爆炸沖擊下水底隧道的動態(tài)響應(yīng)及毀傷模式研究

楊廣棟， 王高輝， 李 麒， 陸春華， 盧文波， 周俊汝， 趙金帥

(1. 三峽大學(xué) 湖北省水電工程施工與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002；2. 武漢大學(xué) 水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072； 3. 長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢 430010；4. 江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

為了緩解城市交通擁堵，促進(jìn)城市間的相互協(xié)調(diào)發(fā)展，我國已建或在建一批重要的水底隧道，如圖1(a)所示。如港珠澳大橋，是我國境內(nèi)一座連接香港、珠海和澳門的橋隧工程，包含了6.7 km長的海底隧道，該海底隧道是國內(nèi)首個(gè)海底沉管隧道，如圖1(b)所示。港珠澳大橋是國家重器，其建設(shè)創(chuàng)下了多項(xiàng)世界之最，體現(xiàn)了我國的綜合國力、自主創(chuàng)新能力以及勇創(chuàng)世界一流的民族志氣。除此之外，還有廣州珠江隧道，是我國大陸首次采用沉管法設(shè)計(jì)施工的大型水底隧道；目前正在論證的大連至煙臺海底隧道，一旦建成，大連至煙臺的通行時(shí)間將縮短至40 min，對東北的全面振興、全方位振興將發(fā)揮重要的推動作用，如圖1(c)所示。

圖1 水底隧道Fig.1 Underwater tunnel

水底隧道帶來巨大益處的同時(shí)，也面臨著越來越嚴(yán)酷的爆炸威脅。像生活生產(chǎn)中的一些意外爆炸，如易燃易爆品運(yùn)輸工具的爆炸(長江航道輪船意外爆炸，如圖2(a)所示；山西晉濟(jì)高速隧道爆炸，如圖2(b)所示，戰(zhàn)時(shí)遺留未爆炸彈的爆炸(長江打撈出二戰(zhàn)期間遺留炸彈，如圖2(c)所示等。還有越來越復(fù)雜的國際局勢，使發(fā)生局部沖突和恐怖襲擊的風(fēng)險(xiǎn)增大。一旦結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，外部的水體將直接涌入隧道內(nèi)部，給人員、車輛及設(shè)備等造成致命的打擊。目前關(guān)于爆炸荷載作用下，隧道結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)研究主要集中在地表爆炸荷載或內(nèi)部爆炸荷載[1-5]。如：Stolz等[6]采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了內(nèi)部爆炸荷載作用下隧道結(jié)構(gòu)的抗爆性能；Kristoffersen等[7]研究了內(nèi)部爆炸荷載作用下不同斷面水下隧道的毀傷分布特征；趙躍堂等[8]分析了內(nèi)爆條件下管片襯砌結(jié)構(gòu)的變形和破壞規(guī)律，提出了一種在接頭螺栓處添加柔性墊圈來降低與螺栓接觸區(qū)域管片破壞程度的方法；章毅等[9]研究了地表炸藥庫爆炸對地鐵隧道安全運(yùn)行的影響；Mussa等[10]采用ALE(arbitrary lagrange euler)方法研究了不同當(dāng)量地表爆炸荷載下箱型隧道的抗爆性能。

圖2 隧道結(jié)構(gòu)可能遭受的爆炸荷載Fig.2 Potential blast loads act on the tunnel

對于水下爆炸作用下結(jié)構(gòu)的破壞特性研究主要集中在混凝土板柱、大壩、碼頭及船舶等結(jié)構(gòu)。如：Yang等[11]研究了不同截面的鋼筋混凝土柱在水下近場爆炸荷載作用下的損傷特性和動力響應(yīng)；閆秋實(shí)等[12]討論了水中近場爆炸作用下鋼筋混凝土樁的毀傷效應(yīng)；Zhao等[13-14]采用現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，研究了水下接觸爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板結(jié)構(gòu)的毀傷分布特性；王高輝等[15-16]研究了水下爆炸沖擊荷載下混凝土重力壩的破壞效應(yīng)，分析了起爆距離、炸藥當(dāng)量、起爆深度、水深等因素對大壩毀傷分布特征的影響；李凌鋒等[17]開展了不同爆炸荷載條件下沉箱重力式碼頭模型毀傷效應(yīng)試驗(yàn)，得到了沉箱重力式碼頭模型在空中爆炸、水下爆炸以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部爆炸后的毀傷模式；任鵬等[18]利用水下爆炸沖擊波等效加載裝置結(jié)合高速攝影技術(shù)，對鋁合金圓板進(jìn)行了水下沖擊波加載試驗(yàn)，得到了氣背固支圓板塑性大變形、中心拉伸撕裂和邊界剪切破壞3種典型失效模式的動態(tài)響應(yīng)歷程；Ming等[19]采用SPH-FEM(smoothed particle hydrodynamics-finite element method)耦合的方法研究了水下接觸爆炸沖擊波對艦船結(jié)構(gòu)的損傷特性。但關(guān)于水下爆炸荷載作用下水底隧道的動力響應(yīng)及毀傷模式研究成果較少。

以某無覆蓋層水底隧道為研究對象，通過構(gòu)建水下爆炸全耦合模型，分析了水下爆炸荷載作用下水底隧道的毀傷發(fā)展過程；討論了起爆距離及炸藥當(dāng)量對水底隧道毀傷模式的影響；得到了水下爆炸荷載作用下水底隧道的動力響應(yīng)特性、毀傷機(jī)制及毀傷模式，可為水底隧道的抗爆設(shè)計(jì)和防護(hù)提供參考。

1 材料模型

1.1 混凝土

采用RHT(riedel-hiermaier-thoma)模型模擬混凝土結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下的損傷發(fā)展過程。該模型除了具有壓力依賴性、應(yīng)變速率敏感性和壓縮損傷軟化等特點(diǎn)外，同時(shí)引入了偏應(yīng)力張量第三不變量對破壞面形狀的影響，考慮了拉靜水區(qū)和壓靜水區(qū)應(yīng)變率敏感性的差異性。該模型中采用了彈性極限面、失效面及殘余強(qiáng)度面作為3個(gè)控制破壞面以描述混凝土材料的初始屈服強(qiáng)度、失效強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度，混凝土相關(guān)參數(shù)如表1所示[20-22]。

表1 混凝土RHT模型參數(shù)

RHT模型失效面方程為

(1)

(2)

RHT本構(gòu)模型的損傷定義為

D=∑(Δεp/εp,failure)

(3)

(4)

式中：D1，D2為損傷常數(shù)；εp,failure為失效應(yīng)變；εf,min為最小失效應(yīng)變。

1.2 炸 藥

采用JWL狀態(tài)方程描述爆炸中化學(xué)能產(chǎn)生的壓力[23]

(5)

式中：P為爆轟壓力；V為炸藥爆轟產(chǎn)物的相對體積；E0=6.0 GJ/m3，ρ=1 630 kg/m3，D=6 930 m/s，Pcj=21 GPa，A1=373.77 GPa，B1=3.75 GPa，R1=4.15，R2=0.90，ω=0.35均為材料常數(shù)。

1.3 水

對于水體采用Polynomial狀態(tài)方程[24]。

當(dāng)水壓縮時(shí)(μ>0)，狀態(tài)方程為

P=A1μ+A2μ2+A3μ3+(B0+B1μ)p0e

(6)

當(dāng)水膨脹時(shí)(μ﹤0)，狀態(tài)方程為

P=T1μ+T2μ2+B0p0e

(7)

式中：P為水中壓力；μ為壓縮比，μ=ρ/ρ0-1；e為水的內(nèi)能；ρ0為水密度，取1 g/cm3；A1=T1=2.2×106kPa；A2=9.54×106kPa；A3=1.46×106kPa；B0=B1=0.28；T2=0。

1.4 空 氣

空氣采用Ideal Gas狀態(tài)方程

(9)

式中：ρ0為空氣初始密度，取1.225 kg/m3；E為空氣初始內(nèi)能；γ為材料常數(shù)，取1.4。

1.5 鋼 筋

在爆炸荷載作用下，需考慮應(yīng)變硬化、應(yīng)變率硬化等對鋼筋性能的影響。采用Johnson-Cook模型描述鋼筋的動力特性，該模型將屈服應(yīng)力[25]定義為

(9)

TH=(T-Troom)/(Tmelt-Troom)

(10)

表2 鋼筋材料參數(shù)表

2 爆炸耦合模型及模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證爆炸荷載作用下鋼筋混凝土材料模型及耦合計(jì)算方法的可靠性，對鋼筋混凝土板空中接觸爆炸試驗(yàn)進(jìn)行模擬再現(xiàn)，如圖3(a)所示。理想的方法是利用水下爆炸荷載作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來校準(zhǔn)數(shù)值模型。然而，公開的文獻(xiàn)中關(guān)于水下爆炸荷載下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少。同時(shí)對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)水下爆炸試驗(yàn)很難在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。但本文采用的流固耦合計(jì)算方法及鋼筋混凝土材料模型都是與空中爆炸試驗(yàn)一致的。因此，基于空中爆炸試驗(yàn)數(shù)據(jù)校正后的數(shù)值模型可以用于模擬水下爆炸荷載作用下的隧道響應(yīng)。該試驗(yàn)中采用的鋼筋混凝土板的尺寸為1 000 mm×500 mm×60 mm。炸藥TNT當(dāng)量為210 g，縱向鋼筋和橫向鋼筋的直徑均為6 mm，如圖3(b)所示?；炷量箟簭?qiáng)度為38 MPa，鋼筋的屈服強(qiáng)度為400 MPa，彈性模量為210 GPa。

基于Lagrange-Euler耦合方法建立了混凝土板空中接觸爆炸試驗(yàn)數(shù)值模型，如圖3(c)所示。炸藥和空氣均采用Euler單元，混凝土材料使用Lagrange單元，鋼筋采用Beam單元。采用流固耦合的方法描述空氣與混凝土材料之間的相互作用，鋼筋與混凝土材料之間的相互作用通過節(jié)點(diǎn)固接的形式實(shí)現(xiàn)?？諝獾挠?jì)算域取1.2 m×0.8 m×0.8 m，混凝土板的網(wǎng)格總數(shù)為240 000，空氣和TNT炸藥的網(wǎng)格數(shù)為768 000。

圖3 鋼筋混凝土板爆炸試驗(yàn)布置圖Fig.3 Explosion test of reinforced concrete slab

圖4給出了數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果的對比。由圖4可以看出，空中接觸爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板呈現(xiàn)典型的沖切破壞模式。數(shù)值計(jì)算的混凝土板正面破碎區(qū)直徑和背面剝落區(qū)直徑分別為20 cm和29 cm，與試驗(yàn)結(jié)果的18 cm和32 cm非常接近。數(shù)值計(jì)算的混凝土板正面和背面的損傷分布與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果均吻合較好，說明采用的耦合計(jì)算方法及材料模型可以較好地描述爆炸沖擊荷載作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特性。

圖4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果對比圖Fig.4 Comparison of the numerical and experimental results

3 爆炸荷載作用下隧道的動力特性分析

3.1 水底隧道全耦合數(shù)值模型

選取某水底隧道典型的斷面為研究對象，該段隧道寬33.8 m，高8.4 m，頂部最大水深8.0 m。頂板厚1.1 m，側(cè)墻厚0.85 m，中墻厚0.6 m，底板厚1.2 m，如圖5所示。單向通道寬13.9 m，中間布置3.2 m寬的維修及安全通道。數(shù)值模型的長度選擇為20 m，如圖5(b)所示?；炷敛牧系目箟簭?qiáng)度和抗剪模量分別為40 MPa和16.7 GPa，其他材料參數(shù)見表1。鋼筋布置采用雙向雙層的方式，鋼筋直徑為28 mm，間距為200 mm，如圖5(c)所示。鋼筋的彈性模量和屈服強(qiáng)度分別為200 GPa和400 MPa。

圖5 水底隧道模型布置圖(m)Fig.5 Geometry of the underwater tunnel (m)

該數(shù)值模型由空氣、水、鋼筋混凝土隧道、地基和TNT炸藥組成。為了簡化數(shù)值模型，地基采用線彈性材料模擬(彈性模量為20 GPa，泊松比為0.25)。由于爆炸荷載主要作用在隧道的頂板，隧道周圍飽和土對其動力響應(yīng)影響較小；同時(shí)，飽和土的力學(xué)性質(zhì)與流體非常相似，因此將隧道兩側(cè)的飽和土體簡化成水體。

采用Lagrange方法模擬隧道和地基，采用Euler網(wǎng)格對空氣、水和TNT炸藥進(jìn)行模擬，采用Beam單元對鋼筋進(jìn)行網(wǎng)格劃分?；炷敛牧霞颁摻畹木W(wǎng)格大小均為150 mm，假設(shè)鋼筋與混凝土連接良好且無相對滑移。在炸藥中心位置，網(wǎng)格大小約為100 mm，隨著距爆源距離的增大，網(wǎng)格尺寸逐漸增大。該數(shù)值模型由425 200個(gè)Lagrange單元和1 296 000個(gè)Euler單元組成。在Euler計(jì)算域的外圍施加無反射邊界，以減小沖擊波在計(jì)算邊界處的反射；在地基的底面及側(cè)面施加透射邊界，允許應(yīng)力波自由傳播；在地基的底面施加固定約束。

對于起爆距離較近的情況，炸藥爆炸后猛烈的沖擊荷載直接作用于結(jié)構(gòu)迎爆面，導(dǎo)致隧道頂部可能出現(xiàn)壓縮、沖切及剝落等破壞，結(jié)構(gòu)以局部破壞為主。相對于幾十甚至上百兆帕的沖擊荷載，靜荷載對其局部破壞模式影響有限。對于整體破壞模式，結(jié)構(gòu)以整體彎曲破壞為主，通過對比分析發(fā)現(xiàn)，初始靜荷載對爆炸荷載作用下隧道結(jié)構(gòu)的破壞模式影響有限，但考慮初始靜荷載后，隧道的整體變形略有增大。為了提高計(jì)算效率，本文暫時(shí)未考慮靜力荷載的作用。

3.2 爆炸荷載作用下水底隧道的毀傷特性

圖6為水下爆炸荷載作用下隧道的毀傷發(fā)展過程，炸藥當(dāng)量為40 kg，起爆距離為2.0 m。炸藥起爆之后，近似球形的沖擊波向外發(fā)散傳播；在t=3.5 ms左右，隧道頂板內(nèi)的應(yīng)力波傳至頂板背面，產(chǎn)生的反射拉應(yīng)力超過了混凝土的動態(tài)抗拉強(qiáng)度，隧道頂板背面出現(xiàn)了剝落破壞(見圖6(a))；在t=7 ms時(shí)，隧道頂板的剝落損傷進(jìn)一步發(fā)展；由于爆炸壓力在水中的衰減速度比在空氣中要慢，因此隧道頂面會承受更大的分布荷載，導(dǎo)致隧道頂部出現(xiàn)整體彎曲變形。在t=15 ms時(shí)，由于頂板整體彎曲變形導(dǎo)致頂板與邊墻和中墻的交界處出現(xiàn)受拉損傷，如圖6(c)所示；隨著時(shí)間的推移，拉伸損傷區(qū)進(jìn)一步發(fā)展，如圖6(d)所示；在t=50 ms時(shí)，隧道的毀傷發(fā)展基本停止。如圖6(e)、圖6(f)所示，隧道頂板與邊墻及中墻交界處的裂縫發(fā)育完全，跨中沿軸線方向也出現(xiàn)了嚴(yán)重的彎曲破壞。

圖6 水下爆炸荷載作用下隧道毀傷發(fā)展過程 (40 kg, 2.0 m)Fig.6 Damage evolution of underwater tunnel subjected to blast loads (40 kg, 2.0 m)

圖7為作用于隧道頂面的壓力峰值分布圖?？梢钥闯觯?dāng)起爆距離為2.0 m時(shí)，作用在隧道上的爆炸荷載分布極不均勻；作用在隧道的爆炸荷載峰值壓力超過了70 MPa。由于應(yīng)變率和流固耦合效應(yīng)的影響，隧道頂面沒有出現(xiàn)明顯的壓碎區(qū)，但隧道頂板背面出現(xiàn)了嚴(yán)重的剝落破壞(見圖6(f))。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)離爆源的隧道頂面壓力峰值也達(dá)到了5 MPa。因此，當(dāng)炸藥當(dāng)量為40 kg、起爆距離為2.0 m時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)整體的彎曲破壞和局部的剝落破壞。

圖7 隧道頂面壓力峰值分布圖 (40 kg, 2.0 m)Fig.7 Distribution of peak pressure (40 kg, 2.0 m)

4 爆炸荷載作用下水底隧道的破壞模式

4.1 起爆距離對水底隧道破壞特征的影響

由上述分析可知，當(dāng)炸藥TNT當(dāng)量為40 kg、起爆距離為2.0 m時(shí)，水底隧道的破壞模式為整體彎曲破壞伴隨著正對爆源的局部剝落破壞。進(jìn)一步分析了當(dāng)起爆距離較小(起爆距離小于2.0 m)或者較大(起爆距離大于2.0 m)的情況下，隧道結(jié)構(gòu)的毀傷模式。

圖8給出了起爆距離為1.0 m、炸藥當(dāng)量為5 kg時(shí)，隧道的毀傷發(fā)展過程。對于近距離水下爆炸荷載，當(dāng)炸藥當(dāng)量較小時(shí)，僅在炸藥正下方的混凝土產(chǎn)生剝落破壞，結(jié)構(gòu)整體變形較小。但隧道頂板的剝落破壞會產(chǎn)生高速的破片，可能會造成隧道內(nèi)部的人員傷亡。一旦開裂區(qū)域貫通，外部的水體將倒灌入隧道，雖然沒有發(fā)生整體的坍塌，但是貫穿的通道不易修補(bǔ)，且透水對隧道內(nèi)的車輛及人員安全也將構(gòu)成巨大威脅。

圖8 水下爆炸荷載作用下隧道毀傷發(fā)展過程 (5 kg, 1.0 m)Fig.8 Damage evolution of underwater tunnel subjected to blast loads (5 kg, 1.0 m)

對于接觸或小距離爆炸情況，水底隧道的局部破壞機(jī)制如圖9所示。炸藥起爆之后，爆炸沖擊波首先壓縮最近的混凝土材料，當(dāng)混凝土內(nèi)應(yīng)力超過其動態(tài)抗壓強(qiáng)度時(shí)，隧道頂部將出現(xiàn)壓碎區(qū)；傳入頂板的壓縮波遇到臨空面后將反射生成拉伸波，若反射拉應(yīng)力超過混凝土的動抗拉強(qiáng)度，頂板背面將產(chǎn)生剝落破壞。除了爆炸沖擊波的作用之外，爆轟產(chǎn)物將與結(jié)構(gòu)面相互作用，由于壁面反射及流固耦合相互作用，在水體與隧道頂面交界處還將發(fā)生空化現(xiàn)象。

圖9 接觸或近場爆炸荷載作用下隧道結(jié)構(gòu)的局部毀傷機(jī)制Fig.9 Local damage mechanism of the tunnel under contact or close-in blast loads

圖10為40 kg當(dāng)量TNT、爆炸距離為4.0 m時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)的毀傷發(fā)展過程。在t=10 ms時(shí)，由于拉應(yīng)力的作用，頂板背面出現(xiàn)了輕微的損傷(見圖10(a))；隨著時(shí)間的推移，在頂板跨中出現(xiàn)了拉破壞；同時(shí)，頂板與墻體交界處的混凝土產(chǎn)生了拉損傷，如圖10(b)所示。圖10(e)和圖10(f)為隧道的最終破壞形態(tài)，由于頂板產(chǎn)生向下彎曲變形，導(dǎo)致三個(gè)不同位置出現(xiàn)破壞，分別為頂板與邊墻交界處、頂板與中墻交界處以及頂板跨中。可以看出，當(dāng)起爆距離增加到4.0 m時(shí)，隧道呈現(xiàn)整體彎曲的破壞模式，但未發(fā)生明顯的局部剝落破壞。

圖10 水下爆炸荷載作用下隧道毀傷發(fā)展過程 (40 kg, 4.0 m)Fig.10 Damage evolution of the underwater tunnel subjected to blast loads (40 kg, 4.0 m)

圖11為不同起爆距離下隧道頂板的變形對比圖，炸藥當(dāng)量為40 kg，起爆距離分別為2.0 m和4.0 m。兩種起爆距離下的變形分布規(guī)律非常相似；隨著起爆距離的增大，頂板的響應(yīng)逐漸減??；當(dāng)距離從2.0 m增大至4.0 m時(shí)，隧道頂板最大位移由240 mm降至155 mm。原因之一是隨著爆炸距離的增加，作用在頂部的壓力載荷變?。涣硪粋€(gè)原因是更多的爆炸能量將從自由水面消散。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，隨著起爆距離的增大，隧道頂板的位移沿軸向變化更加平緩，也說明了隨著起爆距離的增大，結(jié)構(gòu)逐漸趨向于整體變形。

圖11 不同起爆距離條件下隧道頂板的變形圖Fig.11 Deformations of the tunnel with different explosion distances

圖12為起爆距離較大時(shí)，水底隧道的整體毀傷機(jī)制。對于起爆距離較大情況下，傳至隧道頂面的沖擊波強(qiáng)度較小，因此頂板的壓碎區(qū)可能較?。坏捎诨炷恋目估瓘?qiáng)度很低，頂板背面可能會出現(xiàn)剝落損傷；同時(shí)，作用在隧道頂板的分布荷載較大，導(dǎo)致頂板發(fā)生整體的彎曲破壞，頂板與邊墻及中墻的交界處可能出現(xiàn)拉裂。

圖12 水下爆炸荷載作用下隧道的整體毀傷機(jī)制Fig.12 The global damage mechanism of the tunnel subjected to underwater explosions

4.2 水下爆炸荷載作用下水底隧道的破壞模式

上述分析結(jié)果表明：不同起爆距離下水底隧道的破壞模式是完全不同的。起爆距離較小時(shí)，隧道呈現(xiàn)局部破壞模式，整體變形較??；當(dāng)起爆距離較大時(shí)，隧道呈現(xiàn)整體彎曲的破壞模式。為了進(jìn)一步探討不同水下爆炸荷載作用下隧道的毀傷模式，研究了不同起爆距離、不同炸藥當(dāng)量作用下水底隧道的毀傷分布特征。

圖13給出了該水底隧道在不同水下爆炸荷載作用下典型的破壞形態(tài)。根據(jù)該隧道的破壞特征，可將其破壞模式分為三類：①局部沖切(剝落)破壞；②整體彎曲破壞伴隨著局部剝落破壞；③整體彎曲破壞。如圖13(a)所示，當(dāng)起爆距離小于2.0 m時(shí)，該水底隧道呈現(xiàn)局部沖孔或剝落破壞模式，整體變形可以忽略不計(jì)；當(dāng)起爆距離為2.0～4.0 m，隧道呈現(xiàn)整體彎曲破壞，伴隨著局部剝落(沖切)破壞，如圖13(b)、圖13(c)所示；當(dāng)起爆距離超過4.0 m，隧道以整體彎曲破壞為主，其毀傷分布如圖13(d)、圖13(e)所示。

圖13 水下爆炸荷載作用下水底隧道的毀傷模式Fig.13 Failure patterns of the underwater tunnel subjected to blast loads

5 結(jié) 論

基于Lagrange-Euler全耦合方法建立了水底隧道水下爆炸全耦合模型，研究了水下爆炸荷載作用下隧道的損傷發(fā)展過程及其損傷分布特征，給出了水下爆炸沖擊荷載作用下水底隧道的毀傷機(jī)理及毀傷模式。主要得到以下結(jié)論：

(1)數(shù)值模擬的混凝土板損傷分布特征與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說明采用的Lagrange-Euler耦合計(jì)算方法及材料模型能夠有效地預(yù)測爆炸荷載作用下混凝土結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。

(2)水下爆炸沖擊荷載作用下水底隧道的毀傷機(jī)制主要包括頂板迎爆面的爆炸壓縮破壞、頂板背面的反射拉伸破壞以及整體彎曲破壞等。

(3)水下爆炸荷載作用下該水底隧道的破壞模式可以分為三類：當(dāng)起爆距離小于2.0 m時(shí)，隧道呈現(xiàn)局部沖孔或剝落破壞模式；當(dāng)起爆距離為2.0～4.0 m，隧道呈現(xiàn)整體彎曲破壞，伴隨著局部剝落(沖切)破壞；當(dāng)起爆距離超過4.0 m，隧道表現(xiàn)為整體彎曲破壞。