极端荷载下沉管隧道接头的损伤状态分析

极端荷载下沉管隧道接头的损伤状态分析

李旺林

重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074

摘要：为了研究沉管隧道在非接触爆炸荷载作用下的应力规律，采用有限元软件建立炸药-空气-结构模型，分别使用混凝土损伤破坏模型和CONWEP理论加载进行当量转化，将工程装药量转化为模拟装药量，实现了爆炸荷载模拟以及节段接头混凝土的破坏路径模拟。基于数值计算结果,对节段接头关键点的受力状态及损伤发展路径进行分析，结果表明：（1）结构的受力与超压有关，且距爆心越远，爆炸冲击波传递至该部位的时刻越慢，对结构强度造成的影响逐渐减弱。（2）节段接头在爆炸荷载作用下，中墙竖向剪力键较侧墙竖向剪力键和上下水平剪力键，更易发生受拉损坏。

关键词：沉管隧道；爆炸；CONWEP理论；节段接头；应力；混凝土损伤；数值模拟。

引言

近年来，沉管隧道发展迅速[1]，地面建筑和地下构筑物（如隧道、物质储备库等）中的各类偶然或蓄意破坏性恐怖爆炸事件时有发生，研究建筑物内的爆炸荷载及遭受其作用的结构安全问题已愈益受到重视。沉管隧道所处位置环境复杂，一旦发生爆炸，后果极其严重。目前，对沉管隧道在爆炸荷载作用下的冲击反应研究还处于起步阶段，研究成果十分零散，不够全面，系统性也不强。鉴于此，本文针对沉管隧道，利用有限元软件，采用CONWEP理论，对爆炸作用下沉管隧道节段接头的冲击反应进行研究。

1数值模拟

1.1 基于CONWEP理论的材料模型

CONWEP是来源于美国军方实验数据的爆炸载荷计算方法，用于自由空气场中的爆炸和近距离爆炸计算。在CONWEP算法中，对于给定的起爆点、加载面、爆炸类型和TNT当量，都能给出式来形成爆炸载荷时程曲线：最大超压、到达时间、超压时间、指数衰减因子等。可以看出，随着空气冲击波的传播，超压降低，使波振面后的压力衰减至环境压力以下[2-3]。

入射冲击波作用在炮孔表面时将发生反射，从而导致爆炸冲击波压力和冲量增强。此时，炮孔表面压强为入射压强和反射压强的耦合效应，与入射压强和反射压强满足如下经验关系。

当≥0时

（1.2）

当＜0时

（1.3）

CONWEP 模型参数涉及爆源至迎爆面的距离、装药量和起爆时刻等。相比于直接施加半理论半经验的爆破荷载压力时程曲线，CONWEP模型中考虑了爆破冲击波入射压强和反射压强在炮孔表面的空间耦合效应，增加了空间维度。

1.2 模型建立及参数设置

根据实际工程接头构造，本次模拟所建立的模型与实际工程比例相同，节段主体部分及剪力键材料为C35混凝土，采用soild单元，单元类型为C3D8R，弹性模量E为31.5Gpa。爆源位于单洞左车道节段连接处，距离节段底部2米，与中墙相距3.5米，TNT质量为20kg。 为了分析爆炸荷载作用下节段接头的动力响应，在接头剪力键处设置了五处分析点，分别对其受力状态、损伤发展路径进行分析，见图1。

图1 爆源与测点布置图

2结果分析

2.1 应力状态分析

为进一步探究沉管隧道在爆炸荷载作用下对结构的影响，对五处分析点的应力状态进行了分析。混凝土结构的最大主应力反映了结构的受拉状态,是评价材料强度和结构安全与否的重要指标。沉管隧道关键点A处在下侧水平剪力键的位置，其最大主应力时程曲线如图2所示，在时刻为1.5ms时出现最大主应力峰值，为1.64MPa。

沉管隧道关键点B处在中墙左侧剪力键的位置，其最大主应力时程曲线如图3所示，图3表明，关键点B较关键点A距离爆源的位置更远，爆炸冲击波传播的速度较慢，在时刻为4.1ms出现最大主应力峰值，为1.87MPa。

沉管隧道关键点C处在下侧水平剪力键的位置，其最大主应力时程曲线如图4所示，图4表明，关键点C较关键点B距离爆源的位置更远，爆炸冲击波传播的速度较慢，在时刻为35.6ms取最大主应力得峰值，为1.48MPa。

沉管隧道关键点D处在侧墙竖直剪力键的位置，其最大主应力时程曲线如图5所示，图5表明，关键点D较关键点C距离爆源的位置更远，爆炸冲击波传播的速度较慢，在时刻为47.7ms取得最大主应力峰值1.78MPa。

沉管隧道点E处在中墙右侧剪力键的位置，其最大主应力时程曲线如图6所示，图6表明，关键点E较关键点B距离爆源的位置更远，爆炸冲击波传播的速度较慢，在时刻为9ms出现最大主应力峰值，为1.9MPa。

从各点的应力时程曲线看出，最大主应力和最小在经历一个主峰值后迅速衰减，并逐步趋于稳定，而离爆心较远处，应力虽然也会经历一次主峰值，但到达主峰值时刻较慢。这又一次验证了应力的变化与超压也有关，且距爆心越远，冲击波传递至该部位的时刻越慢。在该工况下，由于总时程仅为48ms，结构已经受损严重，不能进行计算分析，加上沉管隧道结构的不同，所取分析点的自身的结构性可能导致在该工况作用下的应力并不呈现出规律性的变化，仅凭应力状态变化无法判断出沉管隧道在爆炸荷载下的受损位置，应进一步对受损路径进行研究。

2.2 损伤发展路径

为进一步探究沉管隧道在爆炸荷载作用下对结构的影响，取整个断面为研究对象，研究混凝土的受拉损伤发展路径,计算结果见图7。从图7可以看出，当爆炸发生后，距离爆源最近的下侧剪力键位置处首先发生受拉损坏，其受拉损坏因子达到0.956。随着爆炸冲击波的传递，中墙下侧、中墙剪力键附近开始发生受拉损坏，最后随着爆炸冲击波传递到整个沉管隧道内部。同时，当TNT质量为20kg时且在该位置发生爆炸，下侧剪力键受损更为严重，符合实际损坏发展路径。

图7损伤发展路径

结论

本文基于数值模拟，对沉管隧道的节段接头在爆炸荷载作用下的应力状态和破坏路径进行了系统的研究分析，得出了以下结论：

（1）在爆炸过程中，应力时程曲线都会经历峰值，并逐步趋于稳定，而离爆心较远处，应力虽然也会经历一次主峰值，但到达主峰值时刻较慢。距离爆心越远，爆炸冲击波传递至该部位的时刻越慢，造成沉管隧道的变形也越小，对结构刚度造成的影响逐渐减弱。

（2）节段接头在爆炸荷载作用下，中墙竖向剪力键附近区域较侧墙竖向剪力键和上下水平剪力键附近区域，更易发生受拉损坏。

参考文献：

[1]刘凌锋,林巍,尹海卿, 等.世界交通沉管隧道工程建造情况与我国沉管科技发展现状[J].中国港湾建设,2021.

[2]陈新发,黄西成,豆清波, 等.工程分析中爆炸冲击载荷的计算方法[J].强度与环境,2020,47(1):7.

[3]杨军,张帝,任光.基于CONWEP动态加载的建筑物爆破拆除数值模拟[J].工程爆破,2016,22(5):7.