地铁车站内爆炸激波传播的数值分析

胡卫胜

【摘 要】为研究地铁车站内发生化学爆炸时爆炸激波传播规律，针对典型地铁车站内结构尺寸，利用动力学软件ANASYS/Ls-Dyna14.0进行结构建模，模拟了固定装药量下TNT爆炸时车站内部爆炸激波传播过程，得到了典型地铁车站内爆炸激波超压衰减规律：冲击波初期传播态势紊乱，在传播距离20m以后，呈现平面波特点；爆炸激波在距离爆心5m以内衰减迅速，距离爆心20m以外激波超压峰值衰减缓慢。

【关键词】爆炸激波；超压规律；地铁爆炸；数值模拟

1 建立车站模型

参考天津城市地铁车站内部结构[1-3]，本文地铁车站模型参数设置如下：长度为80m，车站宽度为18m，车站的站台高度为4.8m，站台底板距离轨道地面垂直高度为1.2m，柱状结构截面为正方形，边长为0.8m，每个柱子之间横向间距为3.6m，纵向间距为7.2m，在地铁车站纵向截面的二分之一模型中排列有五个柱子，具体车站的截面尺寸如图1所示。爆炸选取4kgTNT半球形装药在地铁车站中心地面爆炸。

根据地铁车站模型的参数，在有限元软件ANSYS中构建模型，如图1所示。车站结构为空气理想气体（ideal gas），在X、Y、Z轴方向按照20cm进行网格划分，四分之一模型空气总网格数为240000个。TNT质量为4kg，密度为1.63g/cm3，半球形装药触地爆炸，计算得出建模TNT球形半径为10.5cm。由于TNT尺寸与车站模型尺寸相差悬殊，采用REMAP技术，将4kgTNT在2m范围内的一维计算结果重新映射到车站三维结构模型当中。

2 数值模拟结果及分析

车站中心炸药地面半球形装药爆炸的压力云图如图3所示。TNT质量为4kg。

从外部结构整体观察爆炸波在车站传播的过程，由图3容易看出：

在爆炸初始时刻，冲击波向四周传播的形式为球面波，如图3（1）所示，此时冲击波仅受到刚性车站底板的反射，冲击波波阵面后方形成负压区；在t=6ms时刻，冲击波到达车站顶板后发生正反射和斜反射，反射冲击波能量比入射冲击波能量增强数倍，冲击波另外一部分能量仍沿着车站横向和纵向进行传播；在t=9ms时刻，冲击波峰值到达第一个柱子，随后被柱子挡住部分能量，柱子对冲击波的能量传播有一定的削弱作用，随后冲击波接着以曲面进行传播，从整体来看柱子对冲击波的消弱作用不太明显；冲击波在到达结构侧壁然后经过反射以及铁轨处的绕射和反射之后，冲击波的传播呈现出一种紊乱的态势，但整体传播方向沿着车站结构的长度方向（即纵向传播）；在t=32ms时，冲击波在顶板附近再次出现峰值，原因主要为来自于各部分冲击波能量的叠加，其中主要有由爆炸产生的球面波、冲击波经由顶板产生的反射波以及来自于结构侧壁反射的冲击波；从冲击波传播传播到78ms以及100ms时刻压力云图可看出，此时波阵面开始以一种较为稳定的平面波沿着结构的纵向开始传播，途径区域出现大面积的负压区域。整体来看冲击波在受限地铁车站结构内随着距离的增大衰减的很明显，但初期传播态势比较紊乱。

沿地铁车站纵向（长度方向）激波压力数据如表1、表2所示，并绘制压力衰减曲线如图3、图4所示。

由图3可知，在地铁车站中心爆炸近区5m范围内，激波超压峰值衰减十分迅速，从爆心距1m到2m处，超压峰值由950.90KPa衰减到450.04KPa，衰减率约为53%，从爆心距4m到5m处，激波超压峰值由118.19KPa衰减到84.80KPa，衰减率约为29%。随着爆心距的增加，激波超压衰减率减小；从图5可得出，爆炸激波超压衰减率随爆心距离增加而减小，超压峰值曲线在爆心距达到20m以后，曲线趋于平缓，此时爆心距的大小基本不对激波超压峰值构成影响。

根据表3，结合数值模拟结果中地铁车站长度方向（Y轴）上的激波压力数据，可以得到爆炸对人员的破坏程度及相应的破坏半径：在大约距爆心5m范围以内，激波超压峰值ΔP>100KPa，该区域为人员损坏极度严重区；爆心距离在5～8m范围内，激波超压50KPa≤ΔP≤100KPa，该区域为人员损坏严重区域，具体表现为器官损伤与耳膜破裂；爆心距离约为8～10m，激波超压30KPa≤ΔP≤50KPa，该区域人员损坏中等区域，表现为轻微器官损伤，感觉较为疼痛；在爆心距离10m以外区域，为人员轻微损坏区域，感觉会有不适。

沿着地铁车站横轴方向（X轴方向），从距离爆心0.5m处设置选取点，每间隔0.5m设置一点，共设置18个选取点。所有选取点高度（Z轴方向）均为1.2m，纵向距离（Y轴）均为0m。通过数值模拟分析，在X=2m、4m、6m、8m处（Y=0，Z=1.2m），激波压力衰减曲线如图5所示。

由图5可知，激波在沿X轴线的传播规律与在沿车站Y轴方向的传播规律基本一致，在距离爆心近的区域，激波压力衰减的很快，距爆心3m以外，激波压力衰减幅度变缓。

3 结论

（1）地铁车站内发生爆炸，爆炸激波初始传播形式为球面波，随后与地面、顶板及柱体的接触作用从而发生反射与绕流，压力流场变得比较紊乱，但随着传播距离的增加，在车站长度方向20m以后，激波传播呈现为平面波的特点。

（2）地铁车站内爆炸激波在爆炸近区5m内衰减十分迅速，距爆心5m以外，爆炸激波超压峰值衰减率会随着爆心距增加而减小，超压峰值曲线在爆心距达到20m以后，曲线趋于平缓，此时爆心距离对激波超压峰值的影响较弱。

（3）在地铁长度方向，根据激波超压衰减曲线，划分出爆炸激波对人员损伤区域范围：爆心距离为5m以内的区域，为人员死亡区；爆心距离为5～8m的区域，为人员损伤严重区；爆心距离约为8～10m的区域，为人员损伤中等区；在爆心距离10m以外区域，为人员轻微损伤区。

【参考文献】

[1]英秀玲.天津地铁和平路站设计方案研究[J].铁道勘察，2004，30（6）：59-61.

[2]朱敢平.天津地铁1、2、3号线设计[J].世界轨道交通，2004（7）：33-35.

[3]刘洪.天津地铁规划要点[J].天津市政工程，1998，10（3）：45-48.

[责任编辑：王楠]