城市典型地下人防工程外爆性能评估研究进展

王沿朝, 赵志鹏, 强洪夫, 陈清军

(1.火箭军工程大学基础部, 西安 710025; 2.火箭军工程大学智剑实验室, 西安 710025; 3.同济大学土木工程防灾国家重点实验室, 上海 200092)

地下人防工程是地下人民防空工程的简称,指在战争时能抵抗一定武器杀伤破坏效应,保护人民生命和财产安全的地下防护工程,同时也是提高国家国防战略安全和城市防灾御害能力的关键生命线工程。近年来,“平战结合”概念的普及推广,推动地下人防工程建设突破了人防部门的责任局限而纳入城市建设总体规划之中,并逐渐扩展成为中国城市地下空间开发的重要内容。城市地下人防工程也从传统的以战备为目的人防工程转变为融合城市公共交通、公用隧道或公共商业为一体的综合性地下防护工程,其所承载的城市功能也愈发集中。

城市地下人防工程赋存环境复杂,结构形式多样,空间尺度大,一旦在外部爆炸作用下发生破坏将极难修复。外部爆炸时城市地下人防工程的性能,对于维护结构安全,保障人员生命财产安全及灾后修复重建,都至关重要。新时期城市地下人防工程的抗爆防爆需求给研究者提出了新的挑战,总结现有城市地下人防工程防爆抗爆技术发展,并积极推动城市地下人防工程防爆安全性能提升具有重大现实意义。

针对地下工程的抗爆性能研究,中外早期主要集中在国防工程领域,并在国防试验的基础上系统总结经验方法,编制了系列规范标准用于地下防护结构的设计建造,如美国国防部出台的《常规武器防护设计原理》(TM5-855-1),《抗偶然爆炸结构设计手册》(TM5-1300),美国土木工程协会的《抗核武器影响的结构设计》(ASCE Manual 42),中国出台的《防护工程防常规武器结构设计规范》(GJBz 20419.2—1998)等,这些规范标准的出台体现了国家层面对地下工程抗爆安全性的高度重视。钱七虎[1]院士在地下防护结构抗爆性能与设计方法研究中做出了突出贡献,推动了中国地下防护工程技术的飞跃发展。然而,上述研究成果主要针对国防工程,近年来,“平战结合”指导思想下的城市地下人防工程已逐渐发展成为城市的核心组成部分与关键生命线工程,一旦在爆炸中发生破坏,将会给人民的生命财产安全带来极大的威胁,同时也会严重迟滞城市的快速恢复。因此,研究并评估此类结构的外爆性能十分必要。21世纪初,中国虽然出台了相关的人防工程设计规范,但大都参照国防工程研究成果和规范标准拟定,主要针对以战备为目标的传统地下人防工程。国防工程与“平战结合”背景下新修建的城市地下人防工程的设计建造标准及抗爆等级明显不同,既有研究成果对于新结构的适用性需进一步验证,新时期城市地下人防工程的外爆安全性亦需进一步探讨。

鉴于新时期“平战结合”背景下城市地下人防工程抗爆性能和防爆技术研究中尚存在不少亟需解决的问题,首先探讨新时期“平战结合”背景下城市地下人防工程的分类,阐述地下人防工程的外爆作用机制;在此基础上,对中外城市典型地下人防工程的外爆性能从理论方法、模型试验及数值仿真研究成果等方面进行简要分析与系统总结,并阐述今后需要进一步深入研究的几个关键问题,以期促进城市地下人防工程的抗爆研究,进一步完善城市地下人防工程抗爆设计理论与方法。

1 地下人防工程分类

1.1 传统方式分类

依据建造方式,地下人防工程可分为掘开式地下人防工程和坑道式地下人防工程。其中,前者可根据有无地面建筑进一步分为单建式地下人防工程和结建式地下人防工程。单建式地下人防工程独立建造于地面以下,地表除出口设施外,不附着其他建筑[图1(a)];结建式地下人防工程则指与地面建筑一同建造,且预设防护功能的地下人防工程[图1(b)]。坑道式地下人防工程可根据其构筑形式,进一步分为坑道式[图2(a)[2]]和地道式[图2(b)[2]]地下人防工程。

图1 掘开式(明挖)地下人防工程示意图Fig.1 Schematic diagram of excavation type underground air defense structures

图2 坑道式(暗挖)地下人防工程示意图[2]Fig.2 Schematic diagram of tunnel type underground air defense structures[2]

按照防护特性,地下人防工程可分为甲类人防工程和乙类人防工程,其中甲类人防工程防护等级更高,在战时可抵御预定核武器、常规武器及生化武器的袭击;乙类人防工程则在战时可抵御预定常规武器及生化武器袭击。

按照战时使用功能,地下人防工程则可分为指挥工程(战时保障指挥机关工作)、防空专业队工程(战时保障防空专业队掩蔽和执行某些勤务)、人员掩蔽工程(战时保障人员掩蔽)及配套工程(战时的保障性工程)等。

1.2 “平战结合”背景下分类

“平战结合”背景下,中国城市地下空间大规模开发利用推动了传统以防止战争灾害为主的人防工程演变为防止人为灾害(包括战争灾害)和自然灾害等广泛灾害的综合防护工程。人防工程的建设发展也逐步融入城市地下空间综合开发利用之中。当前,地下人防工程按照所承载的城市功能可大致分为如下几类。

(1)地下公共交通工程。包括地铁车站、地下汽车道、地下车库及地下人行通道等(图3[3])。近年来,日益加快的城市化进程推动了人防工程与地下公共交通工程的快速融合。立体化多层次的城市地下交通系统在极大改善大型城市公共交通需求的同时也在战时为人们提供了大量的人防保障。此外,一大批地下汽车道、地下车库及地下人行通道在各大城市兴建,将城市交通流从地面转向地下,在缓解地面交通压力的同时取得了显著的社会、经济和环境效益。

图3 典型地下公共交通工程[3]Fig.3 Typical underground public transportation system[3]

(2)地下公共隧道工程。包括共同沟、地下管网、地下走廊等(图4[3])。随着人们生活水平的不断提高,以电力、给排水、煤气、通讯及热力为主的城市地下管线系统迅猛发展,在围绕这些系统工程的整个长度上也都建立了便于人员进入检修和管理的多功能公共隧道。这些地下公共隧道工程的建设和发展在和平时期很大程度上提高了城市的现代化程度和集约程度,降低了马路反复开挖和施工对人们的生产生活带来的不利影响,而在战时则可以有效抵御敌方武器对于城市地下生命线系统的袭击和破坏,显著提升了城市基础设施在“战争期间”和“和平时期”的综合防灾御害能力。

(3)地下公共商业工程。包括地下商业街、地下综合体等(图5[3])。经济的突飞猛进推动了城市商业的快速发展,当前,各大城市中心地面空间早已拥挤不堪,而地下空间的开发利用为城市商业注入了新的活力。各大城市都积极开发地下公共商业工程,并建成了一大批地下商业街。此外,许多城市在探索环保型、生态型城市的过程中积极融合城市地下空间功能,发展了一批集商业、市政、交通、停车及人防功能于一体的地下综合体,推动了城市地下空间利用的高效化与集约化。这些预设防护功能的地下公共商业工程在和平时期可为城市经济带来新的活力,在战时也可成为城市居民躲避敌方武器袭击的良好防护工程。

图5 典型地下公共商业工程[3]Fig.5 Typical underground public commercial street[3]

(4)地下防护工程。中国各大城市都是国家重点人防城市,新中国成立初期在全国“长期准备、重点建设”的指导思想下,各大城市为了应对战争威胁,建设了一批早期人防工程和地下硐室。这批防护工程在开发建设时主要针对战备防护,在组织上遵循“群众路线”,在技术上突出“群众创造”,没有进行整体的设计规划。目前这批工程除少量由于建设地点过于偏僻而废弃之外,大部分已变成市民休憩纳凉场所,另有部分被改造成实验室、科普馆等地下工程(图6[3]),在战时仍然承担着一定的防护任务。

图6 典型地下防护工程[3]Fig.6 Typical underground protective structures[3]

2 地下人防工程外爆性能分析

外部爆炸冲击载荷是设计地下人防工程结构时必须考虑的内容[4]。爆炸引起的在地层中传播的应力波又称为地耦合冲击波,可分为两类:一类是直接地耦合冲击波,另一类是感生地耦合冲击波[5]。当外部爆炸产生的地耦合冲击波达到足够强度时,就会引起地下人防工程结构的破坏。针对地下人防工程的外爆性能,中外专家和学者探究了地下人防工程的外爆作用机制,并从理论方法、模型试验及数值仿真等方面进行了针对性的研究。

2.1 外爆作用机制及其分类

爆炸发生时,将在极短时间内释放大量能量,在产生高温高压的同时对其周围产生巨大的破坏作用。针对地下人防工程在战时可能经历的爆炸毁伤环境,其面临的外部爆炸冲击可大致分为三类[6](图7),具体如下。

Pa为大气压;Pmax为冲击波峰值;ta为到达时间;t0为正相持续时间;为负相持续时间

2.1.1 自由空气爆炸

自由空气中生在爆炸发时,爆炸冲击波迅速向外扩散。图7给出了距爆心一定位置某点的爆炸压力时程[7-8],当冲击波抵达该点时,压力峰值急剧增大,并瞬间达到峰值,之后迅速衰减至大气压力以下。在空气中传播的冲击波,接触到地面后将产生反射,导致冲击波的运动状态和参数都发生变化,反射一般可分为正反射、斜反射及马赫反射。自由空气爆炸产生的能量大都消散在空气中,小部分被浅表岩土体耗散,对地下人防工程影响较小。威胁地下人防工程安全的主要是(近)地表爆炸及埋地爆炸。

2.1.2 (近)地表爆炸

(近)地表爆炸时,炸药位于地表或地表附近,类似于空气爆炸,当入射波到达地面后将发生反射,部分冲击能量消散在空气中,剩余部分能量则传递至地面并与岩土体耦合形成应力波[4]。该过程中,土体与空气界面的反射冲击波产生的张力波将剥离地表岩土体。此外,爆炸产生的气体将迅速膨胀,向周围挤压土体,在形成爆炸坑的同时抛掷出大量爆炸喷射物。对于(近)地表爆炸,当爆炸距离结构较近时,将会对地下人防工程的安全带来明显的影响。

(3)埋地爆炸。当爆炸发生在地下时,爆炸产生的冲击波与岩土体的耦合效应更加明显,此时应力波在岩土体中向四周传播,且爆炸向岩土体传输的能量随着爆炸埋深的增加而增大[9]。此外,由于爆炸气体迅速膨胀并挤压岩土体,靠近爆心的岩土体在短时间内被压缩而形成空腔[10-11],进而导致其组成特性与力学性能发生改变,并影响岩土体与地下人防工程的相互作用。当埋地爆炸距离结构较近时,将严重威胁地下人防工程的结构安全。

近年来,超音速高精度制导武器及其装药技术快速发展,命中精度和毁伤效能都显著提高,对地下人防工程的抗爆安全带来了更大的威胁和挑战,在此背景下,地下人防工程的外爆效应也将随之发生显著的变化,从单一冲击波作用转变为冲击波与高速聚能侵彻联合作用。对于此类新性态武器作用下的地下人防工程外爆作用机制和防爆技术亟需深入研究。

2.2 地下人防工程外爆性能理论方法

地下人防工程服役环境复杂,外部爆炸引起的岩土体运动受到地下人防工程的阻碍,而地下人防工程的运动又受制于岩土体,二者之间既有力的作用,又有变形的约束,还有能量的传递,是典型的多介质动力耦合问题。长期以来,研究者们一直致力于寻求解决这一复杂耦合动力学问题的理论方法(图8),并形成了以半经验半理论法和土-结构相互作用法[7,12-13]为代表的研究思路。

σf为自由场压力;ρ为土体质量密度;c为土体地震波速;u为结构运动位移;为结构运动速度;Pe为等效荷载;me为等效质量;re为等效阻力;ρce为等效阻抗;r为阻抗

2.2.1 半经验半理论法

早期研究地下人防工程外爆性能时主要依据有限的爆炸冲击试验总结的半经验半理论方法,如系数法、等效静载法和拱效应法等。这些方法是多年来对土中埋置结构所承受爆炸荷载的发生机理的研究而发展的简化方法[7,14-16]。其中应用最广的“三系数法”在确定结构荷载时,在地表空气冲击波超压的基础上引入考虑土中压缩波传播衰减的衰减系数,考虑波与结构及自由地表相互作用的综合反射系数及转化为结构等效静荷载的动力系数[7]。该方法在确定地下人防工程结构动载峰值及升压时间时可根据式(1)计算。

(1)

式(1)中:Ph为埋深h处的自由场压力峰值;P1、P2、P3分别为顶板、侧墙和底板动载峰值;Kf、ξ、η分别为顶板综合反射系数、侧压系数及底压系数;tc为升压时间;γc为波速比;c0为起始压力波速。

系数法理论简单,计算方便,且对中等跨度的平顶式钢筋混凝土结构的应用效果较好[17],因此在工程上应用较为广泛。然而该方法过于简化,且计算结果往往偏于保守,对不同型式结构和场地条件,各系数取值也有待进一步验证。鉴于此,文献[18-20]探究了不同结构型式及爆炸条件下地下人防工程的荷载分布规律及外爆性能,得到了有益的研究成果,拓展了系数法的适用范围。对于深埋结构,在爆炸冲击波作用下,则一般采用等效静载法计算其载荷,该方法引入了土体的特性系数和填塞系数[4],主要用于深埋地下洞库等地下工程的设计。拱效应法[21]则利用土的抗剪能力将土压力从大变形位置移至小变形位置,进而确定地下结构的荷载分布,拱效应大小由土的抗剪强度和结构变形程度决定。该方法以太沙基静载条件下的拱效应概念为基础,并从位移场出发确定土中埋置结构的荷载,因而无法考虑爆炸波作用下土中结构与土体的动力相互作用[1]。半经验半理论法应用简便,但如何更科学的对经验理论公式中的系数取值,使计算结果与工程实际更加接近有待进一步研究和分析。

2.2.2 土-结构相互作用法

土-结构相互作用法以一维波动理论或动力理论为基础,采用“两步法”方式,首先确定出作用在地下人防工程上的动载,然后再按振动理论计算结构响应。在确定动载时,采用了耦合分析的思想,将土与结构视为整体,从土中压缩波或地表冲击波抵达开始,利用波动理论研究波在土中的传播和接触结构后的反射与卸荷,进而求得作用于结构上的动载。对于刚性结构,其爆炸载荷可按式(2)确定。

(2)

式中:Pj(t)和Pg(t)分别为顶、底板所受的压力;v(t)为结构整体位移速度;c1和ρ分别为顶板上部土体塑性波速和密度;c′1和ρ′分别为底部土体塑性波速和密度;P(t)和P*(t)分别为入射压缩波的压力和作用在卸荷土顶的土压力;t0为加载时间;tp为结构卸载波与地表卸载波相交时刻;Hj(t)为不同时刻结构卸载波高度;H′和ρ1分别为覆土厚度及密度;m为刚性结构单位面积质量。

基于土-结构相互作用法,钱七虎等[22]系统研究了爆炸冲击作用下地下防护结构的动力响应。为了更准确地表征土与地下结构之间的动力相互作用,文献[23-26]对土与不同型式地下结构间相互作用的传递函数及接触压力计算方法进行了探索和改进,并对岩土体参数及荷载形式对地下结构爆炸动力响应的影响做了进一步探讨[27-28]。结果表明岩土体参数对地下的爆炸安全性有显著影响,铺设垫层可减小衬砌的位移及内力,但垫层厚度并非越厚越好,而荷载作用位置不变、爆炸波入射角的变化对结构动力响应影响较大。文献[29-30]通过引入界面阻尼来考虑爆炸荷载下土与地下结构的动力相互作用,分析了遭受土传爆炸的代表性地下人防工程的外爆性能。土-结构相互作用法在地下人防工程抗爆分析中理论推导严谨,在一定程度上考虑了土与结构的动力相互作用,可以较好地揭示了动荷载的产生与发展的机理。

综上所述,虽然半理论半经验法计算简便,但却难以考虑爆炸冲击下重要的土-结构动力相互作用,不能揭示地下人防工程的爆炸荷载的产生机理与作用机制,且适用范围有限。土-结构相互作用法虽然理论推导过程相对复杂,但其考虑了土与结构的动力相互作用过程,能在一定程度揭示作用于地下人防工程上爆炸荷载的产生机理与土-结构相互作用效应,应用效果较好,得到的公式也已经被应用到防护结构设计中。但需要指出的是,当前应用的土-结构相互作用法大多基于一维波动理论推导得到,对于结构尺寸有限的地下人防工程结构,其空间尺寸效应不可忽略,需进一步探究。此外,已有模型大都假设冲击波加载瞬间完成,但如果结构尺寸与波长相差不大,则还需分析冲击波衍射等过程的影响。

2.3 地下人防工程外爆性能模型试验方法

模拟爆炸试验是研究外部爆炸冲击下地下结构抗爆性能的重要手段,受到中外学者的广泛关注。随着“平战结合”概念的普及推广,相关试验也从最初的国防工程逐渐转向人防工程领域,并开展了广泛的模拟爆炸试验。当前地下人防工程外爆性能模型试验方法可大致分为三类,具体如下。

2.3.1 非爆炸机械加载试验

非爆炸方式施加类爆炸荷载主要涉及落锤式冲击试验和液压伺服驱动爆炸模拟试验[31]。前者主要利用重力势能对试件撞击产生冲击荷载[32],依据落锤式冲击试验设备工作原理,张伟锋等[33]提出了竖直均布类爆炸荷载机械式生成方法。Mishra等[34]研究了城市隧道在冲击爆炸荷载作用下的动态行为和损伤模式。虽然中外落锤式冲击试验设备不少,但落锤质量普遍较小且有效落高不足,导致撞击能量较低,不能很好地应用于地下人防工程抗爆性能分析之中。液压伺服驱动爆炸荷载模拟器通过高速液压驱动装置产生的动力推动撞击模块撞击试件产生类爆炸荷载[35]。该类设备所产生的冲击荷载与真实爆炸荷载接近,典型的有美国加州大学圣迭戈分校的爆炸模拟器及欧盟安全防护研究所的爆炸模拟器[36]。但此类设备技术复杂,造价昂贵,且核心技术掌握在少数发达国家,中国少数产品仅在国防领域鲜有报道。李志涛等[37]、李杰等[38]研制了深部“一高两扰动”真三维爆炸模拟试验装置(图9[38]),并开展大当量爆炸地冲击下深埋洞室的毁伤效应研究。考虑到地下人防工程已成为城市关键生命线工程,后续应进一步探索此类爆炸模拟装置在城市地下人防工程抗爆性能分析中的应用。

图9 爆炸模拟试验系统[38]Fig.9 External explosion simulation test system[38]

2.3.2 离心机试验

离心机试验自20世纪80年代被应用以来就已经被证明是研究地下人防工程结构抗爆性能的有效方法[39-41]。离心机试验模型遵循如下比例律:原型尺寸结构中炸药当量等于模型尺寸结构中炸药当量与离心加速度N的三次方的乘积[42-43]。因此离心机试验可以在少量炸药用量的情况下获得大当量的爆炸效果(图10[44])。基于缩比离心机试验,De等[45]研究了地面爆炸时地下隧道的响应情况,同时探讨了不同埋深、不同岩土条件及不同覆盖保护层对隧道抗爆性能的影响。马立秋等[44]探究了浅埋地下隧道在地表爆炸情况下的响应,结果表明,爆炸抛出物受科氏加速度影响;结构底部应变峰值约为顶部1/3;土层含水量增大将使结构响应增大及砂土覆盖层更有利于结构抗爆。Liu等[46]对饱和土中地下隧道的爆炸动力响应进行了分析,发现在爆炸冲击方向隧道发生了严重损坏,且150 kg TNT爆炸当量下,饱和土会发生液化现象。上述研究表明,离心机试验在开展地下人防工程抗爆性能研究上有一定的优势,但也存在一些明显的缺点[47]:如离心机系统尺寸庞大、构造复杂,使用不便;离心机建造成本和维护成本较高;受试验系统性能影响,模型缩尺比偏小等等,如何降低乃至避免这些因素的影响以使离心机试验更好地应用于城市地下人防工程抗爆分析之中是需要解决的问题。

2.3.3 场地爆炸试验

目前检验地下人防工程整体抗爆性能最主要的方法是场地爆炸试验(图11[48])。对于小型结构,可采用原型试验,而对于大型结构,一般采用缩尺试验。最初的场地爆炸试验主要集中在地下管道及隧道,对于地下管道及隧道,爆炸波将导致结构发生以瞬态径向压缩为主的变形,并产生沿轴向和环向的刚体振动[49],而正对爆心的隧道管段背部会由于瞬态弯曲受拉而发生破坏[50]。文献[51]还基于隧道的爆炸响应特征进一步给出了爆炸振动保护区范围,用以指导隧道临近工程的爆破施工。

图11 场地爆炸试验[48]Fig.11 Field explosion test[48]

随着拱形(直墙拱形)人防工程的发展,专家学者对此类结构的外爆性能开展了系统的试验探究。文献[52-53]研究发现,远场顶部爆炸时的拱形(直墙拱形)结构上的动载呈准均匀分布,结构响应以整体振动为主,而近场爆炸时呈三角形分布,拱形结构响应主要呈弯曲变形模型。混凝土剥落、拉伸裂缝、剪切破坏以及钢筋屈服是近距离顶部爆炸时拱形(直墙拱形)结构的主要破坏模式,在拱形成四五条塑性铰线后,拱结构将发生塌毁破坏[54]。此外,拱的破坏程度不仅与比例距离相关,还受到爆距与结构跨度之比的影响。文献[55]提出了基于挠跨比的结构破坏等级划分模式。针对不同爆炸位置及命中角度,文献[56]研究发现,相同爆距下,侧方爆炸时结构的毁伤程度最为严重,而在正交角处更容易产生侧裂纹,其增长受加载方向的强烈影响。当命中角度增大时,拱顶的竖向载荷及相对位移减小,拱脚处的水平载荷和相对位移将增大,但直墙底无明显变化[57-58]。对于重复爆炸,初次爆炸形成的围岩破碎区及裂缝将加速重复爆炸时冲击波的能量衰减,缓解结构承受的冲击波[59]。

近年来,随着城市框架式地下人防工程的大规模建设,部分学者针对此类结构开展了场地爆炸试验,但研究主要集中在特定结构。李欢秋等[60]研究表明,在地下防护工程中设置泄爆设施可有效和提高临近空间结构抗爆能力,重要工程在外爆时要考虑结构抗力以及抗震减震问题。Zhou等[48,61]通过浅埋城市公共管廊抗爆性能缩比试验,揭示了重复爆炸下管廊顶板是最脆弱的构件,且纵向裂缝会沿管廊纵向发展,而玄武岩纤维布可有效提升地下管廊的抗爆性能。辛凯等[62]通过场地试验研究了爆炸行波作用下单建式人防工程荷载分布规律,并给出了人防工程不同部位荷载取值的计算方法。刘飞等[63]通过半埋及全埋式人防工程的邻近爆炸试验,发现外墙结构设计荷载应取墙面受力最大位置的荷载,而半埋与全埋地下室外墙邻近处钻地爆炸的毁伤效应,与墙面超压、爆炸持续时间、周边介质及介质构筑物均相关。然而,对于框架式地下人防工程的场地爆炸试验仍处于起步阶段,且爆炸试验安全风险大、准备周期长、试验成本高,如何将其更有效应用于“平战结合”背景下的城市地下人防工程抗爆性能研究有待进一步研究和探索。

综上所述,非爆炸机械加载试验在地下人防工程抗爆性能中的研究尚不成熟,且相关设备技术复杂,造价昂贵,尚不具备广泛推广的条件。离心机试验虽然可以在较小的爆炸当量下获得较大的爆炸效果,但受试验系统的限制,模型缩尺比往往偏小,且离心机系统使用不便,维护成本较高,制约了其在地下人防工程抗爆性能研究中的进一步发展。场地爆炸试验与真实爆炸情况最为接近,且可根据需求自由选择不同的模型试验比例,被证明是研究地下人防工程抗爆性能最直接有效的方法。但是限于试验成本与安全因素,现有爆炸试验通常针对特定结构和场地,所获得的结构动力响应特征及毁伤效应及影响因素尚缺乏系统的梳理归纳。此外,当前研究主要关注结构本身的动力响应与损伤破坏情况,事实上,爆炸冲击作用下地下人防工程的结构振动可能远超人体的耐受极限进而无法实现预期的人防工程功能,这在后续研究中也值得关注。

2.4 地下人防工程外爆性能数值仿真方法

对于地下人防工程的外爆性能研究,理论方法建立在一定的假设基础上,与实际工程差别较大。试验研究费用昂贵且安全风险较大,而数值模拟方法成本低、可重复性强、计算结果良好,已成为研究地下人防工程外爆性能的重要手段。当前地下人防工程外爆性能数值仿真方法可大致分为两类,具体如下。

2.4.1 基于经验压力时程的数值仿真方法

受制于计算机计算性能的不足,早期在进行地下人防工程外爆性能评估时往往采用经验压力时程模拟爆炸载荷,如三角形、平台形或其他形式经验压力时程等[图12(a)]。基于经验压力时程曲线,学者们探索了地表及埋地爆炸发生时典型地下结构的动力响应。研究发现,爆炸发生时隧道主要以弯曲变形为主,正对爆心位置动力响应最大,此外,爆炸当量越大,隧道埋深越深,岩土体越硬,隧道越容易发生破坏[64]。对于拱形结构,地面爆炸作用时,地下隧道侧面将受压,而顶部与底部中央则受拉,隧道底部中央和顶部容易出现破坏[65-66]。在地面爆炸冲击下,框架式地下结构中部顶板会产生拉伸损伤;当结构埋深较小时,结构动应力响应较大;覆土刚度越小,则对爆炸能量吸收效果越好[67]。而在埋地爆炸冲击下,框架式地下结构迎爆面动力响应最大,最易发生破坏[68];爆炸地震波还有类似天然地震波的剪切特点,可能导致结构薄弱中柱发生剪切破坏[69]。总体而言,在地下人防工程周围设置软弱层或在内壁贴装耗能材料可明显降低结构动力响应[70]。部分学者还基于经验压力时程研究了带初始损伤地下拱结构的抗爆能力,结果表明裂缝明显降低拱结构抗爆炸能力,且裂缝位置影响明显[71]。基于经验压力时程的计算结果虽然会存在一定的误差,但该方法计算简便且能在一定程度上满足工程需要,在实用性上具有一定优势,因而也被许多学者采用。在后续研究中,可进一步积累越来越多经验数据,以使经验时程更接近真实爆炸情况。

t1为初始时刻;t2为材料变形时刻

2.4.2 基于直接模拟爆炸荷载的数值仿真方法

随着近年来计算机技术的不断更新,近年来主要发展了基于有限元(finite element method, FEM)的拉格朗日算法、欧拉算法、任意拉格朗日欧拉(arbitrary Lagrange-Euler, ALE)算法和光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)算法等多种直接模拟爆炸荷载的数值算法。然而,单独采用某种算法都有明显的缺点,如拉格朗日法无法模拟近场爆炸,且往往因网格畸变致使数值计算不收敛;欧拉法的计算成本很高,因为它需要通过界面连续跟踪材料;ALE算法[72]可以克服上述两种方法的缺点,但无法输出反应结构响应的应变参数。因此,耦合两种或多种方法成为了解决上述问题的有效途径[图12(b)、图12(c)]。如地下结构和岩土体采用拉格朗日方法建模,而爆炸物和其他流体材料用欧拉、ALE或SPH方法建模。基于欧拉-拉格朗日耦合算法,学者们系统地探究了不同爆炸冲击情况下地下隧道、地下拱形结构及框架式地下人防工程的冲击震动环境及动力响应规律[73-75],建立了隧道和围岩之间相对速度和有效拉应力的关系[76],明确了结构的毁伤模式及临界毁伤条件[77];探究了装药量、爆距、及接头方式等因素对荷载分布及典型地下人防工程结构抗爆性能的影响[78-79],给出了三维计算模型等效为二维的适用条件[80]。

鉴于ALE算法在模拟爆炸冲击问题中的优势,许多学者基于拉格朗日-ALE耦合算法系统研究了地下人防工程的外爆性能,探究地面及埋地爆炸时土中压缩波的传播过程与规律[81-82],明确了岩土体与地下结构的动力相互作用机理[83],分析了埋置地下人防工程结构上冲击载荷的特点[84],并与理论及试验结果进行了对比验证[85],在此基础上进一步探究了典型地下人防工程结构的动力响应特点,并给出了结构安全性能评价方法[81]。此外,众多学者基于该方法对典型地下人防工程结构抗爆性能的影响因素进行了系统的分析,如周围岩土体条件[86-87]、结构埋深、结构断面型式及跨度[88]、衬砌厚度、配筋布置、覆土深度[89-91]爆炸当量及不同爆炸位置[92]等参数。研究表明,拉格朗日-ALE耦合算法可获得较高的计算精度[85],地面爆炸时,爆炸波以半球形式在土中传播,爆炸冲击的首个冲击波及岩土体与结构的动力相互作用对结构响应起到重要作用[82, 89],而地下爆炸时,地面反射冲击波的影响不可忽略,会使得爆炸总脉冲增加[92]。爆炸波由高阻抗岩土体传向低阻抗混凝土结构时,岩土体卸载,应力减小;反之则岩土体加载,应力增大[83]。顶部爆炸时,圆形隧道衬砌上部为不稳定区域,容易发生破坏,而侧爆时,衬砌结构的损伤程度由侧爆角度、爆炸当量与爆炸距离共同制约[93];而土中浅埋框架式人防工程结构顶板主要承受间接地冲击作用,外墙主要承受直接地冲击作用[84]。软土中深埋结构在受到地面爆炸冲击时更加安全[87],但孔隙水对埋地结构爆炸响应会产生不利影响[86]。提高配筋率可有效提升地下结构的抗爆性能,使顶部破坏从剪-弯破坏转变为弯曲破坏。增大结构厚度可有效降低爆炸动力响应,而结构埋置越深,则土体可以耗散更多的爆炸能量,结构越安全[89],而采用硬-软-硬“三明治”式防护结构可有效降低临近爆炸对结构的不利影响[94]。此外,部分学者还探究了不同结构形式地下隧道的抗爆能力,研究发现圆形和马蹄形隧道比箱形隧道的抗破坏能力弱,而半椭圆形隧道抗爆性能优于箱形隧道[90, 95],结构跨度越大,爆炸对结构安全影响越大[88]。爆炸冲击下结构内部的振动响应可能引起人员伤亡, 有必要进行结构隔振[85, 92]。

SPH是一种近年来发展的无网格数值方法,能避免Euler方法中材料的与欧拉网格的界面问题,适用于冲击、碰撞、爆炸等大变形动态问题的求解。一些学者利用SPH算法在流体力学中的优势,基于SPH-FEM耦合算法[96-98][图12(c)]研究了地下人防工程的外爆性能,目前主要的耦合算法包括绑定接触耦合、混合单元耦合及“点-面”接触耦合等。Wang等[99]、Lu等[100]基于SPH-FEM绑定接触耦合算法研究了地下结构在爆炸载荷下的动力响应,并对比了二维和三维的模拟效果差别。Koneshwaran等[101]通过在SPH粒子及有限单元面之间设置罚函数的SPH-FEM“点-面”接触耦合算法模拟了分段地下隧道的爆炸响应(图13[101]),给出了隧道衬砌的爆炸动力响应机制与失效模式,证明了隧道环中段在横向的拱型响应模式且圆周接头比径向接头更容易失效。王宁等[102]采用SPH-FEM 绑定耦合方法,对近地爆炸冲击下地下结构的动态响应过程进行了数值仿真,结果表明,该方法可有效模拟爆炸荷载在土中的传播过程,且结构内部加速度剧烈变化程度决定了结构的破坏程度。

图13 基于SPH-FEM的地下隧道外爆数值模拟[101]Fig.13 Numerical simulation of underground tunnel under external explosions based onSPH-FEM[101]

综上所述,虽然基于经验压力时程的数值仿真方法计算简便,但现有经验时程曲线过于简化,模拟复杂爆炸情况下地下结构动力响应问题的效性与准确性无法保证。基于直接模拟爆炸荷载的数值仿真方法中拉格朗日与ALE方法耦合的数值模拟方法既可以很好地模拟爆炸的发生与演变机制,也可以很好地分析地下人防工程的爆炸动力响应情况,因而得到了广泛的应用。然而,当前研究主要针对特定结构,未能形成系统有效的地下人防工程爆炸性能评价指标及爆炸易损性的判别方法。而近年来“两防一体化”概念的不断普及和推广,建筑隔振技术也逐渐应用于地下大型人防工程的抗震性能提升之中[103-106],该技术将中柱与结构板之间的刚性连接以隔振柔性连接代替。然而,此类结构体系在外部爆炸作用下的响应机制和抗爆性能尚不清楚,尤其是中柱隔断后其爆炸冲击力学传递机制相较于刚性连接有明显改变,此类结构的抗爆性能亟待深入研究和探讨。此外,未来对于冲击波与高速聚能侵彻联合作用的新性态武器作用下地下人防工程的抗爆性能研究,基于SPH的计算方法也将是一种有效解决手段。

3 结论与展望

中外学者针对城市典型地下人防工程外爆性能评估开展了包括理论分析、试验研究及数值模拟等方面的一系列研究工作,取得了较为丰硕的成果,但仍存在若干亟待解决的问题。

(1)基于多介质动力耦合的爆炸作用机理研究。对于地下人防工程的外爆性能研究,理论方法建立在一定的假设基础上,与实际工程差别较大。现有数值模拟方法已成为研究地下人防工程外爆性能的重要手段,但仍存在计算效率低、难以匹配试验结果和理论机理不清晰的难题。提高城市地下人防工程抗爆性能亟需解决其作用机理问题。

(2)复杂外爆打击环境下试验方法和分析研究。爆炸试验安全风险大、准备周期长、试验成本高,新“平战结合”背景下城市地下人防工程面临的外爆环境更为复杂,新性态武器作用下城市地下人防工程的外部爆炸性能试验研究不足,有待进一步研究和探索。

(3)基于新结构形式的新型抗爆技术研究。隔振等新型振动控制技术逐渐应用于地下大型人防工程的性能提升之中,有望通过改变结构体系形式来提升防爆性能。然而其在外部爆炸作用下的响应机制和抗爆性能尚不清楚,有必要进一步深入研究其全过程作用机理、隔振措施和结构形式。

(4)城市地下人防工程抗爆性能评估标准化研究。确立城市典型地下人防工程抗爆性能评估的标准化结构模型,建立完善适用于标准化模型的外爆性能评价指标、评估数据及共享平台。在此基础上,构建城市典型地下人防工程抗爆性能评估数据库。