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爆炸冲击下地铁站支承柱与隧道衬砌的防护性能研究

作　者: 付学燃
导　师: 田力
学　校: 天津大学
专　业: 结构工程
关键词: 地铁站支承柱隧道衬砌爆炸波泡沫铝碳纤维布防爆措施
分类号: U455.91
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 78次
引　用: 1次
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内容摘要

地铁车站包括站台和停车轨道两部分,中间由混凝土柱进行支撑,形成一个封闭的地下空间;地铁隧道主要依靠其四周的混凝土衬砌进行支撑,保持结构稳定。这些起支撑作用的柱体和衬砌一旦遭受爆炸冲击而被破坏,就有可能引起整个结构坍塌,甚至引起周边地面建筑物的破坏和倒塌,造成巨大的灾难。本文以流体动力学和爆炸力学为理论基础,运用ANSYS/LS-DYNA软件,采用ALE方法和流固耦合算法,模拟了地铁站和地铁隧道内发生爆炸的情景,分析并研究了结构构件在遭受爆炸冲击下的响应情况,以及相关防护措施的防爆效果。主要研究工作包括:(1)建立地铁站内部空间结构模型,研究在地铁站内不同位置发生爆炸时,地铁站支承柱的响应情况。结果表明,当爆炸位置距柱体非常近时,柱体靠近炸药的部分将会被炸碎;当爆炸位置距柱体较远时,柱体的响应非常复杂,在爆炸波、反射波等共同作用下,柱体背面的应力水平可能更高,而且柱角部位非常容易发生破坏。(2)分别建立地铁站支承柱外敷设泡沫铝防护层和粘贴碳纤维布的模型,模拟在地铁站内不同位置发生爆炸时,地铁站支承柱的响应情况,对比分析两种防护措施的防爆效果。结果表明,泡沫铝防护层可以很好地衰减爆炸冲击波,对地铁站支承柱提供防护。粘贴碳纤维布降低了柱体的最大应力响应,并使得柱体的应力分布比较均匀,可以起到一定的防爆作用,但远不及泡沫铝防护层的效果好,故在工程防爆设计中应优先考虑敷设泡沫铝防护层。(3)针对地铁隧道内发生的爆炸,建立了炸药—空气—衬砌—土体耦合体系模型,分别模拟在敷设泡沫铝防护层前后地铁隧道中发生的爆炸,对比隧道衬砌的响应情况,分析泡沫铝防护层的防爆效果。研究结果表明,贴敷泡沫铝防护层之后,地铁隧道衬砌的应力水平大幅降低,而且应力分布比较均匀,防爆效果明显。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-20
  1.1 课题的社会背景  8-9
  1.2 爆炸冲击波的传播规律  9-15
  1.3 抗爆领域的研究现状  15-18
  1.4 本文的主要研究工作  18-20
第二章爆炸问题数值模拟的基本理论  20-36
  2.1 动力学问题的有限元解法  20-24
  2.2 LS-DYNA 软件在工程抗爆中的应用  24-28
  2.3 混凝土材料的本构模型  28-33
  2.4 爆炸材料模型及其状态方程  33-34
  2.5 空气材料模型及其状态方程  34-35
  2.6 本章小结  35-36
第三章泡沫铝和碳纤维材料的防爆性能研究  36-47
  3.1 泡沫金属材料概述  36-39
  3.2 泡沫铝的力学性能  39-41
  3.3 泡沫铝的吸能特性  41-43
  3.4 CFRP 材料概述  43-44
  3.5 CFRP 材料的主要性能指标  44-46
  3.6 本章小结  46-47
第四章爆炸荷载下地铁站支承柱的防护研究  47-78
  4.1 数值分析模型  47-52
  4.2 地铁站内不同位置爆炸时支承柱的响应情况  52-61
  4.3 地铁站支承柱外贴敷泡沫铝材料的防爆效果  61-68
  4.4 地铁站支承柱外贴碳纤维布的防爆效果  68-76
  4.5 本章小结  76-78
第五章爆炸荷载下地铁隧道衬砌的防护研究  78-88
  5.1 数值分析模型  78-80
  5.2 土体的本构模型及材料参数  80-82
  5.3 计算结果  82-85
  5.4 比较分析  85-86
  5.5 本章小结  86-88
第六章结论与展望  88-90
  6.1 结论  88-89
  6.2 展望  89-90
参考文献  90-94
发表论文和参加科研情况说明  94-95
致谢  95

爆炸冲击下地铁站支承柱与隧道衬砌的防护性能研究

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