爆炸載荷下水下隧道的壓力分布和動(dòng)力響應(yīng)

摘要： 為了研究隧道結(jié)構(gòu)在水中爆炸沖擊下的荷載分布和動(dòng)力響應(yīng)，設(shè)計(jì)并制作了1/10 縮尺隧道模型，進(jìn)行了3 次水下爆炸試驗(yàn)，對(duì)隧道模型的壓力、沖量和位移進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：沖擊波在淺水區(qū)會(huì)產(chǎn)生明顯的水面截?cái)嘈?yīng)，該效應(yīng)會(huì)使近水面的沖量減小；自由場(chǎng)沖擊波峰值壓力的試驗(yàn)值與理論值吻合良好，誤差在20% 以?xún)?nèi)；圓形截面隧道迎爆面峰值壓力為自由場(chǎng)峰值壓力的1.626～1.716 倍，頂面峰值壓力為自由場(chǎng)峰值壓力的54.3%～65.2%，背爆面峰值壓力為自由場(chǎng)峰值壓力的25.5%～31.3%；水中爆炸作用下的沖量時(shí)程曲線呈明顯的階梯狀，每一次的氣泡脈動(dòng)都伴隨著相應(yīng)的沖量增加；水下爆炸會(huì)引起隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，其振動(dòng)過(guò)程可分為結(jié)構(gòu)急速變形、結(jié)構(gòu)大幅振動(dòng)和結(jié)構(gòu)顫振3 個(gè)階段，隧道結(jié)構(gòu)的最大位移發(fā)生在結(jié)構(gòu)大幅振動(dòng)階段。

關(guān)鍵詞： 水下隧道；水下爆炸；峰值壓力；動(dòng)態(tài)響應(yīng)；縮尺試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)： O382 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼： 13035 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

水下隧道經(jīng)過(guò)近百年的發(fā)展，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為跨水交通的重要方式之一。相較于輪渡和大橋，水下隧道不受臺(tái)風(fēng)、濃霧等惡劣天氣的影響，有穩(wěn)定的通行能力，且不對(duì)水上航運(yùn)造成影響，僅在20 世紀(jì)全球范圍內(nèi)就已通過(guò)盾構(gòu)技術(shù)開(kāi)挖了100 多條水底隧道[1]。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，水工結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為爆炸攻擊的重點(diǎn)目標(biāo)，例如在俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)中北溪一號(hào)管道[2]、克里米亞大橋[3] 和卡霍夫卡大壩[4] 均遭受到了嚴(yán)重的爆炸襲擊，水工結(jié)構(gòu)一旦損毀，將會(huì)導(dǎo)致巨大的傷亡和重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)水下隧道結(jié)構(gòu)開(kāi)展抗爆研究非常必要。

目前，學(xué)者們對(duì)水下隧道的抗爆性能已經(jīng)開(kāi)展了相關(guān)研究。Xu 等[5] 以港珠澳大橋沉管隧道管節(jié)為原型，通過(guò)縮尺模型試驗(yàn)研究了車(chē)輛在隧道內(nèi)部發(fā)生爆炸后隧道結(jié)構(gòu)的毀傷效應(yīng)，以炸藥到隧道頂板的比例距離進(jìn)行分類(lèi)，將爆炸破壞劃分為4 個(gè)等級(jí)。Kristoffersen 等[6] 基于挪威海岸的一個(gè)懸浮隧道工程方案，建立了圓形和矩形截面兩種隧道管節(jié)的有限元模型，對(duì)隧道內(nèi)部車(chē)輛爆炸的工況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)圓形橫截面的隧道具有更好的抗爆性能。Yang 等[7-8] 基于數(shù)值模擬的方法，評(píng)估了水下沉管隧道在爆炸荷載作用下的損傷特征，提出了基于藥量和爆炸距離的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來(lái)預(yù)測(cè)隧道損傷水平的方法，并確定了CFRP（carbon fiber reinforced polymer）布最佳厚度用以加固沉管隧道的方案。De 等[9-10] 通過(guò)離心機(jī)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了不同比例爆距對(duì)水底沉埋隧道的影響，并以此評(píng)估了0.9 t 炸藥對(duì)直徑5.5 m 水底隧道的影響。雖然學(xué)者們對(duì)爆炸作用下水下隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的研究，但由于在爆炸荷載作用下水下隧道結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，隧道結(jié)構(gòu)上的荷載分布規(guī)律和動(dòng)力響應(yīng)尚不明確，需要進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)研究。

本文中，以水下隧道管節(jié)為研究對(duì)象，澆筑1/10 縮尺模型，進(jìn)行3 次水下爆炸試驗(yàn)，研究水中近場(chǎng)非接觸爆炸下隧道管節(jié)的荷載分布特征和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，以期為水下隧道的抗爆設(shè)計(jì)提供參考。