复材隧道逃生管道冲击数值模拟及试验研究

2020-03-28陈继滔

机械设计与制造 2020年1期

辛亮，张伟，陈继滔，周恒

（1.重庆交通大学，重庆 400074；2.台州市交通工程质量安全监督站，浙江台州 318000；3.浙江一路建设有限公司，浙江永嘉325102；4.浙江恒则熙交通科技有限公司，浙江杭州 310052）

1 引言

随着经济和社会的发展，我国越来越重视各种基础设施的建设，铁路、公路、桥梁、轨道交通等建设蓬勃发展，在通过山体阻碍的时候多采用隧道的形式。由于地质条件复杂和施工方式不恰当，隧道施工经常发生塌方事故，造成人员伤亡和重大经济损失。《公路隧道施工技术规范》指出，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ围岩施工必须采用隧道逃生装置[1]。在逃生装置中放置补给品、照明设备等，有助于隧道施工人员逃生。

为了满足人员逃生需求，根据人体工学原理，现在的逃生装置多采用内径为800mm的圆管，且采用300kg落石从7m高处自由下落对管道的冲击工况来衡量管道的抗冲击性能。目前我国许多学者开展了隧道逃生管道的研究[2-5]。文献[2]针对不同石块、下落高度、岩块刚度等理论研究了圆管受冲击时的冲击力和凹陷值大小，为隧道逃生管道的设计提供了依据。文献[3]进行了隧道逃生管道的冲击实验与仿真模拟，结果吻合良好，并为隧道逃生管道的安全设计提供了依据。文献[4]提出了一种新型的波纹钢管，表明波纹钢管较圆钢管在承受冲击荷载更有优势。

但是目前逃生管道的管材主要采用钢管和钢筋混凝土管。两种材料均有很高的刚度和强度，可以满足逃生管道抗冲击性能的要求。但是其重量大、搬运运输不便（按内径800mm，管壁厚10mm计算，钢管的米重约为200kg/m）。为此，设计了一种复合材料隧道逃生管道结构（米重仅为钢管的1/3左右），采用有限元软件ABAQUS，对落石垂直落在逃生管道的动态过程进行了模拟，并进行了逃生管道的足尺试样冲击试验研究，说明了提出的新型逃生管道的安全性和实用性。

2 ABAQUS瞬态动力学分析原理

落石冲击逃生管道的数值模拟是一个复杂的过程，包括几何非线性、材料非线性和状态非线性。ABAQUS软件具有良好的非线性分析功能，能较好的捕捉落石冲击管道的动态特性[6]。

瞬态动力学分析是确定随时间变化载荷（或者冲击）作用下的结构相应的技术。其输入数据为随时间变化的载荷，输出数据是随时间变化的位移、应变、应力等。显然，落石冲击逃生管道仿真也是一种瞬态动力学分析，用于确定随时间变化的任意动力学响应。瞬态分析的基本方程如下：

式中：［M］—质量矩阵；［C］—阻力矩阵；［K］—刚度矩阵；｛u｝—节点位移向量；｛u˙｝—节点速度向量；｛u¨｝—节点加速度向量，通过对方程组进行离散，就可以求得每一个t时刻的瞬态响应｛F（t）｝。

3 仿真模型及工况

3.1 新型逃生管道结构

新型逃生管道的结构图，如图1所示。管道内外层为玻璃钢，芯层为陶粒树脂混凝土，玻璃钢与陶粒组成夹芯结构。玻璃钢是一种轻质高强度材料，陶粒树脂混凝土是一种低密度多孔结构，两者组合不仅能大大降低结构重量，还能增强结构的抗冲击性能[7-9]。

通过试验测定陶粒树脂混凝土和玻璃钢的材料参数。陶粒树脂混凝土为各向同性材料，其弹性模量E=1.32GPa，泊松比滋=0.24，屈服强度滓S=1.71MPa，极限强度滓b=2.23MPa。玻璃钢的弹性模量E=24GPa，泊松比滋=0.25，极限强度滓b=220.2MPa。

图1 新型逃生管道结构图Fig.1 The New Tunnel Escape Tubes Structure Diagram

3.2 有限元模型的建立

利用CATIA三维造型软件建立落石和逃生管道的三维模型，然后通过CATIA和ABAQUS的接口将实体模型导入ABAQUS进行网格划分，生成仿真分析所需要的有限元模型。

计算模型由落石和逃生管道构成，如图2所示。采用圆柱形落石，材料为C50混凝土，总质量为300kg。单根管道长3000mm，管道内中外蒙皮分别建模，用tie约束将其连接为一个整体。考虑到计算精度和效率，均划分四面体网格，管道的网格图，如图3所示。由于实际铺设时管道下面有垫层，管道在冲击时一般不会移动，因此将管道下表面固支。落石与管道的冲击时间极短，在动态分析中设置落石和管道的冲击时间为0.02s。冲击点分别位于管道两侧和中部，以校核管道的抗冲击性能。

图2 计算模型Fig.2 Calculation Model

图3 计算网格图Fig.3 Calculation Mesh

3.3 仿真工况

根据企业强度试验要求，逃生管道应承受300kg落石从7m高处自由下落的冲击，且管道的净空高度h≥450mm，以供隧道施工人员的逃生。

为了提高计算效率，计算时忽略落石的自由下落过程。根据速度、高度和重力加速度的关系计算落石的初始速度=11.71m/s，以初始速度为初始边界条件，可以大大减少计算时间。

4 仿真计算结果分析

调用ABAQUS进行计算，得到左端（右端与左端类似）和中部冲击点最危险时的变形云图，如图4、图5所示。从图中可以看出，端部冲击时，端部的冲击变形最大，为14.29mm，越往内侧冲击变形越小。中部冲击时，冲击点管道呈局部下凹趋势，中部的变形最大，为12.75mm，往两侧变形逐渐减小。这与工程实际相符。不论管道遭受哪种冲击，管道的净空高度均远远大于450mm，满足施工人员的匍匐姿势逃生需求，表明所设计的逃生管道是安全可靠的。

图4 左端冲击点竖直方向变形图Fig.4 The Vertical Direction Deformation Diagram of the Left Impact Point

图5 中部冲击点竖直方向变形图Fig.5 The Vertical Direction Deformation Diagram of the Middle Impact Point

5 现场冲击试验验证

为了说明仿真结果是否正确，按照试验标准对管道进行现场冲击试验，如图6所示。管道和落锤材料均参照计算标准制造。冲击点位于管道的两端和中部。

图6 冲击试验场地布置示意图Fig.6 The Impact Test Diagram

左端和中部冲击点位经受落锤冲击后的管道试样照片，如图7、图8所示。冲击试验后的现场图，如图9所示。由图可知，管道具有较高的弹性和刚度，冲击后落锤被弹开。管道左端仅在冲击点附近有局部变形，中部具有局部层间剥离损伤和塑性变形。

图7 左端冲击后管道局部变形Fig.7 The Tubes Local Deformation After the Left Impact Point

图8 中部冲击后管道局部变形Fig.8 The Tubes Local Deformation After the Middle Impact Point

图9 冲击试验后现场图Fig.9 The Scene After the Impact Test

试验后，对冲击点附近的变形量进行了测量，如图10所示。由图10（a）可知，左端冲击后的变形从端部到内侧逐渐减小，最大变形量为11.7mm。对比图4的变形云图可知，ABAQUS数值模拟与试验吻合良好，最大变形量和变化趋势均一致。

对比图10（b）和图5可知，冲击试验和ABAQUS数值模拟的变形趋势一致，均呈中部下凹趋势。但是ABAQUS模拟的变形量仅为12.75mm，试验的变形量达到62mm。观察发现，由于管道刚度过大，试验过程中落锤发生了回弹，对管道进行了多次往复冲击，造成试验室远大于计算值。这说明，用ABAQUS模拟冲击是非常准确的。