爆炸作用下土中竖井结构荷载分布规律_孙善政.pdf

第2卷 第1期V o l.2 N o.1 2 0 2 3年2月 J o u r n a l o f A r m y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P L A F e b.2 0 2 3爆炸作用下土中竖井结构荷载分布规律孙善政,卢 浩,陈 昊,王德荣(陆军工程大学 国防工程学院,江苏 南京 2 1 0 0 0 7)摘要:为研究爆炸作用下非饱和黏土中竖井上荷载分布规律,开展了8组土中竖井受侧向爆炸作用模型试验及2 4组数值模拟计算。通过对比数值模拟与试验结果,验证了数值模拟计算合理性。根据试验及数值模拟计算结果,分析了竖井上荷载的时空分布规律,提出了能够合理描述荷载轴向、环向空间分布的预测公式。结果表明:(1)荷载轴向上是钟形分布,并且随着装药距离的增加分布越发均匀,且可以认为荷载在一定轴向范围内是同时达到的;(2)荷载环向呈现明显的时空不均匀性,侧压系数和背压系数都随着装药距离与结构直径比值的增大而增大;(3)分别采用修正的正态分布曲线和三角函数曲线描述荷载的轴向和环向分布是合理的。预测公式可以用于竖井结构抗爆分析。关键词:爆炸荷载;荷载分布;竖井结构;圆柱壳 中图分类号:TU 9 2D O I:1 0.1 2 0 1 8/j.i s s n.2 0 9 7-0 7 3 0.2 0 2 2 0 5 0 5 0 0 2D i s t r i b u t i o n o f E x p l o s i o n L o a d o n S i l o S t r u c t u r e i n S o i l S UN S h a n z h e n g,L U H a o,CHE N H a o,WANG D e r o n g(C o l l e g e o f N a t i o n a l D e f e n s e E n g i n e e r i n g,A r m y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f P L A,N a n j i n g 2 1 0 0 0 7,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o s t u d y t h e l o a d d i s t r i b u t i o n o f s i l o s i n u n s a t u r a t e d c l a y u n d e r t h e i n f l u e n c e o f e x-p l o s i o n,8 g r o u p s o f m o d e l t e s t a n d 2 4 g r o u p s o f n u m e r i c a l s i m u l a t i o n c a l c u l a t i o n o f t h e s i l o s t r u c t u r e s i n s o i l d a m a g e d b y t h e l a t e r a l e x p l o s i o n s w e r e c o n d u c t e d.T h e r a t i o n a l i t y o f t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n w a s v e r i f i e d b y c o m p a r i n g t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n s a n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s.T h e s p a t i a l a n d t e m p o r a l d i s t r i-b u t i o n o f e x p l o s i o n l o a d o n t h e s i l o s t r u c t u r e s i n s o i l w a s a n a l y z e d b a s e d o n t h e e x p e r i m e n t a l a n d n u m e r i c a l s i m u l a t i o n r e s u l t s.T h e p r e d i c t i o n f o r m u l a s t h a t c a n r e a s o n a b l y d e s c r i b e t h e a x i a l a n d c i r c u m f e r e n t i a l d i s-t r i b u t i o n o f t h e e x p l o s i o n l o a d w e r e p r o p o s e d.T h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s c a n b e d r a w n.F i r s t,i n t h e a x i a l d i r e c t i o n,t h e e x p l o s i o n l o a d o n t h e s i l o s t r u c t u r e p r e s e n t s a b e l l-s h a p e d d i s t r i b u t i o n;t h e l o a d d i s t r i b u t i o n b e c o m e s m o r e e v e n w i t h t h e i n c r e a s e o f t h e c h a r g e d i s t a n c e;i n a c e r t a i n a x i a l r a n g e,i t c a n b e a s s u m e d t h a t t h e e x p l o s i o n l o a d r e a c h e s t h e s i l o s t r u c t u r e s i m u l t a n e o u s l y.S e c o n d,t h e c i r c u m f e r e n t i a l d i s t r i b u t i o n o f e x p l o s i o n l o a d o n t h e s i l o s t r u c t u r e s h o w s a n o b v i o u s s p a t i a l a n d t e m p o r a l u n e v e n d i s t r i b u t i o n,w i t h t h e l a t e r a l p r e s s u r e c o e f f i c i e n t a n d t h e r e a r p r e s s u r e c o e f f i c i e n t r i s i n g w i t h t h e i n c r e a s e o f t h e r a t i o o f t h e c h a r-g i n g d i s t a n c e t o t h e s t r u c t u r e d i a m e t e r.L a s t,i t i s r e a s o n a b l e t o r e s p e c t i v e l y u s e t h e m o d i f i e d n o r m a l d i s t r i b u-t i o n c u r v e a n d t h e t r i g o n o m e t r i c f u n c t i o n c u r v e t o d e s c r i b e t h e a x i a l a n d c i r c u m f e r e n t i a l d i s t r i b u t i o n s o f t h e e x p l o-s i o n l o a d.T h e p r o p o s e d p r e d i c t i o n f o r m u l a s c a n b e a p p l i e d t o a n a l y s i s o f b l a s t r e s i s t a n c e o f s i l o s t r u c t u r e s.K e y w o r d s:e x p l o s i o n l o a d;l o a d d i s t r i b u t i o n;s i l o s t r u c t u r e;c y l i n d r i c a l s h e l l 收稿日期:2 0 2 2-0 5-0 5基金项目:国家自然科学基金青年项目(5 1 8 0 8 5 5 2)。第一作者:孙善政,博士研究生,主要研究防护工程毁伤评估,s s 3 5 9 0 5 7 5 4 31 6 3.c o m。通信作者:卢 浩,博士,副教授,主要研究防护工程毁伤评估,l h 8 2 9 8 2 91 6 3.c o m。竖井结构作为重要的空间结构形式之一1,被广泛应用于防护工程中,如地下储藏设施、地下防护工程紧急出入口、通风口和陆基导弹发射井等。现代战争中,这些重要的防护工程时常面临着精确制导武器的打击,这也使得竖井结构在爆炸作用下的毁伤分析及抗爆性能成为研究重点。因此,合理地确定土中竖井结构上爆炸荷载的分布特点及规律是十分重要的,这将为土中竖井结构的抗爆性能、抗爆设计及毁伤评估工作提供基础。然而,目前对于结构上的爆炸荷载分布特点及规律的研究较少,特别是常规武器中近距离爆炸时结构上的荷载分布会呈现出不均匀的特性2-3。同时,不同于梁板结构上爆炸荷载主要考虑迎爆面上荷载的二维分布情况4-5,竖井结构为直立圆柱壳的几何形状,其冲击波与结构相互作用过程较为复杂6-7。目前,国内外学者针对各自领域的圆柱壳结构受爆炸作用荷载分布规律进行了一些研究。文献8,9 分别对空气中刚性和变形圆柱壳与爆炸冲击波相互作用问题进行了理论和数值计算研究,验证了多物质欧拉数值计算方法研究壳体结构流固耦合问题的可行性。水下圆柱壳的研究主要以水下舰艇、兵器装具、桩基等为目标1 0-1 3。顾王明等1 0以水下舰艇为对象,分析了爆炸作用下水下圆柱壳实测壁压曲线特征,并基于流体动力学推导了近距离、小药量爆炸条件下水下圆柱壳表面实际壁压的近似公式。庄铁栓等1 1以高装码头结构为研究目标,开展了长细圆柱壳受水下爆炸作用的模型试验,给出了该类型圆柱壳壁面压力的工程算法。空气中圆柱壳形式的结构很多,如储油罐、安全壳等,学者们将这些结构简化为不同尺寸特征、边界条件的圆柱壳结构,开展了试验、数值模拟研究及理论推导工作,讨论了空爆、触地爆情况下空中圆柱壳上荷载分布特征1 4-1 7。不同于水及空气的介质参数变化不大,土体介质的应力波传播自身比较复杂1 8,土中爆炸冲击波与壳体的相互作用问题更为复杂1 9,目前土中圆柱壳的研究主要集中在深埋隧道、管道一类的长细圆柱壳受核爆荷载作用,常常简化为平面波与无限长圆柱壳相互作用。目前对这类问题的研究方法分为两种,一类方法是简化为平面应变问题,将土体与结构视为一个系统,将土中爆炸冲击波作为外荷载,基于积分变换的方法求解结构的壁面压力及动态响应2 0-2 1;另一类方法则是基于试验及数值计算实测数据,简化得到柱壳结构迎爆面、侧面、背爆面的动荷载的实用工程算法2 2。可以发现,常规武器中近距离爆炸作用下土中竖井结构上荷载分布研究,特别是相关的试验研究较少,可以用于土中竖井结构的爆炸荷载工程算法