城市地下综合管廊常规武器内爆效应仿真分析

汤晓瑜 瞿兴文

(1.来宾市人民防空工程质量监督站, 广西 来宾 546100； 2.广西人防设计研究院，广西 南宁 530000)

1 概述

城市地下综合管廊是支撑城市运行的重要生命线和关键基础设施。到2020年，我国将建成一批具有国际先进水平的地下综合管廊并投入运营。到那时，城市地下综合管廊连同其纳入的地下管线，将真正意义上融入城市赖以生存和发展的生命线体系[1]。但是，正因为综合管廊同时综合了多种地下生命线，导致其功能也相应增加，使得综合管廊在平时和战时的安全性变得尤为重要。

现代战争一般通过袭击破坏和摧毁敌方生命线体系等目标，给敌方居民生活和作战行动、联络、补给与保障等造成困难，剥夺敌方赖以继续进行战争的能力，进而夺取战争的胜利[2]。因此，作为城市运转的重要枢纽，城市生命线在战争期间一旦遭到破坏，可能导致城市运行瘫痪，且某些生命线体系破坏还会产生次生灾害，造成难以估计的财产损失。因而，综合管廊作为城市地下生命线系统的基本组成部分，关乎城市运行命脉以及战后的恢复和发展，关乎国家战争潜力的激发，对其展开落实防护要求的防护工作，是城市重要经济目标综合防护体系的重要内容。因此，本文针对综合管廊遭受未来战争常规武器打击情境，对综合管廊常规武器内爆效应进行分析[3,4]，为综合管廊防护单元和抗爆单元划分提供依据。

2 常规武器爆炸冲击波空气传播效应

Brode公式得到：

(1)

国防工程设计规范中的公式：

(2)

Henrych公式：

(3)

caдoьcкнй公式：

(4)

以上公式是针对球形TNT装药在无限空气介质中的爆炸情况，当传播距离大于装药特征尺寸时，在无限空气介质中可按照上式进行计算。

在本研究中，为了取最不利情况，以综合管廊遭受一枚战斧巡航导弹直接命中内爆为情境进行分析，导弹内装454 kg高爆炸药。转换为等效TNT，Ge=601 kg，TNT密度为1 630 kg/m3，TNT半径为0.45 m。

空气冲击波对各种目标和杀伤作用的超压值，可通过试验得到，峰值压力对各种建筑物和设施破坏的程度描述如表1,图1所示。

表1 峰值压力对建筑物和设施的破坏程度

如图1，表1所示，454 kg高爆炸药爆炸后，在无限空气介质中，距离爆心50 m处已仅存能够导致玻璃安装物破坏的冲击波峰值压力0.02 MPa。

3 综合管廊内常规武器爆炸冲击效应仿真

在实际综合管廊内，武器内爆情况与无限空气中传播并不完全相同。因而对武器在综合管廊内爆毁伤情况进行模拟仿真，以得到武器管廊内爆毁伤情况[6]，为抗爆单元划分提供依据。考虑到网格和计算效率的影响，选用一维计算结果并映射到二维模型中，模型为平面对称模型。

同时由于冲击波在管廊模型边界处会发生发射，所以在模型的边界处添加流出边界Flow-Out，使得冲击波传播到模型的边界处能够流出，而不是反射。对于混凝土采用拉格朗日网格，炸药和空气采用欧拉网格，使用流固耦合接触。仿真场景如图2,图3所示。

4 仿真结论与建议

本研究中以综合管廊遭受一枚战斧巡航导弹直接命中内爆为情境进行分析，导弹内装454 kg高爆炸药。转换为等效TNT，Ge=601 kg，TNT密度为1 630 kg/m3，TNT半径为0.45 m，采用ANSYS软件进行仿真，仿真结果如图4～图6所示。

如图4～图7所示，454 kg高爆炸药的战斧巡航导弹在管廊内爆炸，对爆心处混凝土损伤严重。从纵断面上来看，至爆心左右70 m处，主要冲击波的传播已趋近于0，但是在某些部位仍可出现高应力集中区，有可能造成缆线和管道毁伤。因而结合无限空气传播情境，一枚常规武器内爆对管廊及其内部设备破坏范围区间长度应为100 m～140 m左右。结合防火门设置，管廊防护单元或抗爆单元长度200 m，对管廊内爆进行防护较为适宜。