王沿朝, 趙志鵬, 強(qiáng)洪夫, 陳清軍

(1.火箭軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部, 西安 710025; 2.火箭軍工程大學(xué)智劍實(shí)驗(yàn)室, 西安 710025; 3.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200092)

地下人防工程是地下人民防空工程的簡稱,指在戰(zhàn)爭時能抵抗一定武器殺傷破壞效應(yīng),保護(hù)人民生命和財產(chǎn)安全的地下防護(hù)工程,同時也是提高國家國防戰(zhàn)略安全和城市防災(zāi)御害能力的關(guān)鍵生命線工程。近年來,“平戰(zhàn)結(jié)合”概念的普及推廣,推動地下人防工程建設(shè)突破了人防部門的責(zé)任局限而納入城市建設(shè)總體規(guī)劃之中,并逐漸擴(kuò)展成為中國城市地下空間開發(fā)的重要內(nèi)容。城市地下人防工程也從傳統(tǒng)的以戰(zhàn)備為目的人防工程轉(zhuǎn)變?yōu)槿诤铣鞘泄步煌?、公用隧道或公共商業(yè)為一體的綜合性地下防護(hù)工程,其所承載的城市功能也愈發(fā)集中。

城市地下人防工程賦存環(huán)境復(fù)雜,結(jié)構(gòu)形式多樣,空間尺度大,一旦在外部爆炸作用下發(fā)生破壞將極難修復(fù)。外部爆炸時城市地下人防工程的性能,對于維護(hù)結(jié)構(gòu)安全,保障人員生命財產(chǎn)安全及災(zāi)后修復(fù)重建,都至關(guān)重要。新時期城市地下人防工程的抗爆防爆需求給研究者提出了新的挑戰(zhàn),總結(jié)現(xiàn)有城市地下人防工程防爆抗爆技術(shù)發(fā)展,并積極推動城市地下人防工程防爆安全性能提升具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

針對地下工程的抗爆性能研究,中外早期主要集中在國防工程領(lǐng)域,并在國防試驗(yàn)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)方法,編制了系列規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)用于地下防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計建造,如美國國防部出臺的《常規(guī)武器防護(hù)設(shè)計原理》(TM5-855-1),《抗偶然爆炸結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》(TM5-1300),美國土木工程協(xié)會的《抗核武器影響的結(jié)構(gòu)設(shè)計》(ASCE Manual 42),中國出臺的《防護(hù)工程防常規(guī)武器結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GJBz 20419.2—1998)等,這些規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的出臺體現(xiàn)了國家層面對地下工程抗爆安全性的高度重視。錢七虎[1]院士在地下防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆性能與設(shè)計方法研究中做出了突出貢獻(xiàn),推動了中國地下防護(hù)工程技術(shù)的飛躍發(fā)展。然而,上述研究成果主要針對國防工程,近年來,“平戰(zhàn)結(jié)合”指導(dǎo)思想下的城市地下人防工程已逐漸發(fā)展成為城市的核心組成部分與關(guān)鍵生命線工程,一旦在爆炸中發(fā)生破壞,將會給人民的生命財產(chǎn)安全帶來極大的威脅,同時也會嚴(yán)重遲滯城市的快速恢復(fù)。因此,研究并評估此類結(jié)構(gòu)的外爆性能十分必要。21世紀(jì)初,中國雖然出臺了相關(guān)的人防工程設(shè)計規(guī)范,但大都參照國防工程研究成果和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)擬定,主要針對以戰(zhàn)備為目標(biāo)的傳統(tǒng)地下人防工程。國防工程與“平戰(zhàn)結(jié)合”背景下新修建的城市地下人防工程的設(shè)計建造標(biāo)準(zhǔn)及抗爆等級明顯不同,既有研究成果對于新結(jié)構(gòu)的適用性需進(jìn)一步驗(yàn)證,新時期城市地下人防工程的外爆安全性亦需進(jìn)一步探討。

鑒于新時期“平戰(zhàn)結(jié)合”背景下城市地下人防工程抗爆性能和防爆技術(shù)研究中尚存在不少亟需解決的問題,首先探討新時期“平戰(zhàn)結(jié)合”背景下城市地下人防工程的分類,闡述地下人防工程的外爆作用機(jī)制;在此基礎(chǔ)上,對中外城市典型地下人防工程的外爆性能從理論方法、模型試驗(yàn)及數(shù)值仿真研究成果等方面進(jìn)行簡要分析與系統(tǒng)總結(jié),并闡述今后需要進(jìn)一步深入研究的幾個關(guān)鍵問題,以期促進(jìn)城市地下人防工程的抗爆研究,進(jìn)一步完善城市地下人防工程抗爆設(shè)計理論與方法。

1 地下人防工程分類

1.1 傳統(tǒng)方式分類

依據(jù)建造方式,地下人防工程可分為掘開式地下人防工程和坑道式地下人防工程。其中,前者可根據(jù)有無地面建筑進(jìn)一步分為單建式地下人防工程和結(jié)建式地下人防工程。單建式地下人防工程獨(dú)立建造于地面以下,地表除出口設(shè)施外,不附著其他建筑[圖1(a)];結(jié)建式地下人防工程則指與地面建筑一同建造,且預(yù)設(shè)防護(hù)功能的地下人防工程[圖1(b)]?？拥朗降叵氯朔拦こ炭筛鶕?jù)其構(gòu)筑形式,進(jìn)一步分為坑道式[圖2(a)[2]]和地道式[圖2(b)[2]]地下人防工程。

圖1 掘開式(明挖)地下人防工程示意圖Fig.1 Schematic diagram of excavation type underground air defense structures

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

按照防護(hù)特性,地下人防工程可分為甲類人防工程和乙類人防工程,其中甲類人防工程防護(hù)等級更高,在戰(zhàn)時可抵御預(yù)定核武器、常規(guī)武器及生化武器的襲擊;乙類人防工程則在戰(zhàn)時可抵御預(yù)定常規(guī)武器及生化武器襲擊。

按照戰(zhàn)時使用功能,地下人防工程則可分為指揮工程(戰(zhàn)時保障指揮機(jī)關(guān)工作)、防空專業(yè)隊(duì)工程(戰(zhàn)時保障防空專業(yè)隊(duì)掩蔽和執(zhí)行某些勤務(wù))、人員掩蔽工程(戰(zhàn)時保障人員掩蔽)及配套工程(戰(zhàn)時的保障性工程)等。

1.2 “平戰(zhàn)結(jié)合”背景下分類

“平戰(zhàn)結(jié)合”背景下,中國城市地下空間大規(guī)模開發(fā)利用推動了傳統(tǒng)以防止戰(zhàn)爭災(zāi)害為主的人防工程演變?yōu)榉乐谷藶闉?zāi)害(包括戰(zhàn)爭災(zāi)害)和自然災(zāi)害等廣泛災(zāi)害的綜合防護(hù)工程。人防工程的建設(shè)發(fā)展也逐步融入城市地下空間綜合開發(fā)利用之中。當(dāng)前,地下人防工程按照所承載的城市功能可大致分為如下幾類。

(1)地下公共交通工程。包括地鐵車站、地下汽車道、地下車庫及地下人行通道等(圖3[3])。近年來,日益加快的城市化進(jìn)程推動了人防工程與地下公共交通工程的快速融合。立體化多層次的城市地下交通系統(tǒng)在極大改善大型城市公共交通需求的同時也在戰(zhàn)時為人們提供了大量的人防保障。此外,一大批地下汽車道、地下車庫及地下人行通道在各大城市興建,將城市交通流從地面轉(zhuǎn)向地下,在緩解地面交通壓力的同時取得了顯著的社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

圖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。包括共同溝、地下管網(wǎng)、地下走廊等(圖4[3])。隨著人們生活水平的不斷提高,以電力、給排水、煤氣、通訊及熱力為主的城市地下管線系統(tǒng)迅猛發(fā)展,在圍繞這些系統(tǒng)工程的整個長度上也都建立了便于人員進(jìn)入檢修和管理的多功能公共隧道。這些地下公共隧道工程的建設(shè)和發(fā)展在和平時期很大程度上提高了城市的現(xiàn)代化程度和集約程度,降低了馬路反復(fù)開挖和施工對人們的生產(chǎn)生活帶來的不利影響,而在戰(zhàn)時則可以有效抵御敵方武器對于城市地下生命線系統(tǒng)的襲擊和破壞,顯著提升了城市基礎(chǔ)設(shè)施在“戰(zhàn)爭期間”和“和平時期”的綜合防災(zāi)御害能力。

(3)地下公共商業(yè)工程。包括地下商業(yè)街、地下綜合體等(圖5[3])。經(jīng)濟(jì)的突飛猛進(jìn)推動了城市商業(yè)的快速發(fā)展,當(dāng)前,各大城市中心地面空間早已擁擠不堪,而地下空間的開發(fā)利用為城市商業(yè)注入了新的活力。各大城市都積極開發(fā)地下公共商業(yè)工程,并建成了一大批地下商業(yè)街。此外,許多城市在探索環(huán)保型、生態(tài)型城市的過程中積極融合城市地下空間功能,發(fā)展了一批集商業(yè)、市政、交通、停車及人防功能于一體的地下綜合體,推動了城市地下空間利用的高效化與集約化。這些預(yù)設(shè)防護(hù)功能的地下公共商業(yè)工程在和平時期可為城市經(jīng)濟(jì)帶來新的活力,在戰(zhàn)時也可成為城市居民躲避敵方武器襲擊的良好防護(hù)工程。

圖5 典型地下公共商業(yè)工程[3]Fig.5 Typical underground public commercial street[3]

(4)地下防護(hù)工程。中國各大城市都是國家重點(diǎn)人防城市,新中國成立初期在全國“長期準(zhǔn)備、重點(diǎn)建設(shè)”的指導(dǎo)思想下,各大城市為了應(yīng)對戰(zhàn)爭威脅,建設(shè)了一批早期人防工程和地下硐室。這批防護(hù)工程在開發(fā)建設(shè)時主要針對戰(zhàn)備防護(hù),在組織上遵循“群眾路線”,在技術(shù)上突出“群眾創(chuàng)造”,沒有進(jìn)行整體的設(shè)計規(guī)劃。目前這批工程除少量由于建設(shè)地點(diǎn)過于偏僻而廢棄之外,大部分已變成市民休憩納涼場所,另有部分被改造成實(shí)驗(yàn)室、科普館等地下工程(圖6[3]),在戰(zhàn)時仍然承擔(dān)著一定的防護(hù)任務(wù)。

圖6 典型地下防護(hù)工程[3]Fig.6 Typical underground protective structures[3]

2 地下人防工程外爆性能分析

外部爆炸沖擊載荷是設(shè)計地下人防工程結(jié)構(gòu)時必須考慮的內(nèi)容[4]。爆炸引起的在地層中傳播的應(yīng)力波又稱為地耦合沖擊波,可分為兩類:一類是直接地耦合沖擊波,另一類是感生地耦合沖擊波[5]。當(dāng)外部爆炸產(chǎn)生的地耦合沖擊波達(dá)到足夠強(qiáng)度時,就會引起地下人防工程結(jié)構(gòu)的破壞。針對地下人防工程的外爆性能,中外專家和學(xué)者探究了地下人防工程的外爆作用機(jī)制,并從理論方法、模型試驗(yàn)及數(shù)值仿真等方面進(jìn)行了針對性的研究。

2.1 外爆作用機(jī)制及其分類

爆炸發(fā)生時,將在極短時間內(nèi)釋放大量能量,在產(chǎn)生高溫高壓的同時對其周圍產(chǎn)生巨大的破壞作用。針對地下人防工程在戰(zhàn)時可能經(jīng)歷的爆炸毀傷環(huán)境,其面臨的外部爆炸沖擊可大致分為三類[6](圖7),具體如下。

Pa為大氣壓;Pmax為沖擊波峰值;ta為到達(dá)時間;t0為正相持續(xù)時間;為負(fù)相持續(xù)時間

2.1.1 自由空氣爆炸

自由空氣中生在爆炸發(fā)時,爆炸沖擊波迅速向外擴(kuò)散。圖7給出了距爆心一定位置某點(diǎn)的爆炸壓力時程[7-8],當(dāng)沖擊波抵達(dá)該點(diǎn)時,壓力峰值急劇增大,并瞬間達(dá)到峰值,之后迅速衰減至大氣壓力以下。在空氣中傳播的沖擊波,接觸到地面后將產(chǎn)生反射,導(dǎo)致沖擊波的運(yùn)動狀態(tài)和參數(shù)都發(fā)生變化,反射一般可分為正反射、斜反射及馬赫反射。自由空氣爆炸產(chǎn)生的能量大都消散在空氣中,小部分被淺表巖土體耗散,對地下人防工程影響較小。威脅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)地表爆炸時,炸藥位于地表或地表附近,類似于空氣爆炸,當(dāng)入射波到達(dá)地面后將發(fā)生反射,部分沖擊能量消散在空氣中,剩余部分能量則傳遞至地面并與巖土體耦合形成應(yīng)力波[4]。該過程中,土體與空氣界面的反射沖擊波產(chǎn)生的張力波將剝離地表巖土體。此外,爆炸產(chǎn)生的氣體將迅速膨脹,向周圍擠壓土體,在形成爆炸坑的同時拋擲出大量爆炸噴射物。對于(近)地表爆炸,當(dāng)爆炸距離結(jié)構(gòu)較近時,將會對地下人防工程的安全帶來明顯的影響。

(3)埋地爆炸。當(dāng)爆炸發(fā)生在地下時,爆炸產(chǎn)生的沖擊波與巖土體的耦合效應(yīng)更加明顯,此時應(yīng)力波在巖土體中向四周傳播,且爆炸向巖土體傳輸?shù)哪芰侩S著爆炸埋深的增加而增大[9]。此外,由于爆炸氣體迅速膨脹并擠壓巖土體,靠近爆心的巖土體在短時間內(nèi)被壓縮而形成空腔[10-11],進(jìn)而導(dǎo)致其組成特性與力學(xué)性能發(fā)生改變,并影響巖土體與地下人防工程的相互作用。當(dāng)埋地爆炸距離結(jié)構(gòu)較近時,將嚴(yán)重威脅地下人防工程的結(jié)構(gòu)安全。

近年來,超音速高精度制導(dǎo)武器及其裝藥技術(shù)快速發(fā)展,命中精度和毀傷效能都顯著提高,對地下人防工程的抗爆安全帶來了更大的威脅和挑戰(zhàn),在此背景下,地下人防工程的外爆效應(yīng)也將隨之發(fā)生顯著的變化,從單一沖擊波作用轉(zhuǎn)變?yōu)闆_擊波與高速聚能侵徹聯(lián)合作用。對于此類新性態(tài)武器作用下的地下人防工程外爆作用機(jī)制和防爆技術(shù)亟需深入研究。

2.2 地下人防工程外爆性能理論方法

地下人防工程服役環(huán)境復(fù)雜,外部爆炸引起的巖土體運(yùn)動受到地下人防工程的阻礙,而地下人防工程的運(yùn)動又受制于巖土體,二者之間既有力的作用,又有變形的約束,還有能量的傳遞,是典型的多介質(zhì)動力耦合問題。長期以來,研究者們一直致力于尋求解決這一復(fù)雜耦合動力學(xué)問題的理論方法(圖8),并形成了以半經(jīng)驗(yàn)半理論法和土-結(jié)構(gòu)相互作用法[7,12-13]為代表的研究思路。

σf為自由場壓力;ρ為土體質(zhì)量密度;c為土體地震波速;u為結(jié)構(gòu)運(yùn)動位移;為結(jié)構(gòu)運(yùn)動速度;Pe為等效荷載;me為等效質(zhì)量;re為等效阻力;ρce為等效阻抗;r為阻抗

2.2.1 半經(jīng)驗(yàn)半理論法

早期研究地下人防工程外爆性能時主要依據(jù)有限的爆炸沖擊試驗(yàn)總結(jié)的半經(jīng)驗(yàn)半理論方法,如系數(shù)法、等效靜載法和拱效應(yīng)法等。這些方法是多年來對土中埋置結(jié)構(gòu)所承受爆炸荷載的發(fā)生機(jī)理的研究而發(fā)展的簡化方法[7,14-16]。其中應(yīng)用最廣的“三系數(shù)法”在確定結(jié)構(gòu)荷載時,在地表空氣沖擊波超壓的基礎(chǔ)上引入考慮土中壓縮波傳播衰減的衰減系數(shù),考慮波與結(jié)構(gòu)及自由地表相互作用的綜合反射系數(shù)及轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)等效靜荷載的動力系數(shù)[7]。該方法在確定地下人防工程結(jié)構(gòu)動載峰值及升壓時間時可根據(jù)式(1)計算。

(1)

式(1)中:Ph為埋深h處的自由場壓力峰值;P1、P2、P3分別為頂板、側(cè)墻和底板動載峰值;Kf、ξ、η分別為頂板綜合反射系數(shù)、側(cè)壓系數(shù)及底壓系數(shù);tc為升壓時間;γc為波速比;c0為起始壓力波速。

系數(shù)法理論簡單,計算方便,且對中等跨度的平頂式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用效果較好[17],因此在工程上應(yīng)用較為廣泛。然而該方法過于簡化,且計算結(jié)果往往偏于保守,對不同型式結(jié)構(gòu)和場地條件,各系數(shù)取值也有待進(jìn)一步驗(yàn)證。鑒于此,文獻(xiàn)[18-20]探究了不同結(jié)構(gòu)型式及爆炸條件下地下人防工程的荷載分布規(guī)律及外爆性能,得到了有益的研究成果,拓展了系數(shù)法的適用范圍。對于深埋結(jié)構(gòu),在爆炸沖擊波作用下,則一般采用等效靜載法計算其載荷,該方法引入了土體的特性系數(shù)和填塞系數(shù)[4],主要用于深埋地下洞庫等地下工程的設(shè)計。拱效應(yīng)法[21]則利用土的抗剪能力將土壓力從大變形位置移至小變形位置,進(jìn)而確定地下結(jié)構(gòu)的荷載分布,拱效應(yīng)大小由土的抗剪強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)變形程度決定。該方法以太沙基靜載條件下的拱效應(yīng)概念為基礎(chǔ),并從位移場出發(fā)確定土中埋置結(jié)構(gòu)的荷載,因而無法考慮爆炸波作用下土中結(jié)構(gòu)與土體的動力相互作用[1]。半經(jīng)驗(yàn)半理論法應(yīng)用簡便,但如何更科學(xué)的對經(jīng)驗(yàn)理論公式中的系數(shù)取值,使計算結(jié)果與工程實(shí)際更加接近有待進(jìn)一步研究和分析。

2.2.2 土-結(jié)構(gòu)相互作用法

土-結(jié)構(gòu)相互作用法以一維波動理論或動力理論為基礎(chǔ),采用“兩步法”方式,首先確定出作用在地下人防工程上的動載,然后再按振動理論計算結(jié)構(gòu)響應(yīng)。在確定動載時,采用了耦合分析的思想,將土與結(jié)構(gòu)視為整體,從土中壓縮波或地表沖擊波抵達(dá)開始,利用波動理論研究波在土中的傳播和接觸結(jié)構(gòu)后的反射與卸荷,進(jìn)而求得作用于結(jié)構(gòu)上的動載。對于剛性結(jié)構(gòu),其爆炸載荷可按式(2)確定。

(2)

式中:Pj(t)和Pg(t)分別為頂、底板所受的壓力;v(t)為結(jié)構(gòu)整體位移速度;c1和ρ分別為頂板上部土體塑性波速和密度;c′1和ρ′分別為底部土體塑性波速和密度;P(t)和P*(t)分別為入射壓縮波的壓力和作用在卸荷土頂?shù)耐翂毫?t0為加載時間;tp為結(jié)構(gòu)卸載波與地表卸載波相交時刻;Hj(t)為不同時刻結(jié)構(gòu)卸載波高度;H′和ρ1分別為覆土厚度及密度;m為剛性結(jié)構(gòu)單位面積質(zhì)量。

基于土-結(jié)構(gòu)相互作用法,錢七虎等[22]系統(tǒng)研究了爆炸沖擊作用下地下防護(hù)結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。為了更準(zhǔn)確地表征土與地下結(jié)構(gòu)之間的動力相互作用,文獻(xiàn)[23-26]對土與不同型式地下結(jié)構(gòu)間相互作用的傳遞函數(shù)及接觸壓力計算方法進(jìn)行了探索和改進(jìn),并對巖土體參數(shù)及荷載形式對地下結(jié)構(gòu)爆炸動力響應(yīng)的影響做了進(jìn)一步探討[27-28]。結(jié)果表明巖土體參數(shù)對地下的爆炸安全性有顯著影響,鋪設(shè)墊層可減小襯砌的位移及內(nèi)力,但墊層厚度并非越厚越好,而荷載作用位置不變、爆炸波入射角的變化對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)影響較大。文獻(xiàn)[29-30]通過引入界面阻尼來考慮爆炸荷載下土與地下結(jié)構(gòu)的動力相互作用,分析了遭受土傳爆炸的代表性地下人防工程的外爆性能。土-結(jié)構(gòu)相互作用法在地下人防工程抗爆分析中理論推導(dǎo)嚴(yán)謹(jǐn),在一定程度上考慮了土與結(jié)構(gòu)的動力相互作用,可以較好地揭示了動荷載的產(chǎn)生與發(fā)展的機(jī)理。

綜上所述,雖然半理論半經(jīng)驗(yàn)法計算簡便,但卻難以考慮爆炸沖擊下重要的土-結(jié)構(gòu)動力相互作用,不能揭示地下人防工程的爆炸荷載的產(chǎn)生機(jī)理與作用機(jī)制,且適用范圍有限。土-結(jié)構(gòu)相互作用法雖然理論推導(dǎo)過程相對復(fù)雜,但其考慮了土與結(jié)構(gòu)的動力相互作用過程,能在一定程度揭示作用于地下人防工程上爆炸荷載的產(chǎn)生機(jī)理與土-結(jié)構(gòu)相互作用效應(yīng),應(yīng)用效果較好,得到的公式也已經(jīng)被應(yīng)用到防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中。但需要指出的是,當(dāng)前應(yīng)用的土-結(jié)構(gòu)相互作用法大多基于一維波動理論推導(dǎo)得到,對于結(jié)構(gòu)尺寸有限的地下人防工程結(jié)構(gòu),其空間尺寸效應(yīng)不可忽略,需進(jìn)一步探究。此外,已有模型大都假設(shè)沖擊波加載瞬間完成,但如果結(jié)構(gòu)尺寸與波長相差不大,則還需分析沖擊波衍射等過程的影響。

2.3 地下人防工程外爆性能模型試驗(yàn)方法

模擬爆炸試驗(yàn)是研究外部爆炸沖擊下地下結(jié)構(gòu)抗爆性能的重要手段,受到中外學(xué)者的廣泛關(guān)注。隨著“平戰(zhàn)結(jié)合”概念的普及推廣,相關(guān)試驗(yàn)也從最初的國防工程逐漸轉(zhuǎn)向人防工程領(lǐng)域,并開展了廣泛的模擬爆炸試驗(yàn)。當(dāng)前地下人防工程外爆性能模型試驗(yàn)方法可大致分為三類,具體如下。

2.3.1 非爆炸機(jī)械加載試驗(yàn)

非爆炸方式施加類爆炸荷載主要涉及落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)和液壓伺服驅(qū)動爆炸模擬試驗(yàn)[31]。前者主要利用重力勢能對試件撞擊產(chǎn)生沖擊荷載[32],依據(jù)落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)設(shè)備工作原理,張偉鋒等[33]提出了豎直均布類爆炸荷載機(jī)械式生成方法。Mishra等[34]研究了城市隧道在沖擊爆炸荷載作用下的動態(tài)行為和損傷模式。雖然中外落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)設(shè)備不少,但落錘質(zhì)量普遍較小且有效落高不足,導(dǎo)致撞擊能量較低,不能很好地應(yīng)用于地下人防工程抗爆性能分析之中。液壓伺服驅(qū)動爆炸荷載模擬器通過高速液壓驅(qū)動裝置產(chǎn)生的動力推動撞擊模塊撞擊試件產(chǎn)生類爆炸荷載[35]。該類設(shè)備所產(chǎn)生的沖擊荷載與真實(shí)爆炸荷載接近,典型的有美國加州大學(xué)圣迭戈分校的爆炸模擬器及歐盟安全防護(hù)研究所的爆炸模擬器[36]。但此類設(shè)備技術(shù)復(fù)雜,造價昂貴,且核心技術(shù)掌握在少數(shù)發(fā)達(dá)國家,中國少數(shù)產(chǎn)品僅在國防領(lǐng)域鮮有報道。李志濤等[37]、李杰等[38]研制了深部“一高兩擾動”真三維爆炸模擬試驗(yàn)裝置(圖9[38]),并開展大當(dāng)量爆炸地沖擊下深埋洞室的毀傷效應(yīng)研究?？紤]到地下人防工程已成為城市關(guān)鍵生命線工程,后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步探索此類爆炸模擬裝置在城市地下人防工程抗爆性能分析中的應(yīng)用。

圖9 爆炸模擬試驗(yàn)系統(tǒng)[38]Fig.9 External explosion simulation test system[38]

2.3.2 離心機(jī)試驗(yàn)

離心機(jī)試驗(yàn)自20世紀(jì)80年代被應(yīng)用以來就已經(jīng)被證明是研究地下人防工程結(jié)構(gòu)抗爆性能的有效方法[39-41]。離心機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥裱缦卤壤?原型尺寸結(jié)構(gòu)中炸藥當(dāng)量等于模型尺寸結(jié)構(gòu)中炸藥當(dāng)量與離心加速度N的三次方的乘積[42-43]。因此離心機(jī)試驗(yàn)可以在少量炸藥用量的情況下獲得大當(dāng)量的爆炸效果(圖10[44])?；诳s比離心機(jī)試驗(yàn),De等[45]研究了地面爆炸時地下隧道的響應(yīng)情況,同時探討了不同埋深、不同巖土條件及不同覆蓋保護(hù)層對隧道抗爆性能的影響。馬立秋等[44]探究了淺埋地下隧道在地表爆炸情況下的響應(yīng),結(jié)果表明,爆炸拋出物受科氏加速度影響;結(jié)構(gòu)底部應(yīng)變峰值約為頂部1/3;土層含水量增大將使結(jié)構(gòu)響應(yīng)增大及砂土覆蓋層更有利于結(jié)構(gòu)抗爆。Liu等[46]對飽和土中地下隧道的爆炸動力響應(yīng)進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)在爆炸沖擊方向隧道發(fā)生了嚴(yán)重?fù)p壞,且150 kg TNT爆炸當(dāng)量下,飽和土?xí)l(fā)生液化現(xiàn)象。上述研究表明,離心機(jī)試驗(yàn)在開展地下人防工程抗爆性能研究上有一定的優(yōu)勢,但也存在一些明顯的缺點(diǎn)[47]:如離心機(jī)系統(tǒng)尺寸龐大、構(gòu)造復(fù)雜,使用不便;離心機(jī)建造成本和維護(hù)成本較高;受試驗(yàn)系統(tǒng)性能影響,模型縮尺比偏小等等,如何降低乃至避免這些因素的影響以使離心機(jī)試驗(yàn)更好地應(yīng)用于城市地下人防工程抗爆分析之中是需要解決的問題。

2.3.3 場地爆炸試驗(yàn)

目前檢驗(yàn)地下人防工程整體抗爆性能最主要的方法是場地爆炸試驗(yàn)(圖11[48])。對于小型結(jié)構(gòu),可采用原型試驗(yàn),而對于大型結(jié)構(gòu),一般采用縮尺試驗(yàn)。最初的場地爆炸試驗(yàn)主要集中在地下管道及隧道,對于地下管道及隧道,爆炸波將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生以瞬態(tài)徑向壓縮為主的變形,并產(chǎn)生沿軸向和環(huán)向的剛體振動[49],而正對爆心的隧道管段背部會由于瞬態(tài)彎曲受拉而發(fā)生破壞[50]。文獻(xiàn)[51]還基于隧道的爆炸響應(yīng)特征進(jìn)一步給出了爆炸振動保護(hù)區(qū)范圍,用以指導(dǎo)隧道臨近工程的爆破施工。

圖11 場地爆炸試驗(yàn)[48]Fig.11 Field explosion test[48]

隨著拱形(直墻拱形)人防工程的發(fā)展,專家學(xué)者對此類結(jié)構(gòu)的外爆性能開展了系統(tǒng)的試驗(yàn)探究。文獻(xiàn)[52-53]研究發(fā)現(xiàn),遠(yuǎn)場頂部爆炸時的拱形(直墻拱形)結(jié)構(gòu)上的動載呈準(zhǔn)均勻分布,結(jié)構(gòu)響應(yīng)以整體振動為主,而近場爆炸時呈三角形分布,拱形結(jié)構(gòu)響應(yīng)主要呈彎曲變形模型?；炷羷兟?、拉伸裂縫、剪切破壞以及鋼筋屈服是近距離頂部爆炸時拱形(直墻拱形)結(jié)構(gòu)的主要破壞模式,在拱形成四五條塑性鉸線后,拱結(jié)構(gòu)將發(fā)生塌毀破壞[54]。此外,拱的破壞程度不僅與比例距離相關(guān),還受到爆距與結(jié)構(gòu)跨度之比的影響。文獻(xiàn)[55]提出了基于撓跨比的結(jié)構(gòu)破壞等級劃分模式。針對不同爆炸位置及命中角度,文獻(xiàn)[56]研究發(fā)現(xiàn),相同爆距下,側(cè)方爆炸時結(jié)構(gòu)的毀傷程度最為嚴(yán)重,而在正交角處更容易產(chǎn)生側(cè)裂紋,其增長受加載方向的強(qiáng)烈影響。當(dāng)命中角度增大時,拱頂?shù)呢Q向載荷及相對位移減小,拱腳處的水平載荷和相對位移將增大,但直墻底無明顯變化[57-58]。對于重復(fù)爆炸,初次爆炸形成的圍巖破碎區(qū)及裂縫將加速重復(fù)爆炸時沖擊波的能量衰減,緩解結(jié)構(gòu)承受的沖擊波[59]。

近年來,隨著城市框架式地下人防工程的大規(guī)模建設(shè),部分學(xué)者針對此類結(jié)構(gòu)開展了場地爆炸試驗(yàn),但研究主要集中在特定結(jié)構(gòu)。李歡秋等[60]研究表明,在地下防護(hù)工程中設(shè)置泄爆設(shè)施可有效和提高臨近空間結(jié)構(gòu)抗爆能力,重要工程在外爆時要考慮結(jié)構(gòu)抗力以及抗震減震問題。Zhou等[48,61]通過淺埋城市公共管廊抗爆性能縮比試驗(yàn),揭示了重復(fù)爆炸下管廊頂板是最脆弱的構(gòu)件,且縱向裂縫會沿管廊縱向發(fā)展,而玄武巖纖維布可有效提升地下管廊的抗爆性能。辛凱等[62]通過場地試驗(yàn)研究了爆炸行波作用下單建式人防工程荷載分布規(guī)律,并給出了人防工程不同部位荷載取值的計算方法。劉飛等[63]通過半埋及全埋式人防工程的鄰近爆炸試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)外墻結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載應(yīng)取墻面受力最大位置的荷載,而半埋與全埋地下室外墻鄰近處鉆地爆炸的毀傷效應(yīng),與墻面超壓、爆炸持續(xù)時間、周邊介質(zhì)及介質(zhì)構(gòu)筑物均相關(guān)。然而,對于框架式地下人防工程的場地爆炸試驗(yàn)仍處于起步階段,且爆炸試驗(yàn)安全風(fēng)險大、準(zhǔn)備周期長、試驗(yàn)成本高,如何將其更有效應(yīng)用于“平戰(zhàn)結(jié)合”背景下的城市地下人防工程抗爆性能研究有待進(jìn)一步研究和探索。

綜上所述,非爆炸機(jī)械加載試驗(yàn)在地下人防工程抗爆性能中的研究尚不成熟,且相關(guān)設(shè)備技術(shù)復(fù)雜,造價昂貴,尚不具備廣泛推廣的條件。離心機(jī)試驗(yàn)雖然可以在較小的爆炸當(dāng)量下獲得較大的爆炸效果,但受試驗(yàn)系統(tǒng)的限制,模型縮尺比往往偏小,且離心機(jī)系統(tǒng)使用不便,維護(hù)成本較高,制約了其在地下人防工程抗爆性能研究中的進(jìn)一步發(fā)展。場地爆炸試驗(yàn)與真實(shí)爆炸情況最為接近,且可根據(jù)需求自由選擇不同的模型試驗(yàn)比例,被證明是研究地下人防工程抗爆性能最直接有效的方法。但是限于試驗(yàn)成本與安全因素,現(xiàn)有爆炸試驗(yàn)通常針對特定結(jié)構(gòu)和場地,所獲得的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特征及毀傷效應(yīng)及影響因素尚缺乏系統(tǒng)的梳理歸納。此外,當(dāng)前研究主要關(guān)注結(jié)構(gòu)本身的動力響應(yīng)與損傷破壞情況,事實(shí)上,爆炸沖擊作用下地下人防工程的結(jié)構(gòu)振動可能遠(yuǎn)超人體的耐受極限進(jìn)而無法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的人防工程功能,這在后續(xù)研究中也值得關(guān)注。

2.4 地下人防工程外爆性能數(shù)值仿真方法

對于地下人防工程的外爆性能研究,理論方法建立在一定的假設(shè)基礎(chǔ)上,與實(shí)際工程差別較大。試驗(yàn)研究費(fèi)用昂貴且安全風(fēng)險較大,而數(shù)值模擬方法成本低、可重復(fù)性強(qiáng)、計算結(jié)果良好,已成為研究地下人防工程外爆性能的重要手段。當(dāng)前地下人防工程外爆性能數(shù)值仿真方法可大致分為兩類,具體如下。

2.4.1 基于經(jīng)驗(yàn)壓力時程的數(shù)值仿真方法

受制于計算機(jī)計算性能的不足,早期在進(jìn)行地下人防工程外爆性能評估時往往采用經(jīng)驗(yàn)壓力時程模擬爆炸載荷,如三角形、平臺形或其他形式經(jīng)驗(yàn)壓力時程等[圖12(a)]?；诮?jīng)驗(yàn)壓力時程曲線,學(xué)者們探索了地表及埋地爆炸發(fā)生時典型地下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn),爆炸發(fā)生時隧道主要以彎曲變形為主,正對爆心位置動力響應(yīng)最大,此外,爆炸當(dāng)量越大,隧道埋深越深,巖土體越硬,隧道越容易發(fā)生破壞[64]。對于拱形結(jié)構(gòu),地面爆炸作用時,地下隧道側(cè)面將受壓,而頂部與底部中央則受拉,隧道底部中央和頂部容易出現(xiàn)破壞[65-66]。在地面爆炸沖擊下,框架式地下結(jié)構(gòu)中部頂板會產(chǎn)生拉伸損傷;當(dāng)結(jié)構(gòu)埋深較小時,結(jié)構(gòu)動應(yīng)力響應(yīng)較大;覆土剛度越小,則對爆炸能量吸收效果越好[67]。而在埋地爆炸沖擊下,框架式地下結(jié)構(gòu)迎爆面動力響應(yīng)最大,最易發(fā)生破壞[68];爆炸地震波還有類似天然地震波的剪切特點(diǎn),可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)薄弱中柱發(fā)生剪切破壞[69]?？傮w而言,在地下人防工程周圍設(shè)置軟弱層或在內(nèi)壁貼裝耗能材料可明顯降低結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)[70]。部分學(xué)者還基于經(jīng)驗(yàn)壓力時程研究了帶初始損傷地下拱結(jié)構(gòu)的抗爆能力,結(jié)果表明裂縫明顯降低拱結(jié)構(gòu)抗爆炸能力,且裂縫位置影響明顯[71]?；诮?jīng)驗(yàn)壓力時程的計算結(jié)果雖然會存在一定的誤差,但該方法計算簡便且能在一定程度上滿足工程需要,在實(shí)用性上具有一定優(yōu)勢,因而也被許多學(xué)者采用。在后續(xù)研究中,可進(jìn)一步積累越來越多經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),以使經(jīng)驗(yàn)時程更接近真實(shí)爆炸情況。

t1為初始時刻;t2為材料變形時刻

2.4.2 基于直接模擬爆炸荷載的數(shù)值仿真方法

隨著近年來計算機(jī)技術(shù)的不斷更新,近年來主要發(fā)展了基于有限元(finite element method, FEM)的拉格朗日算法、歐拉算法、任意拉格朗日歐拉(arbitrary Lagrange-Euler, ALE)算法和光滑粒子流體動力學(xué)(smoothed particle hydrodynamics, SPH)算法等多種直接模擬爆炸荷載的數(shù)值算法。然而,單獨(dú)采用某種算法都有明顯的缺點(diǎn),如拉格朗日法無法模擬近場爆炸,且往往因網(wǎng)格畸變致使數(shù)值計算不收斂;歐拉法的計算成本很高,因?yàn)樗枰ㄟ^界面連續(xù)跟蹤材料;ALE算法[72]可以克服上述兩種方法的缺點(diǎn),但無法輸出反應(yīng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的應(yīng)變參數(shù)。因此,耦合兩種或多種方法成為了解決上述問題的有效途徑[圖12(b)、圖12(c)]。如地下結(jié)構(gòu)和巖土體采用拉格朗日方法建模,而爆炸物和其他流體材料用歐拉、ALE或SPH方法建模?；跉W拉-拉格朗日耦合算法,學(xué)者們系統(tǒng)地探究了不同爆炸沖擊情況下地下隧道、地下拱形結(jié)構(gòu)及框架式地下人防工程的沖擊震動環(huán)境及動力響應(yīng)規(guī)律[73-75],建立了隧道和圍巖之間相對速度和有效拉應(yīng)力的關(guān)系[76],明確了結(jié)構(gòu)的毀傷模式及臨界毀傷條件[77];探究了裝藥量、爆距、及接頭方式等因素對荷載分布及典型地下人防工程結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響[78-79],給出了三維計算模型等效為二維的適用條件[80]。

鑒于ALE算法在模擬爆炸沖擊問題中的優(yōu)勢,許多學(xué)者基于拉格朗日-ALE耦合算法系統(tǒng)研究了地下人防工程的外爆性能,探究地面及埋地爆炸時土中壓縮波的傳播過程與規(guī)律[81-82],明確了巖土體與地下結(jié)構(gòu)的動力相互作用機(jī)理[83],分析了埋置地下人防工程結(jié)構(gòu)上沖擊載荷的特點(diǎn)[84],并與理論及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證[85],在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探究了典型地下人防工程結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特點(diǎn),并給出了結(jié)構(gòu)安全性能評價方法[81]。此外,眾多學(xué)者基于該方法對典型地下人防工程結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)的分析,如周圍巖土體條件[86-87]、結(jié)構(gòu)埋深、結(jié)構(gòu)斷面型式及跨度[88]、襯砌厚度、配筋布置、覆土深度[89-91]爆炸當(dāng)量及不同爆炸位置[92]等參數(shù)。研究表明,拉格朗日-ALE耦合算法可獲得較高的計算精度[85],地面爆炸時,爆炸波以半球形式在土中傳播,爆炸沖擊的首個沖擊波及巖土體與結(jié)構(gòu)的動力相互作用對結(jié)構(gòu)響應(yīng)起到重要作用[82, 89],而地下爆炸時,地面反射沖擊波的影響不可忽略,會使得爆炸總脈沖增加[92]。爆炸波由高阻抗巖土體傳向低阻抗混凝土結(jié)構(gòu)時,巖土體卸載,應(yīng)力減小;反之則巖土體加載,應(yīng)力增大[83]。頂部爆炸時,圓形隧道襯砌上部為不穩(wěn)定區(qū)域,容易發(fā)生破壞,而側(cè)爆時,襯砌結(jié)構(gòu)的損傷程度由側(cè)爆角度、爆炸當(dāng)量與爆炸距離共同制約[93];而土中淺埋框架式人防工程結(jié)構(gòu)頂板主要承受間接地沖擊作用,外墻主要承受直接地沖擊作用[84]。軟土中深埋結(jié)構(gòu)在受到地面爆炸沖擊時更加安全[87],但孔隙水對埋地結(jié)構(gòu)爆炸響應(yīng)會產(chǎn)生不利影響[86]。提高配筋率可有效提升地下結(jié)構(gòu)的抗爆性能,使頂部破壞從剪-彎破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢茐?。增大結(jié)構(gòu)厚度可有效降低爆炸動力響應(yīng),而結(jié)構(gòu)埋置越深,則土體可以耗散更多的爆炸能量,結(jié)構(gòu)越安全[89],而采用硬-軟-硬“三明治”式防護(hù)結(jié)構(gòu)可有效降低臨近爆炸對結(jié)構(gòu)的不利影響[94]。此外,部分學(xué)者還探究了不同結(jié)構(gòu)形式地下隧道的抗爆能力,研究發(fā)現(xiàn)圓形和馬蹄形隧道比箱形隧道的抗破壞能力弱,而半橢圓形隧道抗爆性能優(yōu)于箱形隧道[90, 95],結(jié)構(gòu)跨度越大,爆炸對結(jié)構(gòu)安全影響越大[88]。爆炸沖擊下結(jié)構(gòu)內(nèi)部的振動響應(yīng)可能引起人員傷亡, 有必要進(jìn)行結(jié)構(gòu)隔振[85, 92]。

SPH是一種近年來發(fā)展的無網(wǎng)格數(shù)值方法,能避免Euler方法中材料的與歐拉網(wǎng)格的界面問題,適用于沖擊、碰撞、爆炸等大變形動態(tài)問題的求解。一些學(xué)者利用SPH算法在流體力學(xué)中的優(yōu)勢,基于SPH-FEM耦合算法[96-98][圖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綁定接觸耦合、混合單元耦合及“點(diǎn)-面”接觸耦合等。Wang等[99]、Lu等[100]基于SPH-FEM綁定接觸耦合算法研究了地下結(jié)構(gòu)在爆炸載荷下的動力響應(yīng),并對比了二維和三維的模擬效果差別。Koneshwaran等[101]通過在SPH粒子及有限單元面之間設(shè)置罰函數(shù)的SPH-FEM“點(diǎn)-面”接觸耦合算法模擬了分段地下隧道的爆炸響應(yīng)(圖13[101]),給出了隧道襯砌的爆炸動力響應(yīng)機(jī)制與失效模式,證明了隧道環(huán)中段在橫向的拱型響應(yīng)模式且圓周接頭比徑向接頭更容易失效。王寧等[102]采用SPH-FEM 綁定耦合方法,對近地爆炸沖擊下地下結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)過程進(jìn)行了數(shù)值仿真,結(jié)果表明,該方法可有效模擬爆炸荷載在土中的傳播過程,且結(jié)構(gòu)內(nèi)部加速度劇烈變化程度決定了結(jié)構(gòu)的破壞程度。

圖13 基于SPH-FEM的地下隧道外爆數(shù)值模擬[101]Fig.13 Numerical simulation of underground tunnel under external explosions based onSPH-FEM[101]

綜上所述,雖然基于經(jīng)驗(yàn)壓力時程的數(shù)值仿真方法計算簡便,但現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)時程曲線過于簡化,模擬復(fù)雜爆炸情況下地下結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)問題的效性與準(zhǔn)確性無法保證?；谥苯幽M爆炸荷載的數(shù)值仿真方法中拉格朗日與ALE方法耦合的數(shù)值模擬方法既可以很好地模擬爆炸的發(fā)生與演變機(jī)制,也可以很好地分析地下人防工程的爆炸動力響應(yīng)情況,因而得到了廣泛的應(yīng)用。然而,當(dāng)前研究主要針對特定結(jié)構(gòu),未能形成系統(tǒng)有效的地下人防工程爆炸性能評價指標(biāo)及爆炸易損性的判別方法。而近年來“兩防一體化”概念的不斷普及和推廣,建筑隔振技術(shù)也逐漸應(yīng)用于地下大型人防工程的抗震性能提升之中[103-106],該技術(shù)將中柱與結(jié)構(gòu)板之間的剛性連接以隔振柔性連接代替。然而,此類結(jié)構(gòu)體系在外部爆炸作用下的響應(yīng)機(jī)制和抗爆性能尚不清楚,尤其是中柱隔斷后其爆炸沖擊力學(xué)傳遞機(jī)制相較于剛性連接有明顯改變,此類結(jié)構(gòu)的抗爆性能亟待深入研究和探討。此外,未來對于沖擊波與高速聚能侵徹聯(lián)合作用的新性態(tài)武器作用下地下人防工程的抗爆性能研究,基于SPH的計算方法也將是一種有效解決手段。

3 結(jié)論與展望

中外學(xué)者針對城市典型地下人防工程外爆性能評估開展了包括理論分析、試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬等方面的一系列研究工作,取得了較為豐碩的成果,但仍存在若干亟待解決的問題。

(1)基于多介質(zhì)動力耦合的爆炸作用機(jī)理研究。對于地下人防工程的外爆性能研究,理論方法建立在一定的假設(shè)基礎(chǔ)上,與實(shí)際工程差別較大?，F(xiàn)有數(shù)值模擬方法已成為研究地下人防工程外爆性能的重要手段,但仍存在計算效率低、難以匹配試驗(yàn)結(jié)果和理論機(jī)理不清晰的難題。提高城市地下人防工程抗爆性能亟需解決其作用機(jī)理問題。

(2)復(fù)雜外爆打擊環(huán)境下試驗(yàn)方法和分析研究。爆炸試驗(yàn)安全風(fēng)險大、準(zhǔn)備周期長、試驗(yàn)成本高,新“平戰(zhàn)結(jié)合”背景下城市地下人防工程面臨的外爆環(huán)境更為復(fù)雜,新性態(tài)武器作用下城市地下人防工程的外部爆炸性能試驗(yàn)研究不足,有待進(jìn)一步研究和探索。

(3)基于新結(jié)構(gòu)形式的新型抗爆技術(shù)研究。隔振等新型振動控制技術(shù)逐漸應(yīng)用于地下大型人防工程的性能提升之中,有望通過改變結(jié)構(gòu)體系形式來提升防爆性能。然而其在外部爆炸作用下的響應(yīng)機(jī)制和抗爆性能尚不清楚,有必要進(jìn)一步深入研究其全過程作用機(jī)理、隔振措施和結(jié)構(gòu)形式。

(4)城市地下人防工程抗爆性能評估標(biāo)準(zhǔn)化研究。確立城市典型地下人防工程抗爆性能評估的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)模型,建立完善適用于標(biāo)準(zhǔn)化模型的外爆性能評價指標(biāo)、評估數(shù)據(jù)及共享平臺。在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建城市典型地下人防工程抗爆性能評估數(shù)據(jù)庫。