任慶偉 謝 齊 白偉亮

(1.天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)國(guó)有資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)公司，天津 300457； 2.中電投工程研究檢測(cè)評(píng)定中心，北京 100142)

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人防地下室抗爆性能數(shù)值模擬

任慶偉1謝 齊2*白偉亮2

(1.天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)國(guó)有資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)公司，天津 300457； 2.中電投工程研究檢測(cè)評(píng)定中心，北京 100142)

采用ANSYS/LS-DYNA軟件，建立了地下室主體結(jié)構(gòu)、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(yīng)力在地下室主體結(jié)構(gòu)和周邊介質(zhì)中的分布規(guī)律，指出地下室頂板在抗爆加固設(shè)計(jì)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(zhàn)時(shí)抵御常規(guī)武器和核武器的襲擊，相比于普通地下室，在滿足平時(shí)使用功能外，還需考慮戰(zhàn)時(shí)的人防荷載[1]。根據(jù)GB 50038—2005人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范[2]，人防荷載主要指武器爆炸產(chǎn)生的沖擊荷載，規(guī)范中按照等效靜載的方法計(jì)算其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展，ANSYS/LS-DYNA，AUTODYN，ABAQUS等商業(yè)有限元軟件均為爆炸沖擊荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)求解提供了解決方案，能更加細(xì)致的分析結(jié)構(gòu)受沖擊荷載作用的復(fù)雜動(dòng)力過(guò)程。張志剛[3]，張舵[4]，陸新征[5]，師燕超[6],史祥生[7]，閆秋實(shí)[8]等采用ANSYS/LS-DYNA分析了爆炸荷載作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。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(dòng)力響應(yīng)，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為接近。

以上學(xué)者的研究工作表明，在考慮爆炸問(wèn)題非線性因素的情況下，采用有限元等數(shù)值模擬方法來(lái)求解人防地下室構(gòu)件的非線性受力行為是可行的，而且具有工程實(shí)際意義。然而以上研究多針對(duì)人防地下室單個(gè)構(gòu)件，對(duì)地下室整體抗爆性能的研究不夠全面。因此，本文應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA，建立了人防地下室混凝土結(jié)構(gòu)與周邊土壤、空氣及炸藥的有限元計(jì)算模型，得出了地下室結(jié)構(gòu)在爆炸荷載下的等效應(yīng)力值分布規(guī)律。

1 人防地下室結(jié)構(gòu)有限元模型建立

1.1 結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

本文建立的人防地下室結(jié)構(gòu)的平面尺寸如圖1所示。地下室為素混凝土結(jié)構(gòu)，層高5 m，縱橫向?qū)挾染鶠? m，頂板、底板以及邊墻的厚度均為300 mm；土體域?yàn)榫嚯x地下室結(jié)構(gòu)0.3 m范圍內(nèi)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(nèi)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(yīng)用ANSYS/LS-DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，采用Solid164單元建立地下室主體結(jié)構(gòu)、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(wǎng)格屬性[10-14]，采用多物質(zhì)ALE算法；地下室主體結(jié)構(gòu)為混凝土材料，設(shè)置Lagrange網(wǎng)格屬性。計(jì)算過(guò)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?？紤]結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，取1/2結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)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(cè)面和對(duì)稱(chēng)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(shù)

1)空氣材料參數(shù)[15-17]。

如表1所示為空氣材料參數(shù)，如表2所示為描述空氣狀態(tài)方程的系數(shù)。

表1 空氣材料參數(shù)

表2 線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程參數(shù)

2)炸藥材料參數(shù)[15-17]。

炸藥采用高能炸藥模型和JWL狀態(tài)方程來(lái)描述，參數(shù)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(tài)方程

3)土體材料參數(shù)[15,18]。

土體材料參數(shù)選取如表5所示，該模型還定義了土壓力與土體應(yīng)變的關(guān)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(jié)構(gòu)混凝土材料的強(qiáng)度等級(jí)為C30，選用H-J-C本構(gòu)關(guān)系[15,20]，參數(shù)見(jiàn)表6，并定義混凝土的失效準(zhǔn)則為主拉應(yīng)力失效。

表6 混凝土的H-J-C本構(gòu)模型參數(shù)值

2 結(jié)果及分析

本文對(duì)人防地下室結(jié)構(gòu)的爆炸荷載效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，如不做特殊說(shuō)明，均假設(shè)空氣、炸藥、土壤和混凝土為連續(xù)介質(zhì)，整個(gè)爆炸過(guò)程為絕熱過(guò)程，采用第一節(jié)中的結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)建立有限元模型，動(dòng)力響應(yīng)的計(jì)算時(shí)間為3 000 μs，時(shí)間步長(zhǎng)為3 μs。

2.1 爆炸沖擊波傳播的數(shù)值模擬及分析

本節(jié)對(duì)爆炸沖擊波在空氣、土壤、混凝土(地下室主體)三種介質(zhì)中的傳播過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，由圖3，圖4可以看出：炸藥瞬時(shí)爆炸后沒(méi)有接觸到障礙物，爆炸沖擊波以一個(gè)近似于半球形的波陣面向四周擴(kuò)散，爆炸點(diǎn)的壓力隨著沖擊波的擴(kuò)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(jié)構(gòu)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(cè)運(yùn)動(dòng)，并引起相應(yīng)區(qū)域土壤被壓縮，人防地下室頂板混凝土碎裂嚴(yán)重。

2.2 地下室結(jié)構(gòu)在爆炸荷載下的等效應(yīng)力分布及變形規(guī)律

本節(jié)計(jì)算了人防地下室結(jié)構(gòu)在爆炸荷載下的等效應(yīng)力，結(jié)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(diǎn)，因而頂板的中心點(diǎn)及其周邊區(qū)域在爆炸初始階段處于高應(yīng)力狀態(tài)，隨著時(shí)間的增加，高應(yīng)力狀態(tài)區(qū)域的范圍不斷擴(kuò)大，頂板自中心點(diǎn)開(kāi)始向外碎裂，在1 739 μs時(shí)刻，頂板的大部分區(qū)域和兩側(cè)邊墻的上端均出現(xiàn)碎裂現(xiàn)象。

取圖1中地下室主體結(jié)構(gòu)頂板中心線A，B，C，D點(diǎn)分析，各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力(0 μs～750 μs)如圖7所示。

由圖7可以看出：頂板的等效應(yīng)力均隨著時(shí)間增加而到達(dá)峰值，然后衰減。距離爆心投影點(diǎn)越近的點(diǎn)，達(dá)到應(yīng)力峰值的時(shí)間越短，且對(duì)應(yīng)的應(yīng)力峰值越大，A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力峰值為29.47 MPa，以上數(shù)據(jù)反映了爆炸荷載作用下，地下室結(jié)構(gòu)頂板的應(yīng)力具有明顯的波動(dòng)效應(yīng)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)人防地下室在地面爆炸沖擊荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明地下室主體結(jié)構(gòu)的頂板是地面爆炸作用下的薄弱位置，其應(yīng)力具有明顯的波動(dòng)性，頂板混凝土自中心向四周損毀嚴(yán)重,地下室頂板是加固設(shè)計(jì)中需要著重考慮的構(gòu)件。從模擬的結(jié)果考慮，本文的方法是較為科學(xué)的模擬爆炸作用的理論，可為相關(guān)工況提供理論依據(jù)。

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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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