人防地下室抗爆性能数值模拟

任庆伟 谢 齐 白伟亮

(1.天津经济技术开发区国有资产经营公司，天津 300457； 2.中电投工程研究检测评定中心，北京 100142)



人防地下室抗爆性能数值模拟

任庆伟1谢 齐2*白伟亮2

(1.天津经济技术开发区国有资产经营公司，天津 300457； 2.中电投工程研究检测评定中心，北京 100142)

采用ANSYS/LS-DYNA软件，建立了地下室主体结构、炸药、空气和土壤的三维有限元模型，并采用流固耦合算法，得出了爆炸冲击波和等效应力在地下室主体结构和周边介质中的分布规律，指出地下室顶板在抗爆加固设计中需要着重考虑。

人防地下室，混凝土，抗爆性能，有限元模拟

0 引言

人防地下室能够在战时抵御常规武器和核武器的袭击，相比于普通地下室，在满足平时使用功能外，还需考虑战时的人防荷载[1]。根据GB 50038—2005人民防空地下室设计规范[2]，人防荷载主要指武器爆炸产生的冲击荷载，规范中按照等效静载的方法计算其对结构的影响。近年来，随着计算机数值仿真技术的发展，ANSYS/LS-DYNA，AUTODYN，ABAQUS等商业有限元软件均为爆炸冲击荷载作用下的动力响应求解提供了解决方案，能更加细致的分析结构受冲击荷载作用的复杂动力过程。张志刚[3]，张舵[4]，陆新征[5]，师燕超[6],史祥生[7]，闫秋实[8]等采用ANSYS/LS-DYNA分析了爆炸荷载作用下结构的动力响应。Zhou等[9]采用AUTODYN分析了纤维加固混凝土板在冲击荷载下的动力响应，仿真结果与实测数据较为接近。

以上学者的研究工作表明，在考虑爆炸问题非线性因素的情况下，采用有限元等数值模拟方法来求解人防地下室构件的非线性受力行为是可行的，而且具有工程实际意义。然而以上研究多针对人防地下室单个构件，对地下室整体抗爆性能的研究不够全面。因此，本文应用ANSYS/LS-DYNA，建立了人防地下室混凝土结构与周边土壤、空气及炸药的有限元计算模型，得出了地下室结构在爆炸荷载下的等效应力值分布规律。

1 人防地下室结构有限元模型建立

1.1 结构尺寸参数

本文建立的人防地下室结构的平面尺寸如图1所示。地下室为素混凝土结构，层高5 m，纵横向宽度均为5 m，顶板、底板以及边墙的厚度均为300 mm；土体域为距离地下室结构0.3 m范围内的土体，地下室上方的覆土层厚度为0.2 m；空气域位于土壤上方及地下室内部。炸药为26 kg的TNT炸药，位于空气与土壤的分界面上，其投影位于地下室顶板的中心处。

1.2 有限元模型及边界条件

本文应用ANSYS/LS-DYNA软件进行数值模拟，采用Solid164单元建立地下室主体结构、土壤、空气和炸药的有限元模型。炸药、土壤和空气三种材料为Euler网格属性[10-14]，采用多物质ALE算法；地下室主体结构为混凝土材料，设置Lagrange网格属性。计算过程采用流固耦合算法，单位制是cm-g-μs。

炸药单元的尺寸为10 cm，土壤和空气单元的尺寸为14 cm，混凝土单元的尺寸为10 cm。考虑结构的对称性，取1/2结构模型进行数值分析,有限元模型如图2所示。耦合模型的下表面为固定边界条件，侧面和对称面法向位移为0，空气上表面为自由边界条件。

1.3 材料参数

1)空气材料参数[15-17]。

如表1所示为空气材料参数，如表2所示为描述空气状态方程的系数。

表1 空气材料参数

表2 线性多项式状态方程参数

2)炸药材料参数[15-17]。

炸药采用高能炸药模型和JWL状态方程来描述，参数选取如表3和表4所示。

表3 高能炸药材料模型

表4 JWL状态方程

3)土体材料参数[15,18]。

土体材料参数选取如表5所示，该模型还定义了土压力与土体应变的关系曲线。

表5 土体材料模型

4)混凝土材料模型[15,19-23]。

人防地下室主体结构混凝土材料的强度等级为C30，选用H-J-C本构关系[15,20]，参数见表6，并定义混凝土的失效准则为主拉应力失效。

表6 混凝土的H-J-C本构模型参数值

2 结果及分析

本文对人防地下室结构的爆炸荷载效应进行了数值模拟，如不做特殊说明，均假设空气、炸药、土壤和混凝土为连续介质，整个爆炸过程为绝热过程，采用第一节中的结构及材料参数建立有限元模型，动力响应的计算时间为3 000 μs，时间步长为3 μs。

2.1 爆炸冲击波传播的数值模拟及分析

本节对爆炸冲击波在空气、土壤、混凝土(地下室主体)三种介质中的传播过程进行了数值模拟，由图3，图4可以看出：炸药瞬时爆炸后没有接触到障碍物，爆炸冲击波以一个近似于半球形的波阵面向四周扩散，爆炸点的压力随着冲击波的扩散而降低。由于有限元模型中空气层厚度有限，爆炸冲击波受到结构的限制，主要沿着与混凝土板平行的方向传播，波阵面向两侧运动，并引起相应区域土壤被压缩，人防地下室顶板混凝土碎裂严重。

2.2 地下室结构在爆炸荷载下的等效应力分布及变形规律

本节计算了人防地下室结构在爆炸荷载下的等效应力，结果如图5，图6所示。

由图5，图6可以看出，由于爆心的竖直投影落在顶板的中心点，因而顶板的中心点及其周边区域在爆炸初始阶段处于高应力状态，随着时间的增加，高应力状态区域的范围不断扩大，顶板自中心点开始向外碎裂，在1 739 μs时刻，顶板的大部分区域和两侧边墙的上端均出现碎裂现象。

取图1中地下室主体结构顶板中心线A，B，C，D点分析，各点对应的等效应力(0 μs～750 μs)如图7所示。

由图7可以看出：顶板的等效应力均随着时间增加而到达峰值，然后衰减。距离爆心投影点越近的点，达到应力峰值的时间越短，且对应的应力峰值越大，A点对应的等效应力峰值为29.47 MPa，以上数据反映了爆炸荷载作用下，地下室结构顶板的应力具有明显的波动效应。

3 结语

本文对人防地下室在地面爆炸冲击荷载作用下的动力响应进行了数值模拟研究，结果表明地下室主体结构的顶板是地面爆炸作用下的薄弱位置，其应力具有明显的波动性，顶板混凝土自中心向四周损毁严重,地下室顶板是加固设计中需要着重考虑的构件。从模拟的结果考虑，本文的方法是较为科学的模拟爆炸作用的理论，可为相关工况提供理论依据。

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The numerical simulation of antiknock performance of civil air defense basement

Ren Qingwei1Xie Qi2*Bai Weiliang2

(1.Tianjin Economic and Technological Development Zone State-Owned Asset Management Company, Tianjin 300457, China;2.CPI Engineering Research Inspection and Evaluation Center, Beijing 100142, China)

Using ANSYS/LS-DYNA software, this paper set up the three-dimensional finite element model of main structure of basement, explosives, air and soil, and using fluid solid coupling algorithm, gained the distribution law of explosive blast and equivalent stress in basement main structure and surrounding medium, pointed out that should pay attention to the basement roof in antiknock reinforcement design.

civil air defense basement, concrete, antiknock performance, finite element simulation

1009-6825(2016)34-0039-04

2016-09-25

任庆伟(1983- )，男，硕士，工程师； 白伟亮(1984- )，男，硕士，工程师

谢 齐(1988- )，女，硕士，助理工程师

TU352.1

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