地下结构在内爆炸作用下的动力响应研究综述

钟春玲 杨松强

（吉林建筑大学土木工程学院， 吉林 长春 130118）

0 引言

在我国经济高速发展的同时，建筑行业也在不断发展，各式各样的建筑结构应运而生。而建筑结构一旦发生爆炸，后果不堪设想。地下结构诸如隧道，地铁车站，地下燃气管道等由于埋在地下，其爆炸造成的破坏尤为明显。因此很有必要对建筑结构的抗爆性能进行研究。

1 地下结构抗爆有限元模拟研究现状

1.1 数值分析软件

关于地下结构在爆炸冲击荷载作用下的动力响应，其结构耦合模型，会涉及到炸药、空气、土体、混凝土、钢筋等各种材料，不同材料的本构模型也大致不同。炸药和空气多采用Euler、ALE等模拟，结构采用Lagrange模拟，土体则采用D-P模型，混凝土多采用实体Solid单元。

张茜[1]和何伟[2]都运用LS-DYNA动力有限元分析软件，模拟了地下结构在爆炸荷载作用下的动力响应。其中，刚体采用Laguage算法，炸药和空气采用Euler、ALE等算法，混凝土采用Solid单元，刚体与流体之间通过流固耦合处理其相互作用。

王宁，宋红玉等人[3]运用AUTODYN软件，模拟了地下结构在近地面爆炸荷载作用下的动态响应全过程。炸药采用SPH算法，地下结构采用FEM算法，通过耦合的方式进行传递。土体采用D-P准则，混凝土采用RHT模型，钢筋采用John-Cook模型。

田力等人[4]运用ABAQUS有限元软件，进行了地下框架结构在内爆炸荷载作用下的动力响应模拟分析。

1.2 炸药当量

在进行结构的爆炸模拟时，往往要考虑炸药当量的影响，不同的炸药当量，对结构造成的破坏程度也不一样。罗晋生，王勇等人[5]研究了地铁隧道在爆炸荷载作用下的破坏情况，结果表明：在距地面1.5m处，隧道承受100kg当量的炸药是安全的；当炸药当量提高到300kg时，隧道底部中央和顶部可能出现局部微裂纹。

曲树盛等人[6]研究了地铁车站在内爆炸作用下的动力响应，结果表明：当车站遭受20kgTNT当量的爆炸时，站台板破坏最严重，柱和中板产生局部裂缝，当TNT当量小于5kg时，将不会对结构产生破坏。

张茜[1]模拟了地下爆炸荷载作用下，当TNT当量从104.3kg减少到53.4kg，再减少到22.5kg时，地下结构上单元应力、应变以及速度的峰值均呈衰减趋势。

马立秋，张建民等人[7]采用黑火药，模拟结构在爆炸荷载作用下的动力响应，结果表明，炸药当量越大，结构物的应变响应也越大。

1.3 结构埋深

张茜[1]模拟在地面爆炸荷载作用下，当结构埋深从1.0m增加到1.24m，再增加到1.48m时，地下结构上单元的应力、应变以及速度的峰值都在不断减小。

封新华[8]通过建立地下结构的三维模型，对埋深分别为7m和9m地下结构在内爆炸荷载作用下的倒塌过程进行了分析，结果表明，地下结构的埋深越深，其倒塌速度越快。

牟杰，张金锋等人[9]对城市地下燃气管道进行了三维有限元模拟，给出了五种埋深模拟工况，分别为 0.6m、0.8m、1.0m、1.2m、1.4m，结果表明，随着埋深的增加，在空气中形成的伤害破坏范围减小。

Liu[10]等人以纽约市区的地铁为依托，模拟了研究了地铁隧道衬砌在发生爆炸时的抗爆性能。结果表明，隧道埋深明显影响了衬砌的最大应力，在埋深较小时，应力明显增大，在中度爆炸荷载下可能发生严重破坏。

1.4 爆源位置

蒋巧英[11]研究了地下结构的内爆炸荷载分布，研究发现，当爆源位置处于梁板正下方时，梁板附近冲量值变化较大。当炸药沿高度变化时，梁板附近冲量值随爆源位置距构件距离的增大而增大。当炸药沿水平移动时，梁板表面的超压峰值基本不随爆源位置的变化而变化。

田志敏等人[12]研究了隧道内爆炸的荷载分布，结果表明，当隧道距爆源位置小于1倍隧道直径时，隧道衬砌破坏的危险性较大。在距隧道距爆源位置约5倍隧道直径时，同截面各处压力峰值基本相同。

1.5 配筋率

夏谦[13]研究了隧道内爆炸作用下的衬砌抗爆性能，结果表明，钢混衬砌比素混凝土衬砌具有更好的抗爆性能，且在一定范围内，结构配筋率越大，抗爆性能越好。

胡坚尉[14]模拟了爆炸对建筑结构的影响，结果表明，少筋构件破坏明显且速度较快。适筋构件破坏时，钢筋在屈服边缘，混凝土也正好压碎，符合一般结构的破坏规律。超筋构件混凝土破坏程度最小，但由于钢筋较多，钢筋尚未屈服，混凝土就已经被压碎，是一种不合理的形式。

2 当前研究存在的不足之处

（1）数值模拟软件作为一种近似的计算方法，用来分析地下结构的抗爆性能，需要进行爆炸试验来验证，而由于爆炸试验所需条件受限，因此数值模拟计算结果往往缺乏说服力。

（2）爆炸是一种在短时间内释放大量热量的过程，温度会骤升，在进行数值模拟时，往往没有考虑温度对结构的破坏作用。

3 结论

（1）在进行结构抗爆性能数值模拟时，常常采用 LS-DYNA，AUTODYN，ABAQUS等。

（2）不同的建筑结构，承受的炸药当量安全限值是不同的，总体来说，炸药当量越小，对结构造成的破坏程度越小。

（3）在一定范围内，埋深越深，爆炸对结构造成的破坏程度越小。

（4）当爆源位置远离结构主体部位时，往往造成的破坏程度小。

（5）适筋构件的抗爆性能要优于少筋构件和超筋构件。