爆炸冲击作用下悬浮隧道动力响应研究

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悬浮隧道是极具前瞻性的新型交通结构形式。但是要将悬浮隧道用于实际建设,还有诸多问题需要解决。其中悬浮隧道受极端荷载的影响是隧道在建设和运营过程中面临的关键问题。为明确悬浮隧道在水下爆炸作用下的响应情况,本文主要的研究内容和结论如下:将悬浮隧道边界设为柔性动边界,考虑两端支撑刚度和减振阻尼的影响,把单跨悬浮隧道的一阶振型近似为简支梁一阶振型和弹性支撑刚性梁平动的叠加,同时考虑冲击波荷载和气泡脉动压力,运用Morsion方程考虑水的作用,根据D’Alembert原理得出动力平衡方程,基于Geers和Hunter的理论认为前一荷载阶段为后一阶段提供初始条件,通过Galerkin法求解振动微分方程,得出了五个阶段不同的位移方程解析解,分析结果发现:锚索支撑刚度增大,结构的振动频率变大,结构对荷载的敏感性加强,不利于结构抗振,而刚度较小时,管段端部位移增大,影响结构安全及行车稳定性;阻尼对跨中位移最大值的限制作用有限,但阻尼的增加对振幅的衰减作用显著,有利于结构减振。支撑刚度变大,会削弱阻尼的减振效果,阻尼应与刚度联合设计。在一定范围内增加爆心距可有效降低结构振动效应,气泡振荡频率可能与隧道振动频率接近导致隧道共振,应通过调整设计参数避免隧道在气泡脉动作用下发生共振。建立圆柱壳体悬浮隧道分析模型,根据Love圆柱壳体本构方程,建立两种圆柱壳振动微分方程,运用振型正交和振型叠加的方法从频域和时域角度求解方程,最后根据Duhamel积分求出广义力作用下结构的位移函数,对爆炸荷载考虑爆心到圆柱壳表面上任意点的距离差异和冲击波传播时间差异,基于势流理论,通过速度势计算流体动压力,并考虑了静水压力的作用。结果发现:相同跨度下,圆柱壳体模型的振动频率和跨中位移最大值均比梁模型更大,圆柱壳体模型的悬浮隧道对荷载的响应更为激烈,管段跨度越长时,受迫产生的振荡运动越难停止。不同的结构简化模型和荷载模型下,两类模型悬浮隧道的结论相似,即爆心距在0-25m范围内,增加爆心距可有效降低结构振动效应;50m后,再增加爆心距对结构减振的效果不显著。提出极限爆心距的概念,用于在确定炸药量的情况下,判断对人体产生伤害的最小爆心距,炸药量与极限爆心距的关系式可为水下爆破提供借鉴以防损伤隧道内的人体。损伤区域长度计算式可用于估计水下爆炸发生后隧道内人体损伤的范围,以及时救援。隧道结构应力、应变与炸药量成正比、与爆心距成反比,爆炸发生后结构会在短时间内出现幅度较大的反复拉伸、压缩过程,应在隧道外部加装吸能减振保护层以防可能引发破坏。隧道管体的损伤范围和变化情况与人体损伤相似,中心点处的损伤最大,以中心点为原点呈现椭圆形。
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