復(fù)合鋼板襯砌的抗爆防護(hù)性能研究＊

胡紅星

（中鐵三局集團(tuán)第四工程有限公司，北京 102300）

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，城市開(kāi)始涌入大量人口，一個(gè)城市人口的劇增造成了交通擁堵、綠化比例減小等問(wèn)題。地鐵的修建不僅可以緩解交通擁堵，還是促進(jìn)城市現(xiàn)代化發(fā)展的催化劑。然而，城市地鐵區(qū)間人流量大，容易成為一些不良分子開(kāi)展恐怖爆炸襲擊的地點(diǎn)。因此，保證地鐵隧道具有足夠的防爆性能，從而減少爆炸活動(dòng)引發(fā)的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失是必要的。提出一種在地鐵隧道中使用復(fù)合鋼板襯砌結(jié)構(gòu)的方法來(lái)提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和防爆效果，這對(duì)于地鐵隧道的安全建設(shè)有著重要的理論意義[1-3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)區(qū)間隧道和地鐵構(gòu)筑物的爆破防護(hù)展開(kāi)了一系列研究[4-5]，已取得了相當(dāng)可觀的成果，在考慮了地鐵隧道整體穩(wěn)定性的同時(shí)還加強(qiáng)了隧道內(nèi)特定構(gòu)件的防護(hù)能力。LIU[6]通過(guò)基于有限元法研究了地鐵區(qū)間隧道在爆炸荷載下的動(dòng)力響應(yīng)，并進(jìn)一步采用CONWEP 算法研究了爆炸荷載效應(yīng)，考慮不同巖土層的影響，分別對(duì)炸藥量、隧道埋深、土壤強(qiáng)度和剛度等因素進(jìn)行對(duì)比分析。劉楊[7]通過(guò)研究單側(cè)隧道內(nèi)發(fā)生的爆炸活動(dòng)，分析了泡沫鋁材料對(duì)隧道的抗爆防護(hù)。結(jié)果表明，泡沫鋁材料對(duì)隧道結(jié)構(gòu)有著很好的防護(hù)作用?，F(xiàn)階段，對(duì)于地下結(jié)構(gòu)抗爆防護(hù)有以下方式：在結(jié)構(gòu)表面抹涂泡沫材料（泡沫鋁[8]）；在鋼筋混凝土中應(yīng)用高強(qiáng)度碳纖維材料；在鋼筋混凝土表面使用復(fù)合材料等。但對(duì)于利用復(fù)合材料提高地鐵隧道區(qū)間抗爆防護(hù)性能的研究還不多見(jiàn)。

由于復(fù)合鋼板具有較強(qiáng)的抵抗變形能力，因此，可在地鐵隧道區(qū)間應(yīng)用復(fù)合材料來(lái)提高防爆效果，提出了一種新型的復(fù)合鋼板襯砌防護(hù)結(jié)構(gòu)。采用LS-DYNA 軟件開(kāi)展數(shù)值模擬，研究了不同當(dāng)量炸藥爆炸下，在地鐵隧道區(qū)間內(nèi)使用復(fù)合鋼板襯砌結(jié)構(gòu)后的爆炸沖擊效應(yīng)。

1 復(fù)合鋼板襯砌的結(jié)構(gòu)組成

研究表明，影響地鐵防護(hù)性能的主要因素是防護(hù)材料的結(jié)構(gòu)和材料的力學(xué)性能。通過(guò)這些研究結(jié)果可以得出：材料的抗剪、抗拉伸和抗沖擊性能是影響防護(hù)效果的關(guān)鍵因素。因此，結(jié)合已有的抗爆結(jié)構(gòu)防護(hù)形式，在地鐵隧道區(qū)間進(jìn)一步采用鋼材和新型材料并提出一種復(fù)合鋼板襯砌防護(hù)的新方法。復(fù)合鋼板通常作為防噪聲、防振動(dòng)來(lái)使用，基于其作用可延伸應(yīng)用到隧道結(jié)構(gòu)的抗爆防護(hù)之中[9]。復(fù)合鋼板是一種基于層壓鋼板而制造的隧道防護(hù)材料，主要材料包含聚酯纖維、高強(qiáng)度鋼板以及土工織物。高強(qiáng)度聚酯纖維和兩層平行鋼板共同組成了復(fù)合鋼板的襯砌結(jié)構(gòu)。其中，高強(qiáng)度聚酯纖維是采用爆炸焊接法制作，其厚度比例為2∶1∶2，位于兩層鋼板之間。這種復(fù)合鋼板襯砌的兩個(gè)顯著特性就是界面結(jié)合率和界面剪切強(qiáng)度的不同，而其界面結(jié)合率和界面剪切強(qiáng)度都已經(jīng)達(dá)到了相關(guān)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，并能滿足防護(hù)材料需要具備的抵抗拉伸和彎曲的性能以及足夠高的硬度。復(fù)合鋼板的結(jié)構(gòu)特征如圖1 所示。

圖1 復(fù)合鋼板結(jié)構(gòu)

2 復(fù)合鋼板襯砌結(jié)構(gòu)數(shù)值模型的建立

2.1 復(fù)合鋼板襯砌本構(gòu)模型的選擇

基于爆炸沖擊波在傳播過(guò)程中沖擊反射會(huì)出現(xiàn)非線性特征，并且采用普通鋼板作為防護(hù)結(jié)構(gòu)以及所提出的層壓復(fù)合鋼板的特點(diǎn)，層壓復(fù)合鋼板襯砌的模型采用雙線性彈塑性本構(gòu)模型[10]。復(fù)合鋼板的應(yīng)變率效應(yīng)可以采用Cowper-Symonds 模型來(lái)表征，其動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度可以表達(dá)為：

式（1）中：ε為應(yīng)變率；D和p為材料的應(yīng)變率參數(shù)；σ0為屈服強(qiáng)度的初始值；β為硬化參數(shù)，當(dāng)β=0 時(shí)，表明材料發(fā)生隨動(dòng)硬化，當(dāng)β=1 時(shí)，表明材料發(fā)生各向同性硬化；Ep為塑性硬化模量；為等效塑性應(yīng)變。

2.2 復(fù)合鋼板襯砌結(jié)構(gòu)模型的建立

以南京市某地鐵隧道為依托，采用LS-DYNA 軟件建立了使用復(fù)合鋼板作為地鐵襯砌防護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型。該模型處于埋深15 m 處的圓筒形盾構(gòu)隧道，隧道的襯砌厚度為0.3 m，外徑為6.0 m，內(nèi)徑為5.4 m，符合鋼板襯砌的厚度為0.1 m，數(shù)值模型結(jié)構(gòu)如圖2 所示。對(duì)于模型的數(shù)值模擬可視為軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題，因此取模型的1/2 進(jìn)行計(jì)算，為減小邊界效應(yīng)的影響，模型尺寸取36 m×36 m×15 m 的立方體。采用等效TNT 算法分別研究了10 kg 的TNT 與30 kg 的TNT 不同當(dāng)量炸藥下，距離隧道的結(jié)構(gòu)底部為1.1 m 處的點(diǎn)源爆炸效應(yīng)。

圖2 復(fù)合鋼板襯砌結(jié)構(gòu)模型

為了研究復(fù)合鋼板襯砌防護(hù)作用下爆炸沖擊效應(yīng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)10 kg 和30 kg 兩種炸藥當(dāng)量的點(diǎn)源爆炸進(jìn)行數(shù)值模擬分析，根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)在爆炸作用下的速度、加速度去衡量結(jié)構(gòu)破壞程度。模型在隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)選取了20 個(gè)參考點(diǎn)，編號(hào)分別為A1—A20，根據(jù)距爆源中心距離的不同分成了4 組截面，4 組截面離爆心截面為0 m、3 m、6 m、9 m，隧道結(jié)構(gòu)各參考點(diǎn)布置圖如圖3 所示。

圖3 隧道結(jié)構(gòu)各參考點(diǎn)布置圖

2.3 材料模型與參數(shù)

2.3.1 周?chē)馏w模型參數(shù)

在數(shù)值模擬計(jì)算中， 模型的選用是MAT-SOIL-AND-FOAM 模型。其優(yōu)勢(shì)是可以有效模擬泡沫塑料的可壓扁特性和土壤的失效特性。模型的屈服函數(shù)f可以表達(dá)為：

在數(shù)值模擬中，認(rèn)為土體遵從Drucker-Prager 屈服準(zhǔn)則。此時(shí)，土體的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ可通過(guò)下列表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算：

按照?qǐng)D1所示工藝流程及特定參數(shù)下生產(chǎn)的壓塊凈水活性炭，通過(guò)吸附等溫曲線計(jì)算出其比表面積和孔容積等參數(shù)見(jiàn)表3。

2.3.2 炸藥燃燒模型與參數(shù)

通常情況下，炸藥爆炸是瞬間發(fā)生的，其產(chǎn)生的爆炸沖擊波擁有極快的傳播速度。因此，爆炸發(fā)生時(shí)，由沖擊波傳播到藥包和介質(zhì)交界處所消耗的時(shí)間可以忽略。在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)只考慮爆炸外部反應(yīng)問(wèn)題，炸藥的相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 爆炸材料參數(shù)

采用LS-DYNA 軟件中的“*EOS-JWL”方程來(lái)描 述狀態(tài)方程。數(shù)值模擬中，可以通過(guò)JWL 狀態(tài)方程來(lái)描述爆源炸藥的動(dòng)力響應(yīng)，其壓力值可以通過(guò)體積函數(shù)來(lái)表示：

式（2）中：P為壓力；A、ω、R1、B和R2均為材料函數(shù)相關(guān)系數(shù)；V為相對(duì)體積；E0為初始內(nèi)能。

3 復(fù)合鋼板襯砌的抗爆防護(hù)效果分析

3.1 隧道結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊波下的應(yīng)力效應(yīng)

由爆炸產(chǎn)生的沖擊波在地鐵區(qū)間隧道內(nèi)的傳播規(guī)律非常復(fù)雜，因此，為了研究地鐵隧道結(jié)構(gòu)在復(fù)雜情況下的動(dòng)力特性，只考慮數(shù)值模型內(nèi)空氣的力學(xué)效應(yīng)，10 kg 的TNT 炸藥作用下與30 kg 的TNT 炸藥作用下隧道結(jié)構(gòu)不同時(shí)刻的沖擊波應(yīng)力云圖分別如圖4 和圖5 所示。由于爆炸產(chǎn)生的沖擊效應(yīng)通常在瞬間從零荷載發(fā)展為最大值荷載，并且具有用時(shí)短、頻率高的特點(diǎn)，因此，在沖擊波作用下，防爆結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變特征與爆炸波的影響速率呈正相關(guān)。

圖4 10 kg 的TNT 作用下不同時(shí)刻爆炸沖擊波應(yīng)力云圖

圖5 30 kg 的TNT 作用下不同時(shí)刻爆炸沖擊波應(yīng)力云圖

基于以上分析，取炸藥的爆炸時(shí)間為50 ms，研究10 kg 的TNT 和30 kg 的TNT 炸藥在爆炸后0～47.5 ms 范圍內(nèi)的爆炸效應(yīng)。由圖4 和圖5 顯示的應(yīng)力云圖可以看出，在沒(méi)有障礙物影響的情況下，由炸藥爆炸形成的球形波波陣進(jìn)一步向周?chē)鷤鞑?。由于爆源距離底部隧道結(jié)構(gòu)僅為1.1 m，距離較近，因此襯砌底部首先受到爆炸波的沖擊作用。此時(shí)，襯砌底部受到的壓力增加，產(chǎn)生反射波并進(jìn)一步向遠(yuǎn)處傳播，同時(shí)，在傳播過(guò)程中會(huì)存在一部分反射波繼續(xù)反射從而向下傳播。由于在爆炸波的傳播過(guò)程中會(huì)沿著相反的方向傳播一部分反射波，因此，在爆炸源截面上會(huì)出現(xiàn)多次應(yīng)力峰值，而沖擊波強(qiáng)度會(huì)隨著距離增加而持續(xù)降低。

3.2 10 kg 的TNT 爆炸作用復(fù)合鋼板襯砌的防護(hù)性能

圖6 各參考點(diǎn)y 方向速度與加速度變化曲線

此外，由于在x方向傳播的爆炸波較為復(fù)雜，因此，在不同截面各選取3 個(gè)參考點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析。這些參考點(diǎn)在x方向上的速度與加速度時(shí)程曲線如圖7 所示。由圖7 可以看出，截面1 的最大速度值為1.469 m/s、最大加速度值為489.8 m/s2，截面2 的最大速度值為0.979 m/s、最大加速度值為305.2 m/s2，截面3 的最大速度值為0.369 m/s、最大加速度值為150.9 m/s2，截面4 的最大速度值為0.254 m/s、最大加速度值為117.8 m/s2。

圖7 各參考點(diǎn)x 方向速度與加速度變化曲線

未安裝復(fù)合鋼板襯砌的隧道結(jié)構(gòu)各參考點(diǎn)x方向加速度與速度變化曲線如圖8 所示。由數(shù)模擬結(jié)果可知，在10 kg 的TNT 炸藥當(dāng)量下，安裝有復(fù)合鋼板襯砌的隧道結(jié)構(gòu)各截面參考點(diǎn)處x方向加速度和速度主峰值有明顯的減弱效果。各截面x方向最大速度由2.727 m/s、2.095 m/s、0.853 m/s 和0.676 m/s 減小到1.476 m/s、0.985 m/s、0.373 m/s 和0.252 m/s，加速度分別由857.5 m/s2、482.7 m/s2、298.6 m/s2、256.6 m/s2減小到490.5 m/s2、304.4 m/s2、151.3 m/s2和118.4 m/s2，防護(hù)效果分別為42%與50%。由此可知，復(fù)合鋼板襯砌的防護(hù)效果與爆源距離密切相關(guān)，參考點(diǎn)距離爆源越遠(yuǎn)，防護(hù)能力越強(qiáng)，說(shuō)明在距爆源中心較遠(yuǎn)處，復(fù)合鋼板襯砌可以發(fā)揮其更優(yōu)的防護(hù)能力。

圖8 各參考點(diǎn)x 方向速度與加速度變化曲線

綜上所述，在復(fù)合鋼板襯砌的防護(hù)下，速度與加速度的變化整體呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)，但是加速度減小比例稍小于速度減小比例，減小量約為40%。加速度隨著距離增大而減小，并在距離爆源3 m 處急劇減小。此外，在相同距離條件下，x方向上的速度分量要大于y方向，速度隨著距離的增大逐漸減小，最大縮小比例約為48%，具有較好的防護(hù)效果，而y方向上的速度減小量要小于x方向，說(shuō)明在x方向的防護(hù)性能要優(yōu)于y方向。

3.3 30 kg 的TNT 爆炸作用復(fù)合鋼板襯砌的防護(hù)性能

在未使用復(fù)合鋼板襯砌的條件下，繼續(xù)選取A1、A6、A11 與A16 參考點(diǎn)分析在30 kg 的TNT 炸藥當(dāng)量下的動(dòng)力響應(yīng)。這些參考點(diǎn)在y 方向上的速度與加速度時(shí)程曲線如圖9 所示。由圖9 可以看出，在y方向上，截面1 的最大速度值為24.238 m/s、最大加速度值為2 756.1 m/s2，截面2 的最大速度值為5.931 1 m/s、最大加速度值為2 201.6 m/s2，截面3 的最大速度值為2.971 m/s、最大加速度值為1 156.2 m/s2，截面4的最大速度值為1.9 4 6 m/s、最大加速度值為810.12 m/s2。

圖9 各參考點(diǎn)y 方向速度與加速度變化曲線

根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)在x方向上的受力特性，繼續(xù)選取截面上的3 個(gè)參考點(diǎn)（即圖7 中選取的截面參考點(diǎn)）進(jìn)行比對(duì)研究，各參考點(diǎn)在x方向上的速度和加速度時(shí)程曲線如圖10 所示。在x方向上，截面1 的最大速度值為4.691 m/s、最大加速度值為8 391.6 m/s2，截面2 的最大速度值為2.389 m/s、最大加速度值為1 513.2 m/s2，截面3 的最大速度值為1.769 m/s、最大加速度值為802.2 m/s2，截面4 的最大速度值為1.019 m/s、最大加速度值為512.6 m/s2。

圖10 各參考點(diǎn)x 方向速度與加速度變化曲線

各參考點(diǎn)在x方向上的速度和加速度變化曲線如圖11 所示。通過(guò)對(duì)比安裝復(fù)合鋼板襯砌和未安裝條件下的數(shù)值模擬結(jié)果，在30 kg 的TNT 炸藥當(dāng)量下，在x方向上1、2、3、4 截面處的速度峰值分別減少了21%、45%、37.5%、37.8%，而加速度峰值分別減少了40%、26%、50%、48%。

圖11 各參考點(diǎn)x 方向速度與加速度變化曲線

因此，在不同炸藥當(dāng)量條件下，復(fù)合鋼板襯砌具有相同的防護(hù)特性，但具有不同的防護(hù)效果。雖然速度和加速度的變化隨著爆源距離的增大都出現(xiàn)減弱趨勢(shì)，但是復(fù)合鋼板襯砌在30 kg 的TNT 炸藥當(dāng)量下的防護(hù)效果有所削弱，這也說(shuō)明在產(chǎn)生更強(qiáng)的爆炸沖擊效應(yīng)時(shí)，復(fù)合鋼板要承受更大的動(dòng)力效應(yīng)，其防護(hù)能力會(huì)有一定程度的降低。在較低的炸藥當(dāng)量條件下，使用復(fù)合鋼板作為襯砌結(jié)構(gòu)可以發(fā)揮更好的防護(hù)效果。

4 結(jié)論

采用LS-DYNA 軟件開(kāi)展了不同炸藥當(dāng)量下的動(dòng)力響應(yīng)分析，分別研究了爆炸沖擊波對(duì)安裝復(fù)合鋼板襯砌和未安裝情況下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，主要得到以下結(jié)論。

基于現(xiàn)有抗爆防護(hù)方法，提出了一種新型的復(fù)合鋼板襯砌防護(hù)結(jié)構(gòu)用于提高地鐵隧道的抗爆能力。該方法可以有效削弱爆炸沖擊波對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力效應(yīng)，進(jìn)一步保證隧道的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

當(dāng)在隧道內(nèi)安裝復(fù)合鋼板襯砌的情況下，隧道結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力、速度和加速度峰值在爆炸沖擊效應(yīng)下出現(xiàn)明顯降低的趨勢(shì)。在距爆源中心較遠(yuǎn)處并且在較低的炸藥當(dāng)量下，復(fù)合鋼板襯砌結(jié)構(gòu)有更好的防護(hù)能力，而較大當(dāng)量炸藥產(chǎn)生的爆炸效應(yīng)會(huì)削弱復(fù)合鋼板襯砌結(jié)構(gòu)的防護(hù)效果。

在爆炸過(guò)程中，爆炸沖擊波在爆炸初期對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較為明顯的動(dòng)力作用。由于距離和時(shí)間因素，爆炸發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的影響較大，距離爆源較近的隧道結(jié)構(gòu)會(huì)受到更大的動(dòng)力沖擊，破壞作用更強(qiáng)。然后爆炸沖擊波對(duì)隧道結(jié)構(gòu)動(dòng)力效應(yīng)隨著時(shí)間增長(zhǎng)和距離增大而迅速降低。因此，應(yīng)重點(diǎn)考慮在隧道結(jié)構(gòu)的下壁位置使用復(fù)合鋼板襯砌，進(jìn)一步提高隧道的抗爆防護(hù)能力。