地铁隧道复合钢板衬砌防护结构爆炸冲击反应特性研究

作     者：宋城 

作者单位：山东科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孔德森

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：复合钢板 隧道 爆炸防护 冲击反应 动态响应 

摘      要：地铁系统作为一座城市重要的交通设施,以其污染小、噪音低、节约地面空间的优点在世界范围内得到大力追捧。近年来,地铁区间隧道防护方法得到大力研究发展,在国内掀起一轮地铁修建的热潮。由此,地铁结构的安全防护成为一个迫切需要解决的问题。地铁隧道在给人们带来巨大交通便利的同时,也存在一定的安全隐患,由于地铁空间密闭、通风条件差、人群密集,一旦发生恐怖爆炸活动,往往会造成巨大的人员伤亡和重大经济损失。其中,复合钢板以其可以吸收冲击波且有较高的剪切强度的优点在隧道抗爆防护方面有较强的适用性。已知的防护方法中,各防护方法在这两个防护方面未有较为理想的结果,因此,提出了利用复合钢板防护爆炸冲击波的新型防护方法,对研究地铁区间隧道的抗爆防护办法具有重要的意义。主要的研究工作和结果包括以下几个方面:(1)为准确分析爆炸荷载作用下,复合钢板的防护效果,结合南京地铁工况,利用流体动力学中的关键知识点和爆炸力学的相关知识,通过动力学分析软件LS-DYNA建立防护钢板衬砌结构地铁区间隧道爆炸冲击数值模型,即炸药-空气-复合钢板-衬砌-周围土体的三维数值模型,并采用ALE方法和流固耦合算法,模拟了安装有复合钢板地铁区间隧道发生爆炸时的瞬间动态响应。(2)研究了安装有复合钢板的地铁区间隧道内爆炸冲击波的传播规律,分别计算分析了 1Okg TNT和30kgTNT爆炸当量下,在安装有复合钢板防护结构的地铁区间隧道中,爆炸冲击波的反射叠加以及衰减规律,并与未安装防护结构的爆炸冲击波的传播规律进行了对比分析,结果显示在复合钢板防护作用下,爆炸冲击波的峰值会略有上升,但幅度很小,爆炸冲击波的传播规律与未安装复合钢板的工况下类似,未有较大变化。(3)重点分析了在复合钢板防护作用,为得到对地铁区间隧道衬砌结构的受力特性的影响(截面处的位移、速度、加速度和应力),对距离底部衬砌1.1m的10kg TNT和30kgTNT炸药爆炸进行了动态响应分析。通过与未安装复合钢板数值模型计算结果对比可知,随着距离的增加,各点的压力可以有多次峰值并迅速衰减。在复合钢板的防护作用下,各点的速度和加速度有明显的降低,有很好的防护效果。并通过10kg TNT炸药和30kgTNT炸药两种爆炸当量下衬砌截面的位移、速度、加速度和应力变化规律结果分析,验证了安装有复合钢板的隧道衬砌结构在不同炸药当量下的防护性能。