爆炸沖擊下埋地管線動力響應研究綜述

張 帆 景 政 徐國富

(中國人民解放軍66139部隊，北京 100042)

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爆炸沖擊下埋地管線動力響應研究綜述

張 帆 景 政 徐國富

(中國人民解放軍66139部隊，北京 100042)

結(jié)合相關(guān)文獻資料，分析了爆炸沖擊波作用下埋地管線動力響應的研究現(xiàn)狀，并探討了該研究中的不足之處，提出了其在未來的研究方向，對防護工程軍事職能的發(fā)揮有一定的意義。

埋地管線，爆炸沖擊波，動力響應，有限元軟件

0 引言

埋地管線作為防護工程給排水系統(tǒng)的一部分，承擔著工程內(nèi)部各類用水的安全補給及廢水的排出。當常規(guī)武器在防護工程附近爆炸時，埋地管線可能受到損壞，影響防護工程軍事職能的發(fā)揮。因此，對常規(guī)武器爆炸沖擊條件下防護工程埋地管線動力響應情況進行研究，具有重要的軍事意義。我國對爆炸沖擊條件下防護工程埋地管線動力響應研究起步較晚，但也取得了一定的研究成果，本文主要對防護工程口部以外爆炸近區(qū)的埋地管線動力響應研究現(xiàn)狀與存在不足進行梳理和綜述。

1 爆炸沖擊波作用下埋地管線動力響應研究現(xiàn)狀

爆炸沖擊波對埋地管線的破壞，主要是指爆炸沖擊應力波在土介質(zhì)中傳播遇到埋地管線而引起的震動變形等破壞作用。目前研究分析管道防爆抗震的方法主要有解析法、數(shù)值法和試驗研究法。解析法簡單快捷，但結(jié)果偏于保守，而且面對復雜問題可能無法求解[1]。數(shù)值模擬應用范圍廣，結(jié)果更準確，但遇到復雜問題，計算量大，耗費機時長。采用試驗研究方法結(jié)果更科學，但一般周期較長，成本較高。因此，選擇一種科學合理的埋地管線動力響應分析方法顯得尤為重要。

2006年王飛利用有限元計算軟件LS-DYNA3D中的ALE算法[2]，首先計算了爆炸沖擊荷載下天然氣管道的破壞變形情況，其次探討了爆炸沖擊作用下天然氣管道的應力變化歷程、材料屈服、變形直至管道破壞的全過程。最后將數(shù)值計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進行了比對，結(jié)果表明：應用LS-DYNA3D中的ALE算法模擬出爆炸沖擊作用下管壁的破壞變形情況是科學可行的。與試驗結(jié)果比較可知，數(shù)值解的誤差是在工程允許的范圍內(nèi)。

2007年都的箭等人[3]利用有限元程序ANSYS/DYNA，對地下爆炸沖擊作用下埋地管線的動力響應情況進行了數(shù)值模擬，得出了正對爆心的埋地管道背面受到的軸向拉應力較大，且受力為瞬態(tài)過程的結(jié)論。后來還開展了地下爆炸作用下埋地管線動力響應試驗，在國內(nèi)首次現(xiàn)場實測了埋地管線的應力應變情況，為埋地管線的防爆抗震分析提供了試驗數(shù)據(jù)。

劉建民[4]利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，數(shù)值模擬了炸藥地面爆炸和地下爆炸兩種情形下埋地管線的動力響應情況，綜合考慮了炸藥設置方式、炸藥量、爆心距和管道管徑大小等因素的影響，并分析了這些因素對埋地管道損傷的不同程度影響。

2008年馬維[5]通過小當量爆炸實驗研究了地下管道結(jié)構(gòu)爆震效應，試驗結(jié)果表明，爆炸沖擊對埋地管線的破壞作用可分為兩種，分別為直接沖擊破壞和震動效應破壞；在爆炸沖擊作用下，管道的變形是瞬態(tài)過程，以徑向壓縮變形為主。

2009年李新平[6]通過現(xiàn)場鋼管爆破試驗，不僅對比了不同裝藥結(jié)構(gòu)、不同藥包直徑對鋼竹爆破破碎效果的影響，還綜合考慮了不同堵塞形式、堵塞長度等因素，分析了鋼竹爆破炸斷形態(tài)與裝藥結(jié)構(gòu)的關(guān)系。結(jié)果表明，藥卷凈間距越大，鋼管爆破塊度越大；兩藥包一字形連續(xù)裝藥要比單個藥包、均勻間隔裝藥的爆破效果好；鋼竹破碎長度與藥卷直徑有著很大的關(guān)系。

2009年姚安林等人[7]利用LS-DYNA3D有限元程序，建立了爆炸沖擊條件下埋地輸氣管道的計算模型。經(jīng)過計算分析，得出了管道上節(jié)點速度最大值和單元應力應變值與炸藥當量、爆心距之間的內(nèi)在關(guān)系。

2010年徐嘯[8]運用有限元軟件LS-DYNA，對地面爆炸和地下爆炸兩種情況下埋地管線動力響應進行了數(shù)值模擬。地面爆炸條件下研究了爆心距和管道是否充液對管道受力的影響，結(jié)果表明：在假設水體處于靜止狀態(tài)，忽略水流水壓以及管內(nèi)水錘影響的前提下，管道是否充水對管道受力變形趨勢和結(jié)果影響都不大，管道在充液的情況下的抗沖擊能力更強，在數(shù)值模擬時可不考慮管道是否充液。地下爆炸條件下對兩種不同土介質(zhì)中埋地管道動力響應問題進行了數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論：不同土介質(zhì)類型是影響埋地管線受力大小的重要因素，土介質(zhì)的波阻抗越小，衰減系數(shù)越大，埋地管線所受的破壞應力越小。

2014年徐國富[1]對空中爆條件下帶接頭埋地管線動力響應進行了對比試驗，得出了以下結(jié)論：在爆炸沖擊條件下，管徑突變會產(chǎn)生應力集中，接頭部位是管線系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)；接頭的厚徑比和材料類型是影響接頭部位防爆抗震性能的重要參數(shù)，接頭厚徑比越大，越利于防爆抗震，接頭材料的彈性模量越大，產(chǎn)生的軸向應變越小，越利于防爆抗震，工程設計中盡量選擇厚徑比大和彈性模量較大的接頭。

2 存在不足

從上述的研究現(xiàn)狀可知，爆炸沖擊條件下埋地管線動力響應的研究得到很多重要結(jié)論，為防護工程埋地管線的研究延伸到工程實踐提供了理論依據(jù)，但目前針對性的研究較少，有一些方面仍需要進行深入研究，主要存在以下不足：

1)在爆炸沖擊波對埋地管線動力響應研究中，許多學者未考慮管道是否充液、不同土介質(zhì)對管道受力的影響。

2)分析管道防爆抗震的方法主要有解析計算法、數(shù)值模擬方法和試驗研究法，三種方法各有優(yōu)缺點。大多學者只選用其中一種方法進行研究，綜合運用三種方法進行對比分析研究的較少。

3)目前對爆炸沖擊波作用下管線動力響應的研究主要局限在埋地直管道，而在接頭、彎頭、三通等管件受力分析方面還相對滯后，把接頭、彎頭和三通等管件與管線結(jié)合起來進行綜合分析研究的很少。

3 結(jié)語

針對爆炸沖擊條件下埋地管線動力響應問題，應當以理論探討和數(shù)值模擬為主，結(jié)合試驗研究，找出埋地管線動力響應與爆心距、是否充液、土介質(zhì)種類、接頭類型等因素的關(guān)系，總結(jié)優(yōu)選出一套爆炸沖擊條件下防護工程埋地管線動力響應情況的分析方法。

[1] 徐國富.爆炸沖擊條件下防護工程埋地管線動力響應研究[D].南京：解放軍理工大學博士學位論文，2014.

[2] 王 飛，王連來，劉廣初.爆炸荷載對天然氣管道(空管)的破壞作用研究[J]．爆破，2006，23(4):20-24.

[3] 都的箭，劉志杰，馬書廣．埋地管線在爆炸地沖擊作用下的數(shù)值模擬[J]．地下空間與工程學報，2007，3(1)：181-184.

[4] 劉建民，陳文濤．爆炸荷載下埋地管道動力響應分析研究[J]．工程爆破，2008，14(2)：20-23.

[5] 馬 維．地下管道結(jié)構(gòu)爆振效應和沖擊破壞行為實驗[J]．解放軍理工大學學報(自然科學版)，2008，9(1):39-44.

[6] 李新平.鋼管爆炸破壞的數(shù)值模擬分析與試驗研究[J]．巖土力學，2009，30(8)：5-9.

[7] 姚安林，趙師平，么惠全，等.地下爆炸對埋地輸氣管道沖擊響應的數(shù)值分析[J]．西南石油大學學報，2009，31(4)：168-172.

[8] 徐 嘯.爆炸沖擊條件下防護工程給排水管線動力響應分析[D].南京：解放軍理工大學碩士學位論文，2010.

Study on dynamic response of buried pipeline under explosive shock wave action

Zhang Fan Jing Zheng Xu Guofu

(TheChinesePeople’sLiberationArmy(PLA)No.66139,Beijing100042,China)

Combining with relevant literature, the paper analyzes dynamic response research status of buried pipeline under explosive shock wave action, explores the research defects, and puts forward its future research tendency, which has certain meaning for playing the role of protective engineering military function.

buried pipeline, explosive shock wave, dynamic response, finite element software

1009-6825(2017)14-0116-02

2017-03-08

張 帆(1980- )，男，工程師

TU990.3

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