鄔玉斌

1)中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080 2)北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所，北京 100054

近年來頻繁出現(xiàn)的恐怖爆炸和各種偶然性爆炸破壞建( 構(gòu)) 筑物事件，愈益凸顯出建筑物防爆炸災(zāi)害的重要性。發(fā)生在建筑物內(nèi)的爆炸由于處于相對(duì)封閉的環(huán)境中，爆炸產(chǎn)生的沖擊波流場(chǎng)和對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞效應(yīng)與發(fā)生在自由空氣中的爆炸情況不同，內(nèi)爆炸產(chǎn)生的工程破壞效應(yīng)、爆炸沖擊波在相對(duì)封閉空間內(nèi)的傳播特性和對(duì)結(jié)構(gòu)的作用荷載規(guī)律以及對(duì)爆炸破壞的工程防護(hù)技術(shù)是當(dāng)前國際上仍在探索研究的熱點(diǎn)問題。本文針對(duì)地下結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸破壞效應(yīng)問題，通過實(shí)際爆炸災(zāi)害事件調(diào)研、原型隧道內(nèi)爆炸試驗(yàn)結(jié)果分析和數(shù)值模擬計(jì)算三者相結(jié)合的方法進(jìn)行了深入研究，主要完成了以下工作:

(1)通過對(duì)典型恐怖爆炸破壞建筑物實(shí)例及隧道事故爆炸和隧道現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果的研究分析，總結(jié)了不同爆炸方式建(構(gòu))筑物的宏觀爆炸破壞現(xiàn)象和破壞特征，初步認(rèn)識(shí)了結(jié)構(gòu)爆炸破壞機(jī)理。分析結(jié)果表明:當(dāng)爆源較近時(shí)，結(jié)構(gòu)主要發(fā)生局部破壞，表現(xiàn)為:構(gòu)件迎爆面出現(xiàn)爆坑、材料開裂破碎、臨空背面材料層裂剝離和構(gòu)件貫穿破壞;承重構(gòu)件的爆炸破壞也可能引起建筑結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌破壞;另一方面，因內(nèi)爆炸沖擊波處于相對(duì)封閉空間中，比之自由大氣中的沖擊波不僅壓力更高，且其衰減要慢得多，是造成結(jié)構(gòu)爆炸破壞的主要因素。此外，爆炸產(chǎn)生的破片、地震動(dòng)、噪聲、毒氣灰塵、火災(zāi)等雖不至于引起結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞，但可造成人員傷亡和設(shè)備損毀。

(2)基于爆炸動(dòng)力學(xué)和動(dòng)力有限元理論，研究了爆炸沖擊波流場(chǎng)計(jì)算和結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)模擬中涉及的相關(guān)理論模型和算法問題，分析了爆炸相似定律在有限元數(shù)值計(jì)算中的適用性并給出了其成立的條件，探討了爆炸沖擊問題的有限元數(shù)值模型的網(wǎng)格劃分方法。

(3)以某原型隧道中內(nèi)爆炸試驗(yàn)為對(duì)象，以試驗(yàn)結(jié)果為參照，采用有限元數(shù)值模擬方法研究了內(nèi)爆炸對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理，研究了裝藥量、裝藥形狀、引爆位置等因素對(duì)隧道內(nèi)爆炸荷載分布的影響，對(duì)比分析了雙向開口隧道和一端帶端墻的單向開口隧道的內(nèi)爆炸沖擊波傳播規(guī)律。通過大量計(jì)算擬合給出了作用于隧道壁面上的反射沖擊波荷載峰值衰減公式:該公式考慮了爆高對(duì)反射荷載分布的影響，與以往其他經(jīng)驗(yàn)公式相比，具有更寬的適用范圍。

(4)為給城市交通盾構(gòu)隧道的爆炸災(zāi)害防護(hù)設(shè)計(jì)提供分析方法，針對(duì)以往國內(nèi)外關(guān)于盾構(gòu)隧道抗爆特性研究很少的現(xiàn)狀，建立了考慮管片-管片、管片-螺栓及管片與周圍土體界面接觸效應(yīng)的盾構(gòu)隧道內(nèi)爆炸三維有限元模型，計(jì)算分析了盾構(gòu)隧道在內(nèi)爆炸作用下的破壞機(jī)理。計(jì)算結(jié)果表明:管片接頭是盾構(gòu)隧道抗內(nèi)爆炸的薄弱部位，盾構(gòu)隧道剛度小、整體性差，其抵抗內(nèi)爆炸的能力不如整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。盾構(gòu)隧道內(nèi)爆炸破壞特征主要表現(xiàn)為爆炸近區(qū)環(huán)向管片接頭的受拉張開和縱向管片接頭的相對(duì)錯(cuò)臺(tái)，以及由此導(dǎo)致的環(huán)向螺栓受拉破壞和縱向螺栓的彎曲變形，提高連接螺栓的強(qiáng)度和延性有利于盾構(gòu)隧道的抗內(nèi)爆炸特性。

(5)針對(duì)地下建筑結(jié)構(gòu)或高層建筑地下室對(duì)爆炸災(zāi)害防護(hù)設(shè)計(jì)的需要，研究了內(nèi)爆炸沖擊波在房間墻體開口及通道中的傳播規(guī)律。在用相關(guān)模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)有限元計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分方案的正確性進(jìn)行考核后，計(jì)算分析了爆室內(nèi)爆炸荷載特性及空氣沖擊波在地下建筑物內(nèi)的傳播過程，分析了裝藥量與爆室容積比( W/V)、爆室墻面開口面積與房間容積參數(shù)V2/3比(A/V2/3)等因素對(duì)建筑內(nèi)空氣沖擊波、壁面反射波、沖量、壓力持續(xù)時(shí)間等的影響，擬合給出了由爆炸間開口向外泄露的空氣沖擊波壓力峰值衰減公式。

地下建筑;隧道;內(nèi)爆炸;破壞效應(yīng);試驗(yàn)結(jié)果;沖擊波荷載;沖擊波流場(chǎng);衰減規(guī)律