强动载作用下浅埋管廊结构试验研究.pdf
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1、D O I:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 3-0 9 7 2.2 0 2 3.0 3.0 2 5 文章编号:1 0 0 3-0 9 7 2(2 0 2 3)0 3-0 4 9 5-0 7强动载作用下浅埋管廊结构试验研究张 伟1,段亚鹏1,2,高永红2,3*,刘 飞2,3,辛 凯2,3,黄 旭2,3,张 昭2,黄超远2(1.河南科技大学 土木工程学院,河南 洛阳 4 7 1 0 2 3;2.军事科学院国防工程研究院,河南 洛阳 4 7 1 0 2 3;3.武器爆炸冲击波工程防护效能原位检测实验室,河南 洛阳 4 7 1 0 2 3)摘 要:以浅埋双舱管廊结构为研究对象,
2、开展大当量装药爆炸作用下管廊结构毁伤破坏试验。试验结果表明:管廊结构在进行抗爆设计时,可参考本文所述结构荷载计算方法,结构设计偏于安全;典型管廊结构在遭受与工况2当量相当的强动载冲击时,结构安全性会遭到破坏,但结构功能保存良好,内部管线运行正常;管廊结构在强动载作用下的破坏模式表现为大跨顶板弯曲破坏、顶板两侧腋角受压破坏。关键词:综合管廊;强动载;动力响应;破坏模式中图分类号:TU 9 3 文献标识码:A开放科学(资源服务)标识码(O S I D):E x p e r i m e n t a l S t u d y o n S h a l l o w-b u r i e d U t i l i
3、 t y T u n n e l S t r u c t u r e U n d e r S t r o n g D y n a m i c L o a d Z H A N G W e i1,D U A N Y a p e n g1,2,G A O Y o n g h o n g2,3*,L I U F e i2,3,X I N K a i2,3,H U A N G X u2,3,Z H A N G Z h a o2,H U A N G C h a o y u a n2(1.C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g,H e n a n
4、U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,L u o y a n g 4 7 1 0 2 3,C h i n a;2.D e f e n s e E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e,AM S,L u o y a n g 4 7 1 0 2 3,C h i n a;3.W e a p o n B l a s t W a v e E n g i n e e r i n g P r o t e c t i o n E f f e c t i v e n e s s i n
5、 S i t e T e s t i n g L a b o r a t o r y,L u o y a n g 4 7 1 0 2 3,C h i n a)A b s t r a c t:D a m a g e t e s t s o f s h a l l o w b u r i e d d o u b l e c h a m b e r u t i l i t y t u n n e l s t r u c t u r e u n d e r t h e a c t i o n o f l a r g e e q u i v a l e n t c h a r g e e x p l o
6、 s i o n a r e c a r r i e d o u t.T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t,i n a n t i-e x p l o s i o n d e s i g n o f u t i l i t y t u n n e l s t r u c t u r e,t h e c a l c u l a t i o n m e t h o d o f s t r u c t u r a l l o a d d e s c r i b e d i n t h i s p a p e r c a n b e r e f e r
7、 r e d t o,a n d t h e s t r u c t u r a l d e s i g n i s b i a s e d t o w a r d s s a f e t y.T h e s a f e t y o f t h e t y p i c a l u t i l i t y t u n n e l s t r u c t u r e w i l l b e d a m a g e d w h e n i t i s s u b j e c t e d t o t h e s t r o n g d y n a m i c s h o c k e q u i v a
8、 l e n t t o t h e C o n d i t i o n 2,b u t t h e s t r u c t u r a l f u n c t i o n i s w e l l p r e s e r v e d a n d t h e i n t e r n a l p i p e l i n e s r u n s n o r m a l l y.T h e f a i l u r e m o d e s o f u t i l i t y t u n n e l s t r u c t u r e u n d e r s t r o n g d y n a m i c
9、 l o a d a r e t h e b e n d i n g f a i l u r e o f l o n g-s p a n r o o f a n d t h e c o m p r e s s i o n f a i l u r e o f a x i l l a r y a n g l e s o n b o t h s i d e s o f r o o f.K e y w o r d s:u t i l i t y t u n n e l;s t r o n g d y n a m i c l o a d;d y n a m i c r e s p o n s e;f a
10、 i l u r e m o d e0 引言城市地下综合管廊作为收纳众多市政管线的城市生命线工程,对于战时保障城市正常运转起到了至关重要的作用。目前对管廊抗爆性能的研究主要集中在内部爆炸和外部爆炸两个方面。其中,内部爆炸以燃气爆炸为主要研究对象,不在本文讨论范围之内。对管廊结构遭受外部爆炸强动载作用时的动力响应问题,限于经费、安全等多方面的原因,大多采用小尺寸模型试验或数值模拟方法进行研究。Q I AN等1采用有限元软件建立了基于综合管廊项目的F EM模型,全面研究了比例爆距小于0.4 m/k g1/3的土中爆炸对于综合管廊结构的影响,研究指出超过2 0 0 k g T NT地表爆炸会对埋深2
11、 m(比例爆距小于0.4 m/k g1/3)的综合管廊造成极大威胁;抗剪配筋布置对综合管廊的抗爆能力具有重要意义;增加配筋率会使顶板的破坏模式从剪切和弯曲联合破坏转变为弯曲破坏;增加墙体厚度和结构整体埋深可以如期提高综合管廊的抗爆能力。周强等2-3设计、浇筑了部分缩尺管廊构件,并进行了现场爆炸试验,试验证明管廊顶板是最脆弱的构件,顶板裂缝沿结构纵向发育,而且将 收稿日期:2 0 2 1-1 2-2 9;修回日期:2 0 2 2-1 2-1 8;*.通信联系人,E-m a i l:1 1 3 7 4 4 2 8 3 7q q.c o m;1 0 9 7 4 2 3 8 6 7q q.c o m
12、基金项目:国家人民防空办公室重点研究课题(2 0 1 5 R F-K 7 0 0 1)作者简介:张伟(1 9 6 6),男,河南汝州人,教授,博士,主要从事结构强度研究和机构可靠性评估与设计研究。594信阳师范学院学报(自然科学版)J o u r n a l o f X i n y a n g N o r m a l U n i v e r s i t y第3 6卷 第3期 2 0 2 3年7月 N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n V o l.3 6 N o.3 J u l.2 0 2 3顶板简化为弹性约束的单向板,采用欧拉-伯努利梁方程对顶板变
13、形进行预测,结果较为准确。江水德等4采用1 4榀钢混箱形结构拼装成一个箱形结构,在其顶部覆土进行爆炸试验,经过多次加载得到高强混凝土结构在爆炸强动载作用下的动力响应特征与破坏模式;谢乐等5对地下矩形截面通道在土中爆炸荷载作用下的响应进行了数值模拟,分析了矩形隧道在爆炸荷载作用下的动力响应与破坏节点。周志鸿等6采用基于连续-非连续变形的数值计算方法4 D-L S M构建整体模型,对深厚海相软土地层下综合管廊隧道-桩基础系统在爆炸荷载下响应特征进行研究,结果表明:当爆炸冲击位于地表时,爆炸引起应力波在管廊结构周围和桩基础附近集中,并在管廊上部周围形成显著损伤区。夏明等7通过数值仿真分析,得到了不同
14、装药量、不同装药位置以及不同结构强度下管廊结构的破坏模式。从目前来看,对爆炸强动载作用下管廊结构动力响应问题的试验研究尚有不足,有限元数值分析虽能进行大量补充研究,但管廊结构处于土层之中,其动力响应与颇多因素相关,且岩土力学问题本就错综复杂,缺少试验结果对比时的数值模拟手段,很难得出可靠实用的研究结果。因此,本文以原型管廊为试验对象,研究外部大当量爆炸作用下管廊结构的动力响应与破坏特征,以期为管廊结构防护设计提供指导。1 试验设计1.1 管廊结构设计管廊结构一般有圆形和矩形两种断面形式,矩形断面以较简单的施工流程与较高的空间利用率多被采用。矩形断面综合管廊又可根据舱室数量的不同分为单舱和多舱综
15、合管廊。根据国内不同地域具有代表性的管廊工程案例(如表1所示)可以看出,管廊舱体高度大多在2.53.8 m之间。舱体宽度方面,单线舱宽大多在2.0 m左右,多线舱大概在2.54.0 m之间。管廊结构埋深则因地制宜,大致在0.59.5 m之间。表1 国内部分典型管廊项目概况统计T a b.1 O v e r v i e w s t a t i s t i c s o f s o m e t y p i c a l u t i l i t y t u n n e l p r o j e c t s i n C h i n a序号工程名称舱体高度/m各舱体宽度/m结构覆土厚度/m1上海张杨路综合管廊
16、2.63.2、1.9 51.52广州大学城综合管廊2.52.3、2.2、1.41.23北京未来科技城综合管廓2.92.6、2.0、4.03.03.54郑州经济开发区滨河国际新城综合管廊工程3.23.2、2.32.55包头新都区综合管廊2.63.8、3.2 51.66成都绛溪北组团产业片区综合管廊3.84.0、2.84.29.5 综 合 城 市 综 合 管 廊 工 程 技 术 规 范(G B 5 0 8 3 82 0 1 5)中舱体设置要求,确定试验管结构为双舱形式,全长1 4 m,断面尺寸为(2.1 m+3.6 m)3.0 m,结构上部覆土为5.0 m,如图1所示。管廊结构采用C 3 5级细石
17、混凝土、HR B 4 0 0级钢筋现场整体浇筑成型,其结构设计符合现行国家标准 混凝土结构设计规范(G B 5 0 0 1 0),结构配筋设计如图2所示。1.2 试验工况原型结构破坏性试验造价高且不可重复,需要合理控制装药量,装药量过大会造成结构坍塌无法评估;装药量过小得不到宏观破坏现象,多次加载会造成结构损伤累积,影响最终试验结果。所以必须在试验前对结构的抗力性能与结构上的动荷载进行预测。关于结构的抗力性能,夏明等7通过数值仿真分析得到典型配筋管廊结构,在等效T NT当量2 9 4 k g的强动载作用下,大跨顶板破坏严重出现整体垮塌,小跨也应该会垮塌。关于结构上的动荷载预测,TM 5-8 5
18、 5-1手册中给出了一种土中自由场应力的计算方法,并且认为作用在结构上的荷载应当由该点的自由场应力乘以综合反射系数得到8。为便于计算,特将TM 5-8 5 5-1手册中的公式转换为国际单位制,如式(1)所示。P0=4 8.7 71 0-6fc2.7 9R3W -n,(1)式中:P0为结构受爆面上爆心投影点处的地冲击应力峰值,单位MP a;W为炸药质量,单位k g;R694第3 6卷 第3期信阳师范学院学报(自然科学版)h t t p:/j o u r n a l.x y n u.e d u.c n2 0 2 3年7月为结构迎爆面到装药中心的距离,单位m;f为地冲击耦合系数;c为介质的波阻抗;n
19、为地冲击在介质中的衰减系数。图1 试验管廊结构示意图F i g.1 S t r u c t u r a l d i a g r a m o f t e s t u t i l i t y t u n n e l图2 试验管廊结构配筋图F i g.2 S t r u c t u r a l r e i n f o r c e m e n t d r a w i n g o f t e s t u t i l i t y t u n n e lTM 5-8 5 5-1手册中还提到,结构不同位置处的超压峰值应与距爆心距离的立方根成正比。所以结构顶面任意位置反射超压可以用式(2)描述:Pr=KP0(D
20、/Z)3,(2)式中:Pr为距爆心Z处顶板压力,K为综合反射系数,D为爆心到顶板的距离,Z为距爆心斜距。综上所述,并结合相关工程设计规范,试验方案定为:工况1,装药量为2 0 k g T NT,全埋爆炸,爆心距结构顶板4 m,爆心投影位于结构正中心,用以测试数据采集系统以及获取管廊结构弹性动力响应数据。工况2,装药量等效T NT 1 0 0 k g,全埋爆炸,爆心距结构顶板4 m,爆心投影位于结构正中心,用以获取管廊结构破坏试验数据。1.3 测量方案试验采用江苏东华测试技术股份有限公司的DH 5 9 6 0超动态信号测试分析系统进行试验数据采集。(1)土压力测量根据试验前对结构各部位的荷载预测
21、,将土压力传感器布置如下:管廊结构顶板上覆1 m土中布置5 MP a土压力传感器;结构顶板结构中心、大跨中心、小跨中心以及结构底板布置2 MP a土压力传感器;结构侧墙布置1 MP a土压力传感器。用来测量结构荷载以及土中自由场压力,传感器均布置于结构中心横截面上,如图3所示。图3 土压力传感器布置图F i g.3 L a y o u t o f e a r t h p r e s s u r e s e n s o r(2)钢筋应变测量钢筋应变片布置在管廊大跨顶板横向钢筋中部,小跨顶板横向钢筋中部,大、小跨顶板加腋斜筋处,外墙与隔墙的竖筋中部,大、小跨底板横向钢筋中部,用来获得结构爆炸荷载作
22、用下各部位的应变时程曲线,如图4所示。图4 钢筋应变片布置图F i g.4 L a y o u t o f r e i n f o r c e m e n t s t r a i n g a u g e(3)顶板位移测量位移传感器采用电感式频率输出型单向位移传感器,布置在大跨中心与小跨中心,用来测量爆794张伟,段亚鹏,高永红,等.强动载作用下浅埋管廊结构试验研究炸荷载作用下大跨顶板与小跨顶板的位移时程曲线,均位于结构中心横截面上,如图5所示。图5 位移传感器布置图F i g.5 L a y o u t o f d i s p l a c e m e n t s e n s o r2 试验结果
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