爆炸冲击下埋地管线动力响应研究综述

张 帆 景 政 徐国富

(中国人民解放军66139部队，北京 100042)



爆炸冲击下埋地管线动力响应研究综述

张 帆 景 政 徐国富

(中国人民解放军66139部队，北京 100042)

结合相关文献资料，分析了爆炸冲击波作用下埋地管线动力响应的研究现状，并探讨了该研究中的不足之处，提出了其在未来的研究方向，对防护工程军事职能的发挥有一定的意义。

埋地管线，爆炸冲击波，动力响应，有限元软件

0 引言

埋地管线作为防护工程给排水系统的一部分，承担着工程内部各类用水的安全补给及废水的排出。当常规武器在防护工程附近爆炸时，埋地管线可能受到损坏，影响防护工程军事职能的发挥。因此，对常规武器爆炸冲击条件下防护工程埋地管线动力响应情况进行研究，具有重要的军事意义。我国对爆炸冲击条件下防护工程埋地管线动力响应研究起步较晚，但也取得了一定的研究成果，本文主要对防护工程口部以外爆炸近区的埋地管线动力响应研究现状与存在不足进行梳理和综述。

1 爆炸冲击波作用下埋地管线动力响应研究现状

爆炸冲击波对埋地管线的破坏，主要是指爆炸冲击应力波在土介质中传播遇到埋地管线而引起的震动变形等破坏作用。目前研究分析管道防爆抗震的方法主要有解析法、数值法和试验研究法。解析法简单快捷，但结果偏于保守，而且面对复杂问题可能无法求解[1]。数值模拟应用范围广，结果更准确，但遇到复杂问题，计算量大，耗费机时长。采用试验研究方法结果更科学，但一般周期较长，成本较高。因此，选择一种科学合理的埋地管线动力响应分析方法显得尤为重要。

2006年王飞利用有限元计算软件LS-DYNA3D中的ALE算法[2]，首先计算了爆炸冲击荷载下天然气管道的破坏变形情况，其次探讨了爆炸冲击作用下天然气管道的应力变化历程、材料屈服、变形直至管道破坏的全过程。最后将数值计算结果与试验数据进行了比对，结果表明：应用LS-DYNA3D中的ALE算法模拟出爆炸冲击作用下管壁的破坏变形情况是科学可行的。与试验结果比较可知，数值解的误差是在工程允许的范围内。

2007年都的箭等人[3]利用有限元程序ANSYS/DYNA，对地下爆炸冲击作用下埋地管线的动力响应情况进行了数值模拟，得出了正对爆心的埋地管道背面受到的轴向拉应力较大，且受力为瞬态过程的结论。后来还开展了地下爆炸作用下埋地管线动力响应试验，在国内首次现场实测了埋地管线的应力应变情况，为埋地管线的防爆抗震分析提供了试验数据。

刘建民[4]利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA，数值模拟了炸药地面爆炸和地下爆炸两种情形下埋地管线的动力响应情况，综合考虑了炸药设置方式、炸药量、爆心距和管道管径大小等因素的影响，并分析了这些因素对埋地管道损伤的不同程度影响。

2008年马维[5]通过小当量爆炸实验研究了地下管道结构爆震效应，试验结果表明，爆炸冲击对埋地管线的破坏作用可分为两种，分别为直接冲击破坏和震动效应破坏；在爆炸冲击作用下，管道的变形是瞬态过程，以径向压缩变形为主。

2009年李新平[6]通过现场钢管爆破试验，不仅对比了不同装药结构、不同药包直径对钢竹爆破破碎效果的影响，还综合考虑了不同堵塞形式、堵塞长度等因素，分析了钢竹爆破炸断形态与装药结构的关系。结果表明，药卷净间距越大，钢管爆破块度越大；两药包一字形连续装药要比单个药包、均匀间隔装药的爆破效果好；钢竹破碎长度与药卷直径有着很大的关系。

2009年姚安林等人[7]利用LS-DYNA3D有限元程序，建立了爆炸冲击条件下埋地输气管道的计算模型。经过计算分析，得出了管道上节点速度最大值和单元应力应变值与炸药当量、爆心距之间的内在关系。

2010年徐啸[8]运用有限元软件LS-DYNA，对地面爆炸和地下爆炸两种情况下埋地管线动力响应进行了数值模拟。地面爆炸条件下研究了爆心距和管道是否充液对管道受力的影响，结果表明：在假设水体处于静止状态，忽略水流水压以及管内水锤影响的前提下，管道是否充水对管道受力变形趋势和结果影响都不大，管道在充液的情况下的抗冲击能力更强，在数值模拟时可不考虑管道是否充液。地下爆炸条件下对两种不同土介质中埋地管道动力响应问题进行了数值模拟，得到如下结论：不同土介质类型是影响埋地管线受力大小的重要因素，土介质的波阻抗越小，衰减系数越大，埋地管线所受的破坏应力越小。

2014年徐国富[1]对空中爆条件下带接头埋地管线动力响应进行了对比试验，得出了以下结论：在爆炸冲击条件下，管径突变会产生应力集中，接头部位是管线系统的薄弱环节；接头的厚径比和材料类型是影响接头部位防爆抗震性能的重要参数，接头厚径比越大，越利于防爆抗震，接头材料的弹性模量越大，产生的轴向应变越小，越利于防爆抗震，工程设计中尽量选择厚径比大和弹性模量较大的接头。

2 存在不足

从上述的研究现状可知，爆炸冲击条件下埋地管线动力响应的研究得到很多重要结论，为防护工程埋地管线的研究延伸到工程实践提供了理论依据，但目前针对性的研究较少，有一些方面仍需要进行深入研究，主要存在以下不足：

1)在爆炸冲击波对埋地管线动力响应研究中，许多学者未考虑管道是否充液、不同土介质对管道受力的影响。

2)分析管道防爆抗震的方法主要有解析计算法、数值模拟方法和试验研究法，三种方法各有优缺点。大多学者只选用其中一种方法进行研究，综合运用三种方法进行对比分析研究的较少。

3)目前对爆炸冲击波作用下管线动力响应的研究主要局限在埋地直管道，而在接头、弯头、三通等管件受力分析方面还相对滞后，把接头、弯头和三通等管件与管线结合起来进行综合分析研究的很少。

3 结语

针对爆炸冲击条件下埋地管线动力响应问题，应当以理论探讨和数值模拟为主，结合试验研究，找出埋地管线动力响应与爆心距、是否充液、土介质种类、接头类型等因素的关系，总结优选出一套爆炸冲击条件下防护工程埋地管线动力响应情况的分析方法。

[1] 徐国富.爆炸冲击条件下防护工程埋地管线动力响应研究[D].南京：解放军理工大学博士学位论文，2014.

[2] 王 飞，王连来，刘广初.爆炸荷载对天然气管道(空管)的破坏作用研究[J]．爆破，2006，23(4):20-24.

[3] 都的箭，刘志杰，马书广．埋地管线在爆炸地冲击作用下的数值模拟[J]．地下空间与工程学报，2007，3(1)：181-184.

[4] 刘建民，陈文涛．爆炸荷载下埋地管道动力响应分析研究[J]．工程爆破，2008，14(2)：20-23.

[5] 马 维．地下管道结构爆振效应和冲击破坏行为实验[J]．解放军理工大学学报(自然科学版)，2008，9(1):39-44.

[6] 李新平.钢管爆炸破坏的数值模拟分析与试验研究[J]．岩土力学，2009，30(8)：5-9.

[7] 姚安林，赵师平，么惠全，等.地下爆炸对埋地输气管道冲击响应的数值分析[J]．西南石油大学学报，2009，31(4)：168-172.

[8] 徐 啸.爆炸冲击条件下防护工程给排水管线动力响应分析[D].南京：解放军理工大学硕士学位论文，2010.

Study on dynamic response of buried pipeline under explosive shock wave action

Zhang Fan Jing Zheng Xu Guofu

(TheChinesePeople’sLiberationArmy(PLA)No.66139,Beijing100042,China)

Combining with relevant literature, the paper analyzes dynamic response research status of buried pipeline under explosive shock wave action, explores the research defects, and puts forward its future research tendency, which has certain meaning for playing the role of protective engineering military function.

buried pipeline, explosive shock wave, dynamic response, finite element software

1009-6825(2017)14-0116-02

2017-03-08

张 帆(1980- )，男，工程师

TU990.3

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