基于破坏模式拟合方法的地下结构爆炸损伤评估

Nowadays,safety issues of underground public facilities, such as subway and mines, become more and more important. Structural response and damage of underground structures under blast load are the key points to solve relative problems, which involves mechanical aspects including blast load, soil-structure interaction, and non-linear dynamic response. Most of previous results were based on equivalent SDOF system or specific FE model, which lead to low accuracy or low efficiency. Such results cannot meet the needs of time-saving damage assessment in such field. The current research project aims to study soil-structure interaction (SSI) under internal and external blast senarios, improve mode approximation method, and build up damage assessment system for underground structure under blast load. The system is based on vulnerability map and will be able to not only assess underground structural element and whole structure, but also back-analyze blast load based on structural damage by using designed software. It is highly valued in assessment and structure design fields.The present project will study effect of density change in wave propagation, build up proper SSI model for blast load and underground structure, and discuss effects of boundary condition and combined failure modes in structural damage. The results will lay a solid foundation for further study.

近期地铁、矿井等地下生产和公用设施的安全问题逐渐凸显，爆炸载荷下地下结构的响应和损伤课题是研究这类问题的关键点，其中集合了爆炸载荷、土壤与结构相互作用、和结构非线性动态响应等丰富的力学内涵。以往成果大多使用等效单自由度系统或特定有限元模型，造成计算精度不足或效率偏低，不能满足快速评估损伤的要求。本项目拟研究内部和外部爆炸情形下土壤与结构之间的相互作用机理（SSI），改进经典破坏模式拟合方法，建立地下结构爆炸损伤评估体系。该体系包含结构易损评价图，地下结构单元和整体结构的损伤评估方法，并且可以利用程序根据损伤结果反算爆炸载荷，对评估和设计工作有较高的参考和实用价值。项目中将研究土壤动态密度变化等因素在波传播问题中的特性，针对爆炸载荷提出适用于地下结构的SSI模型，深入探讨边界条件和复合破坏模式对结构损伤的影响，为今后研究地下结构抗爆课题打下坚实的理论基础。

随着国民经济的飞速发展，地铁、地下商场、矿井等地下生产或公用设施的安全问题逐渐凸显出来。爆炸载荷下地下结构的响应和损伤课题是研究这类问题的关键点，集合了爆炸载荷、土壤与结构相互作用、和结构动态响应等丰富的力学内涵。以往的成果大多局限于使用等效单自由度系统或建立特定有限元模型，其计算精度不足或效率偏低，不能满足快速评估损伤的要求，且不能对设计工作提供有效参考。本项目拟从爆炸波在土壤中的传播特性入手，通过解析解、数值模拟方法和试验结果相结合的方式，研究内部或外部爆炸情形下土壤与结构之间的相互作用机理，完善经典破坏模式拟合方法，建立起针对地下结构受到爆炸载荷时的损伤评估体系。该体系包含地下结构单元和整体结构的损伤评估方法，并且可以根据损伤结果反算爆炸载荷，对评估和设计工作有较高的参考和实用价值。.通过本课题的研究，目前已经建立了针对地上与地下结构梁单元和板单元的抗爆损伤计算模型，并且能够考虑非线性的土壤与结构之间相互作用。外部爆炸时，该作用可简化为均布在构件上的阻尼作用，内部爆炸时，该作用可简化为均布在构件上的弹性支撑作用。基于破坏模式拟合方法的理论解也与相关数值模拟和试验做了对比，对比结果表明基于理论解绘制的P-I曲线与数值模拟结果误差在可接受范围以内，而数值模拟结果与试验结果非常接近。因此，采用本课题的结果可以对受到爆炸载荷的地面及地下钢筋混凝土结构梁和板单元进行快速损伤评估。