爆炸冲击波作用下围岩与被覆结构的动力相互作用

孙惠香 路锋 迟维胜 康婷 刘远飞

孙惠香, 路锋, 迟维胜, 康婷, 刘远飞. 爆炸冲击波作用下围岩与被覆结构的动力相互作用[J]. 爆炸与冲击, 2017, 37(4): 670-676. doi: 10.11883/1001-1455(2017)04-0670-07
引用本文: 孙惠香, 路锋, 迟维胜, 康婷, 刘远飞. 爆炸冲击波作用下围岩与被覆结构的动力相互作用[J]. 爆炸与冲击, 2017, 37(4): 670-676. doi: 10.11883/1001-1455(2017)04-0670-07
Sun Huixiang, Lu Feng, Chi Weisheng, Kang Ting, Liu Yuanfei. Dynamic interaction between surrounding rock and initial supporting structure subjected to explosion shock wave[J]. Explosion And Shock Waves, 2017, 37(4): 670-676. doi: 10.11883/1001-1455(2017)04-0670-07
Citation: Sun Huixiang, Lu Feng, Chi Weisheng, Kang Ting, Liu Yuanfei. Dynamic interaction between surrounding rock and initial supporting structure subjected to explosion shock wave[J]. Explosion And Shock Waves, 2017, 37(4): 670-676. doi: 10.11883/1001-1455(2017)04-0670-07

爆炸冲击波作用下围岩与被覆结构的动力相互作用

doi: 10.11883/1001-1455(2017)04-0670-07
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51208506

国家自然科学基金项目 51308540

详细信息
    作者简介:

    孙惠香(1975-),女,博士,副教授,sunhx7504@sina.com

  • 中图分类号: O383.1

Dynamic interaction between surrounding rock and initial supporting structure subjected to explosion shock wave

  • 摘要: 爆炸作用下围岩与被覆结构的动力相互作用对于合理确定防护结构荷载、科学设计被覆结构具有重要意义。运用ANSYS/LS-DYNA非线性显式动力有限元程序和流-固耦合算法,对垂直爆炸作用下不同爆距、不同跨度的地下结构与围岩的动力相互作用进行了数值模拟,应用波动理论进行了动力相互作用力分析,讨论了相互作用动载计算公式在岩石结构中的适用性,得到了围岩与被覆结构的最大相互作用力变化规律。研究结果表明:在距拱顶1~25 m垂直爆炸作用下,14~25 m跨地下结构都发生了拱顶局部破坏,整个拱的混凝土均会产生震动裂缝;当爆距为4 m时,围岩与结构的动力耦合作用最大,可以作为确定最大荷载的依据。
  • 图  1  模拟模型及单元划分

    Figure  1.  Simulation model and elements divided

    图  2  钢筋单元

    Figure  2.  Steel elements

    图  3  拱顶竖向位移对比

    Figure  3.  Vertical displacement of vault

    图  4  应力分布云图

    Figure  4.  Nephogram of stress distribution

    图  5  冲击波压力时程曲线

    Figure  5.  Shock wave pressure versus time

    图  6  结构运动速度曲线

    Figure  6.  Structure velocity versus time

    图  7  结构拱顶压力时程曲线

    Figure  7.  Pressure-time curve of the vault

    图  8  单元最大主应力时程曲线

    Figure  8.  Maximum principal stress of elements versus time

    图  9  混凝土单元的有效塑性应变时程曲线

    Figure  9.  Effective plastic strain-timecurve of concrete elements

    图  10  钢筋单元主应力时程曲线

    Figure  10.  Principal stress-time curveof steel elements

    图  11  拱跨度为14 m、爆距为3 m时的压力时程曲线

    Figure  11.  Pressure-time curve of the structure with 14 m span at the explosion distance of 3 m

    图  12  拱跨度为14 m时的最大相互作用力变化

    Figure  12.  Variation of maximum interaction force of the structure with 14 m span

    图  13  跨度为14 m时混凝土的最小主应力变化

    Figure  13.  Variation of minimum principal stress ofthe concrete with 14 m span

    图  14  跨度为14 m时拱顶钢筋的最小主应力变化

    Figure  14.  Variation of minimum principal stress of the steel with 14 m span

    图  15  跨度为14~25 m时混凝土的最大相互作用力变化

    Figure  15.  Variation of maximum interaction force ofthe concrete with 14~25 m span

    图  16  跨度为14~25 m时混凝土的最小主应力变化

    Figure  16.  Variation of minimum principal stress ofthe concrete with 14~25 m span

    表  1  材料参数

    Table  1.   Material parameters

    材料 ρ/(kg·m-3) E/GPa ν fc/MPa εu ft/MPa
    白云岩 2 500 34.0 0.31 83.0 0.003 0 2.45
    混凝土 2 400 32.5 0.20 26.8 0.003 2 2.39
    钢筋 7 850 200.0 0.27 400.0 6.750 0 400.00
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    表  2  炸药材料参数

    Table  2.   Material parameter of explosive

    ρ/(kg·m-3) D/(m·s-1) A/GPa B/GPa R1 R2 ω E0/GPa pCJ/GPa
    930 3 200 371 7.43 4.15 0.95 0.3 7.0 18.5
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    表  3  动力相互作用荷载计算结果与模拟结果的对比

    Table  3.   Comparison of experimental and simulation of dynamic interaction load

    l/m d/m p/MPa 相对误差/%
    计算 模拟
    14 1 142.9 121.2 17.9
    14 2 156.5 197.1 -20.6
    14 3 186.5 317.1 -41.2
    14 4 201.4 320.5 -37.1
    14 5 90.9 314.5 -71.1
    14 6 63.1 266.5 -76.3
    14 7 38.8 183.8 -78.9
    15 1 138.9 118.6 17.2
    24 1 140.8 105.7 33.3
    40 1 135.5 100.1 35.4
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-11-28
  • 修回日期:  2016-06-02
  • 刊出日期:  2017-07-25

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