中,剩余部分能量則傳遞至地面并與巖土體耦合形成應力波[4]。該過程中,土體與空氣界面的反射沖擊波產生的張力波將剝離地表巖土體。此外,爆炸產生的氣體將迅速膨脹,向周圍擠壓土體,在形成爆炸坑的同時拋擲出大量爆炸噴射物。對于(近)地表爆炸,當爆炸距離結構較近時,將會對地下人防工程的安全帶來明顯的影響。

(3)埋地爆炸。當爆炸發生在地下時,爆炸產生的沖擊波與巖土體的耦合效應更加明顯,此時應力波在巖土體中向四周傳播,且爆炸向巖土體傳輸的能量隨著爆炸埋深的增加而增大[9]。此外,由于爆炸氣體迅速膨脹并擠壓巖土體,靠近爆心的巖土體在短時間內被壓縮而形成空腔[10-11],進而導致其組成特性與力學性能發生改變,并影響巖土體與地下人防工程的相互作用。當埋地爆炸距離結構較近時,將嚴重威脅地下人防工程的結構安全。

近年來,超音速高精度制導武器及其裝藥技術快速發展,命中精度和毀傷效能都顯著提高,對地下人防工程的抗爆安全帶來了更大的威脅和挑戰,在此背景下,地下人防工程的外爆效應也將隨之發生顯著的變化,從單一沖擊波作用轉變為沖擊波與高速聚能侵徹聯合作用。對于此類新性態武器作用下的地下人防工程外爆作用機制和防爆技術亟需深入研究。

2.2 地下人防工程外爆性能理論方法

地下人防工程服役環境復雜,外部爆炸引起的巖土體運動受到地下人防工程的阻礙,而地下人防工程的運動又受制于巖土體,二者之間既有力的作用,又有變形的約束,還有能量的傳遞,是典型的多介質動力耦合問題。長期以來,研究者們一直致力于尋求解決這一復雜耦合動力學問題的理論方法(圖8),并形成了以半經驗半理論法和土-結構相互作用法[7,12-13]為代表的研究思路。

σf為自由場壓力;ρ為土體質量密度;c為土體地震波速;u為結構運動位移;為結構運動速度;Pe為等效荷載;me為等效質量;re為等效阻力;ρce為等效阻抗;r為阻抗

2.2.1 半經驗半理論法

早期研究地下人防工程外爆性能時主要依據有限的爆炸沖擊試驗總結的半經驗半理論方法,如系數法、等效靜載法和拱效應法等。這些方法是多年來對土中埋置結構所承受爆炸荷載的發生機理的研究而發展的簡化方法[7,14-16]。其中應用最廣的“三系數法”在確定結構荷載時,在地表空氣沖擊波超壓的基礎上引入考慮土中壓縮波傳播衰減的衰減系數,考慮波與結構及自由地表相互作用的綜合反射系數及轉化為結構等效靜荷載的動力系數[7]。該方法在確定地下人防工程結構動載峰值及升壓時間時可根據式(1)計算。

(1)

式(1)中:Ph為埋深h處的自由場壓力峰值;P1、P2、P3分別為頂板、側墻和底板動載峰值;Kf、ξ、η分別為頂板綜合反射系數、側壓系數及底壓系數;tc為升壓時間;γc為波速比;c0為起始壓力波速。

系數法理論簡單,計算方便,且對中等跨度的平頂式鋼筋混凝土結構的應用效果較好[17],因此在工程上應用較為廣泛。然而該方法過于簡化,且計算結果往往偏于保守,對不同型式結構和場地條件,各系數取值也有待進一步驗證。鑒于此,文獻[18-20]探究了不同結構型式及爆炸條件下地下人防工程的荷載分布規律及外爆性能,得到了有益的研究成果,拓展了系數法的適用范圍。對于深埋結構,在爆炸沖擊波作用下,則一般采用等效靜載法計算其載荷,該方法引入了土體的特性系數和填塞系數[4],主要用于深埋地下洞庫等地下工程的設計。拱效應法[21]則利用土的抗剪能力將土壓力從大變形位置移至小變形位置,進而確定地下結構的荷載分布,拱效應大小由土的抗剪強度和結構變形程度決定。該方法以太沙基靜載條件下的拱效應概念為基礎,并從位移場出發確定土中埋置結構的荷載,因而無法考慮爆炸波作用下土中結構與土體的動力相互作用[1]。半經驗半理論法應用簡便,但如何更科學的對經驗理論公式中的系數取值,使計算結果與工程實際更加接近有待進一步研究和分析。

2.2.2 土-結構相互作用法

土-結構相互作用法以一維波動理論或動力理論為基礎,采用“兩步法”方式,首先確定出作用在地下人防工程上的動載,然后再按振動理論計算結構響應。在確定動載時,采用了耦合分析的思想,將土與結構視為整體,從土中壓縮波或地表沖擊波抵達開始,利用波動理論研究波在土中的傳播和接觸結構后的反射與卸荷,進而求得作用于結構上的動載。對于剛性結構,其爆炸載荷可按式(2)確定。

(2)

式中:Pj(t)和Pg(t)分別為頂、底板所受的壓力;v(t)為結構整體位移速度;c1和ρ分別為頂板上部土體塑性波速和密度;c′1和ρ′分別為底部土體塑性波速和密度;P(t)和P*(t)分別為入射壓縮波的壓力和作用在卸荷土頂的土壓力;t0為加載時間;tp為結構卸載波與地表卸載波相交時刻;Hj(t)為不同時刻結構卸載波高度;H′和ρ1分別為覆土厚度及密度;m為剛性結構單位面積質量。

基于土-結構相互作用法,錢七虎等[22]系統研究了爆炸沖擊作用下地下防護結構的動力響應。為了更準確地表征土與地下結構之間的動力相互作用,文獻[23-26]對土與不同型式地下結構間相互作用的傳遞函數及接觸壓力計算方法進行了探索和改進,并對巖土體參數及荷載形式對地下結構爆炸動力響應的影響做了進一步探討[27-28]。結果表明巖土體參數對地下的爆炸安全性有顯著影響,鋪設墊層可減小襯砌的位移及內力,但墊層厚度并非越厚越好,而荷載作用位置不變、爆炸波入射角的變化對結構動力響應影響較大。文獻[29-30]通過引入界面阻尼來考慮爆炸荷載下土與地下結構的動力相互作用,分析了遭受土傳爆炸的代表性地下人防工程的外爆性能。土-結構相互作用法在地下人防工程抗爆分析中理論推導嚴謹,在一定程度上考慮了土與結構的動力相互作用,可以較好地揭示了動荷載的產生與發展的機理。

綜上所述,雖然半理論半經驗法計算簡便,但卻難以考慮爆炸沖擊下重要的土-結構動力相互作用,不能揭示地下人防工程的爆炸荷載的產生機理與作用機制,且適用范圍有限。土-結構相互作用法雖然理論推導過程相對復雜,但其考慮了土與結構的動力相互作用過程,能在一定程度揭示作用于地下人防工程上爆炸荷載的產生機理與土-結構相互作用效應,應用效果較好,得到的公式也已經被應用到防護結構設計中。但需要指出的是,當前應用的土-結構相互作用法大多基于一維波動理論推導得到,對于結構尺寸有限的地下人防工程結構,其空間尺寸效應不可忽略,需進一步探究。此外,已有模型大都假設沖擊波加載瞬間完成,但如果結構尺寸與波長相差不大,則還需分析沖擊波衍射等過程的影響。

2.3 地下人防工程外爆性能模型試驗方法

模擬爆炸試驗是研究外部爆炸沖擊下地下結構抗爆性能的重要手段,受到中外學者的廣泛關注。隨著“平戰結合”概念的普及推廣,相關試驗也從最初的國防工程逐漸轉向人防工程領域,并開展了廣泛的模擬爆炸試驗。當前地下人防工程外爆性能模型試驗方法可大致分為三類,具體如下。

2.3.1 非爆炸機械加載試驗

非爆炸方式施加類爆炸荷載主要涉及落錘式沖擊試驗和液壓伺服驅動爆炸模擬試驗[31]。前者主要利用重力勢能對試件撞擊產生沖擊荷載[32],依據落錘式沖擊試驗設備工作原理,張偉鋒等[33]提出了豎直均布類爆炸荷載機械式生成方法。Mishra等[34]研究了城市隧道在沖擊爆炸荷載作用下的動態行為和損傷模式。雖然中外落錘式沖擊試驗設備不少,但落錘質量普遍較小且有效落高不足,導致撞擊能量較低,不能很好地應用于地下人防工程抗爆性能分析之中。液壓伺服驅動爆炸荷載模擬器通過高速液壓驅動裝置產生的動力推動撞擊模塊撞擊試件產生類爆炸荷載[35]。該類設備所產生的沖擊荷載與真實爆炸荷載接近,典型的有美國加州大學圣迭戈分校的爆炸模擬器及歐盟安全防護研究所的爆炸模擬器[36]。但此類設備技術復雜,造價昂貴,且核心技術掌握在少數發達國家,中國少數產品僅在國防領域鮮有報道。李志濤等[37]、李杰等[38]研制了深部“一高兩擾動”真三維爆炸模擬試驗裝置(圖9[38]),并開展大當量爆炸地沖擊下深埋洞室的毀傷效應研究。考慮到地下人防工程已成為城市關鍵生命線工程,后續應進一步探索此類爆炸模擬裝置在城市地下人防工程抗爆性能分析中的應用。

圖9 爆炸模擬試驗系統[38]Fig.9 External explosion simulation test system[38]

2.3.2 離心機試驗

離心機試驗自20世紀80年代被應用以來就已經被證明是研究地下人防工程結構抗爆性能的有效方法[39-41]。離心機試驗模型遵循如下比例律:原型尺寸結構中炸藥當量等于模型尺寸結構中炸藥當量與離心加速度N的三次方的乘積[42-43]。因此離心機試驗可以在少量炸藥用量的情況下獲得大當量的爆炸效果(圖10[44])?；诳s比離心機試驗,De等[45]研究了地面爆炸時地下隧道的響應情況,同時探討了不同埋深、不同巖土條件及不同覆蓋保護層對隧道抗爆性能的影響。馬立秋等[44]探究了淺埋地下隧道在地表爆炸情況下的響應,結果表明,爆炸拋出物受科氏加速度影響;結構底部應變峰值約為頂部1/3;土層含水量增大將使結構響應增大及砂土覆蓋層更有利于結構抗爆。Liu等[46]對飽和土中地下隧道的爆炸動力響應進行了分析,發現在爆炸沖擊方向隧道發生了嚴重損壞,且150 kg TNT爆炸當量下,飽和土會發生液化現象。上述研究表明,離心機試驗在開展地下人防工程抗爆性能研究上有一定的優勢,但也存在一些明顯的缺點[47]:如離心機系統尺寸龐大、構造復雜,使用不便;離心機建造成本和維護成本較高;受試驗系統性能影響,模型縮尺比偏小等等,如何降低乃至避免這些因素的影響以使離心機試驗更好地應用于城市地下人防工程抗爆分析之中是需要解決的問題。

2.3.3 場地爆炸試驗

目前檢驗地下人防工程整體抗爆性能最主要的方法是場地爆炸試驗(圖11[48])。對于小型結構,可采用原型試驗,而對于大型結構,一般采用縮尺試驗。最初的場地爆炸試驗主要集中在地下管道及隧道,對于地下管道及隧道,爆炸波將導致結構發生以瞬態徑向壓縮為主的變形,并產生沿軸向和環向的剛體振動[49],而正對爆心的隧道管段背部會由于瞬態彎曲受拉而發生破壞[50]。文獻[51]還基于隧道的爆炸響應特征進一步給出了爆炸振動保護區范圍,用以指導隧道臨近工程的爆破施工。

圖11 場地爆炸試驗[48]Fig.11 Field explosion test[48]

隨著拱形(直墻拱形)人防工程的發展,專家學者對此類結構的外爆性能開展了系統的試驗探究。文獻[52-53]研究發現,遠場頂部爆炸時的拱形(直墻拱形)結構上的動載呈準均勻分布,結構響應以整體振動為主,而近場爆炸時呈三角形分布,拱形結構響應主要呈彎曲變形模型?；炷羷兟洹⒗炝芽p、剪切破壞以及鋼筋屈服是近距離頂部爆炸時拱形(直墻拱形)結構的主要破壞模式,在拱形成四五條塑性鉸線后,拱結構將發生塌毀破壞[54]。此外,拱的破壞程度不僅與比例距離相關,還受到爆距與結構跨度之比的影響。文獻[55]提出了基于撓跨比的結構破壞等級劃分模式。針對不同爆炸位置及命中角度,文獻[56]研究發現,相同爆距下,側方爆炸時結構的毀傷程度最為嚴重,而在正交角處更容易產生側裂紋,其增長受加載方向的強烈影響。當命中角度增大時,拱頂的豎向載荷及相對位移減小,拱腳處的水平載荷和相對位移將增大,但直墻底無明顯變化[57-58]。對于重復爆炸,初次爆炸形成的圍巖破碎區及裂縫將加速重復爆炸時沖擊波的能量衰減,緩解結構承受的沖擊波[59]。

近年來,隨著城市框架式地下人防工程的大規模建設,部分學者針對此類結構開展了場地爆炸試驗,但研究主要集中在特定結構。李歡秋等[60]研究表明,在地下防護工程中設置泄爆設施可有效和提高臨近空間結構抗爆能力,重要工程在外爆時要考慮結構抗力以及抗震減震問題。Zhou等[48,61]通過淺埋城市公共管廊抗爆性能縮比試驗,揭示了重復爆炸下管廊頂板是最脆弱的構件,且縱向裂縫會沿管廊縱向發展,而玄武巖纖維布可有效提升地下管廊的抗爆性能。辛凱等[62]通過場地試驗研究了爆炸行波作用下單建式人防工程荷載分布規律,并給出了人防工程不同部位荷載取值的計算方法。劉飛等[63]通過半埋及全埋式人防工程的鄰近爆炸試驗,發現外墻結構設計荷載應取墻面受力最大位置的荷載,而半埋與全埋地下室外墻鄰近處鉆地爆炸的毀傷效應,與墻面超壓、爆炸持續時間、周邊介質及介質構筑物均相關。然而,對于框架式地下人防工程的場地爆炸試驗仍處于起步階段,且爆炸試驗安全風險大、準備周期長、試驗成本高,如何將其更有效應用于“平戰結合”背景下的城市地下人防工程抗爆性能研究有待進一步研究和探索。

綜上所述,非爆炸機械加載試驗在地下人防工程抗爆性能中的研究尚不成熟,且相關設備技術復雜,造價昂貴,尚不具備廣泛推廣的條件。離心機試驗雖然可以在較小的爆炸當量下獲得較大的爆炸效果,但受試驗系統的限制,模型縮尺比往往偏小,且離心機系統使用不便,維護成本較高,制約了其在地下人防工程抗爆性能研究中的進一步發展。場地爆炸試驗與真實爆炸情況最為接近,且可根據需求自由選擇不同的模型試驗比例,被證明是研究地下人防工程抗爆性能最直接有效的方法。但是限于試驗成本與安全因素,現有爆炸試驗通常針對特定結構和場地,所獲得的結構動力響應特征及毀傷效應及影響因素尚缺乏系統的梳理歸納。此外,當前研究主要關注結構本身的動力響應與損傷破壞情況,事實上,爆炸沖擊作用下地下人防工程的結構振動可能遠超人體的耐受極限進而無法實現預期的人防工程功能,這在后續研究中也值得關注。

2.4 地下人防工程外爆性能數值仿真方法

對于地下人防工程的外爆性能研究,理論方法建立在一定的假設基礎上,與實際工程差別較大。試驗研究費用昂貴且安全風險較大,而數值模擬方法成本低、可重復性強、計算結果良好,已成為研究地下人防工程外爆性能的重要手段。當前地下人防工程外爆性能數值仿真方法可大致分為兩類,具體如下。

2.4.1 基于經驗壓力時程的數值仿真方法

受制于計算機計算性能的不足,早期在進行地下人防工程外爆性能評估時往往采用經驗壓力時程模擬爆炸載荷,如三角形、平臺形或其他形式經驗壓力時程等[圖12(a)]。基于經驗壓力時程曲線,學者們探索了地表及埋地爆炸發生時典型地下結構的動力響應。研究發現,爆炸發生時隧道主要以彎曲變形為主,正對爆心位置動力響應最大,此外,爆炸當量越大,隧道埋深越深,巖土體越硬,隧道越容易發生破壞[64]。對于拱形結構,地面爆炸作用時,地下隧道側面將受壓,而頂部與底部中央則受拉,隧道底部中央和頂部容易出現破壞[65-66]。在地面爆炸沖擊下,框架式地下結構中部頂板會產生拉伸損傷;當結構埋深較小時,結構動應力響應較大;覆土剛度越小,則對爆炸能量吸收效果越好[67]。而在埋地爆炸沖擊下,框架式地下結構迎爆面動力響應最大,最易發生破壞[68];爆炸地震波還有類似天然地震波的剪切特點,可能導致結構薄弱中柱發生剪切破壞[69]?？傮w而言,在地下人防工程周圍設置軟弱層或在內壁貼裝耗能材料可明顯降低結構動力響應[70]。部分學者還基于經驗壓力時程研究了帶初始損傷地下拱結構的抗爆能力,結果表明裂縫明顯降低拱結構抗爆炸能力,且裂縫位置影響明顯[71]。基于經驗壓力時程的計算結果雖然會存在一定的誤差,但該方法計算簡便且能在一定程度上滿足工程需要,在實用性上具有一定優勢,因而也被許多學者采用。在后續研究中,可進一步積累越來越多經驗數據,以使經驗時程更接近真實爆炸情況。

t1為初始時刻;t2為材料變形時刻

2.4.2 基于直接模擬爆炸荷載的數值仿真方法

隨著近年來計算機技術的不斷更新,近年來主要發展了基于有限元(finite element method, FEM)的拉格朗日算法、歐拉算法、任意拉格朗日歐拉(arbitrary Lagrange-Euler, ALE)算法和光滑粒子流體動力學(smoothed particle hydrodynamics, SPH)算法等多種直接模擬爆炸荷載的數值算法。然而,單獨采用某種算法都有明顯的缺點,如拉格朗日法無法模擬近場爆炸,且往往因網格畸變致使數值計算不收斂;歐拉法的計算成本很高,因為它需要通過界面連續跟蹤材料;ALE算法[72]可以克服上述兩種方法的缺點,但無法輸出反應結構響應的應變參數。因此,耦合兩種或多種方法成為了解決上述問題的有效途徑[圖12(b)、圖12(c)]。如地下結構和巖土體采用拉格朗日方法建模,而爆炸物和其他流體材料用歐拉、ALE或SPH方法建模?；跉W拉-拉格朗日耦合算法,學者們系統地探究了不同爆炸沖擊情況下地下隧道、地下拱形結構及框架式地下人防工程的沖擊震動環境及動力響應規律[73-75],建立了隧道和圍巖之間相對速度和有效拉應力的關系[76],明確了結構的毀傷模式及臨界毀傷條件[77];探究了裝藥量、爆距、及接頭方式等因素對荷載分布及典型地下人防工程結構抗爆性能的影響[78-79],給出了三維計算模型等效為二維的適用條件[80]。

鑒于ALE算法在模擬爆炸沖擊問題中的優勢,許多學者基于拉格朗日-ALE耦合算法系統研究了地下人防工程的外爆性能,探究地面及埋地爆炸時土中壓縮波的傳播過程與規律[81-82],明確了巖土體與地下結構的動力相互作用機理[83],分析了埋置地下人防工程結構上沖擊載荷的特點[84],并與理論及試驗結果進行了對比驗證[85],在此基礎上進一步探究了典型地下人防工程結構的動力響應特點,并給出了結構安全性能評價方法[81]。此外,眾多學者基于該方法對典型地下人防工程結構抗爆性能的影響因素進行了系統的分析,如周圍巖土體條件[86-87]、結構埋深、結構斷面型式及跨度[88]、襯砌厚度、配筋布置、覆土深度[89-91]爆炸當量及不同爆炸位置[92]等參數。研究表明,拉格朗日-ALE耦合算法可獲得較高的計算精度[85],地面爆炸時,爆炸波以半球形式在土中傳播,爆炸沖擊的首個沖擊波及巖土體與結構的動力相互作用對結構響應起到重要作用[82, 89],而地下爆炸時,地面反射沖擊波的影響不可忽略,會使得爆炸總脈沖增加[92]。爆炸波由高阻抗巖土體傳向低阻抗混凝土結構時,巖土體卸載,應力減小;反之則巖土體加載,應力增大[83]。頂部爆炸時,圓形隧道襯砌上部為不穩定區域,容易發生破壞,而側爆時,襯砌結構的損傷程度由側爆角度、爆炸當量與爆炸距離共同制約[93];而土中淺埋框架式人防工程結構頂板主要承受間接地沖擊作用,外墻主要承受直接地沖擊作用[84]。軟土中深埋結構在受到地面爆炸沖擊時更加安全[87],但孔隙水對埋地結構爆炸響應會產生不利影響[86]。提高配筋率可有效提升地下結構的抗爆性能,使頂部破壞從剪-彎破壞轉變為彎曲破壞。增大結構厚度可有效降低爆炸動力響應,而結構埋置越深,則土體可以耗散更多的爆炸能量,結構越安全[89],而采用硬-軟-硬“三明治”式防護結構可有效降低臨近爆炸對結構的不利影響[94]。此外,部分學者還探究了不同結構形式地下隧道的抗爆能力,研究發現圓形和馬蹄形隧道比箱形隧道的抗破壞能力弱,而半橢圓形隧道抗爆性能優于箱形隧道[90, 95],結構跨度越大,爆炸對結構安全影響越大[88]。爆炸沖擊下結構內部的振動響應可能引起人員傷亡, 有必要進行結構隔振[85, 92]。

SPH是一種近年來發展的無網格數值方法,能避免Euler方法中材料的與歐拉網格的界面問題,適用于沖擊、碰撞、爆炸等大變形動態問題的求解。一些學者利用SPH算法在流體力學中的優勢,基于SPH-FEM耦合算法[96-98][圖12(c)]研究了地下人防工程的外爆性能,目前主要的耦合算法包括綁定接觸耦合、混合單元耦合及“點-面”接觸耦合等。Wang等[99]、Lu等[100]基于SPH-FEM綁定接觸耦合算法研究了地下結構在爆炸載荷下的動力響應,并對比了二維和三維的模擬效果差別。Koneshwaran等[101]通過在SPH粒子及有限單元面之間設置罰函數的SPH-FEM“點-面”接觸耦合算法模擬了分段地下隧道的爆炸響應(圖13[101]),給出了隧道襯砌的爆炸動力響應機制與失效模式,證明了隧道環中段在橫向的拱型響應模式且圓周接頭比徑向接頭更容易失效。王寧等[102]采用SPH-FEM 綁定耦合方法,對近地爆炸沖擊下地下結構的動態響應過程進行了數值仿真,結果表明,該方法可有效模擬爆炸荷載在土中的傳播過程,且結構內部加速度劇烈變化程度決定了結構的破壞程度。

圖13 基于SPH-FEM的地下隧道外爆數值模擬[101]Fig.13 Numerical simulation of underground tunnel under external explosions based onSPH-FEM[101]

綜上所述,雖然基于經驗壓力時程的數值仿真方法計算簡便,但現有經驗時程曲線過于簡化,模擬復雜爆炸情況下地下結構動力響應問題的效性與準確性無法保證?；谥苯幽M爆炸荷載的數值仿真方法中拉格朗日與ALE方法耦合的數值模擬方法既可以很好地模擬爆炸的發生與演變機制,也可以很好地分析地下人防工程的爆炸動力響應情況,因而得到了廣泛的應用。然而,當前研究主要針對特定結構,未能形成系統有效的地下人防工程爆炸性能評價指標及爆炸易損性的判別方法。而近年來“兩防一體化”概念的不斷普及和推廣,建筑隔振技術也逐漸應用于地下大型人防工程的抗震性能提升之中[103-106],該技術將中柱與結構板之間的剛性連接以隔振柔性連接代替。然而,此類結構體系在外部爆炸作用下的響應機制和抗爆性能尚不清楚,尤其是中柱隔斷后其爆炸沖擊力學傳遞機制相較于剛性連接有明顯改變,此類結構的抗爆性能亟待深入研究和探討。此外,未來對于沖擊波與高速聚能侵徹聯合作用的新性態武器作用下地下人防工程的抗爆性能研究,基于SPH的計算方法也將是一種有效解決手段。

3 結論與展望

中外學者針對城市典型地下人防工程外爆性能評估開展了包括理論分析、試驗研究及數值模擬等方面的一系列研究工作,取得了較為豐碩的成果,但仍存在若干亟待解決的問題。

(1)基于多介質動力耦合的爆炸作用機理研究。對于地下人防工程的外爆性能研究,理論方法建立在一定的假設基礎上,與實際工程差別較大?，F有數值模擬方法已成為研究地下人防工程外爆性能的重要手段,但仍存在計算效率低、難以匹配試驗結果和理論機理不清晰的難題。提高城市地下人防工程抗爆性能亟需解決其作用機理問題。

(2)復雜外爆打擊環境下試驗方法和分析研究。爆炸試驗安全風險大、準備周期長、試驗成本高,新“平戰結合”背景下城市地下人防工程面臨的外爆環境更為復雜,新性態武器作用下城市地下人防工程的外部爆炸性能試驗研究不足,有待進一步研究和探索。

(3)基于新結構形式的新型抗爆技術研究。隔振等新型振動控制技術逐漸應用于地下大型人防工程的性能提升之中,有望通過改變結構體系形式來提升防爆性能。然而其在外部爆炸作用下的響應機制和抗爆性能尚不清楚,有必要進一步深入研究其全過程作用機理、隔振措施和結構形式。

(4)城市地下人防工程抗爆性能評估標準化研究。確立城市典型地下人防工程抗爆性能評估的標準化結構模型,建立完善適用于標準化模型的外爆性能評價指標、評估數據及共享平臺。在此基礎上,構建城市典型地下人防工程抗爆性能評估數據庫。