運(yùn)用ANSYS Autodyn仿真技術(shù)模擬交通隧道中的爆炸和預(yù)測(cè)潛在損害

2017-05-13 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

恐怖分子對(duì)馬德里、倫敦、莫斯科等城市交通隧道的攻擊造成了巨大損失——人員死傷、資產(chǎn)損壞和經(jīng)濟(jì)后果。由于有限的地下空間、地面塌陷風(fēng)險(xiǎn)和隧道進(jìn)水(如果在水體下構(gòu)建),交通隧道中的爆炸極其危險(xiǎn)。栢誠公司采用ANSYSAutodyn執(zhí)行三維耦合Euler-Lagrange(流固耦合)非線性有限元爆炸分析,以仿真普通交通隧道中的爆炸和預(yù)測(cè)潛在損害。工程師分析了常規(guī)保護(hù)措施的有效性,如:增加混凝土襯砌厚度或鋼筋用量以及替代保護(hù)措施,以降低對(duì)襯砌的破壞和確定成本。由于運(yùn)輸局或管理機(jī)關(guān)會(huì)平衡多種需求,此類信息可以為決策過程提供幫助。

美國聯(lián)邦公路管理局(FHWA)和美國州公路和運(yùn)輸協(xié)會(huì)(AASHTO)在2011年美國受到恐怖主義攻擊之后成立了橋梁與隧道安全藍(lán)帶委員會(huì)。該委員會(huì)鑒定了美國200多條交通隧道。其中許多隧道為每天運(yùn)載數(shù)百萬旅客的公交系統(tǒng)提供服務(wù)。由于交通便利、人員集中、有可能對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施造成巨大破壞以及擾亂經(jīng)濟(jì)活動(dòng),交通隧道極易成為了恐怖分子的目標(biāo)。

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交通隧道內(nèi)部

為了提高基礎(chǔ)設(shè)施的安全性,栢誠公司進(jìn)行了廣泛的內(nèi)部研究,同時(shí)開發(fā)出了一種稱為TARIF的系統(tǒng)方法。此方法分五個(gè)步驟,而且已經(jīng)應(yīng)用于多個(gè)隧道與地下設(shè)施的設(shè)計(jì)。

基本案例研究

炸藥重量和隔離距離是定義爆炸威脅的兩個(gè)重要參數(shù)。炸藥重量通常以TNT等效重量測(cè)量,而隔離距離是炸藥中心到結(jié)構(gòu)支撐面的距離。本研究采用一種保守估計(jì)100磅TNT、間距距離為2英尺的背包炸彈作為合理的潛在威脅。

采用厚度為11 英寸、內(nèi)部直徑為20英尺的預(yù)制混凝土分段襯砌對(duì)普通交通隧道進(jìn)行建模。相鄰管片采用徑向螺栓連接;而相鄰環(huán)片采用鋼銷連接。

栢誠公司的工程師選擇Autodyn中用于烈性炸藥的Jones-Wilkins-Lee狀態(tài)方程模擬通過未反應(yīng)材料傳播并且把炸藥轉(zhuǎn)變成爆炸產(chǎn)物的爆震波。RHT應(yīng)變率相關(guān)混凝土模型可用于仿真在爆破荷載下混凝土材料的受損程度。來自Autodyn材料庫的STEEL 4340模型可用于仿真鋼筋、鋼板、螺栓與鋼銷。此材料模型采用Johnson-Cook強(qiáng)度模型,其代表金屬在經(jīng)受巨大應(yīng)變、高應(yīng)變率和高溫情況下的強(qiáng)度行為。Drucker-Prager強(qiáng)度線性模型可用于呈現(xiàn)土壤與巖石的行為。

相關(guān)仿真集成了結(jié)構(gòu)中的非線性動(dòng)力、高應(yīng)變和變形、流固耦合、爆炸、沖擊與爆炸波、接觸以及相互作用等。在基本情景中,相關(guān)仿真預(yù)測(cè)出大約有2.6平方英尺的襯砌會(huì)遭受嚴(yán)重破壞。

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保護(hù)措施仿真

栢誠公司的工程師在成本效益研究中考慮了多種不同的保護(hù)措施。第一個(gè)措施是把隧道襯砌從11英寸提高到12英寸。與基本案例相比,其破壞降低了35%,減少到1.7平方英尺。而襯砌成本提高了5~10%。

所考慮的第二種措施是使鋼筋用量加倍。與基本案例相比,此情況下隧道襯砌受到的破壞降低了45%,降至1.4平方英尺。而襯砌成本比基本情景中的提高約20~40%。

第三種保護(hù)措施是采用鋼- 纖維強(qiáng)化混凝土(SFRC),其中每立方碼隧道襯砌與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的混凝土添加80磅鋼纖維。

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全部6種保護(hù)措施的損壞仿真。藍(lán)色表示未受損,紅色表示完全損壞。

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SFRC的建模采用分離式模型,其中假設(shè)鋼纖維在混凝土單元中均勻分布。根據(jù)文獻(xiàn)資料,假設(shè)鋼纖維隨其用量提高混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度和韌性。受損面積降低到2.3平方英尺,比基本案例中的低14%。根據(jù)來自采用SFRC的類似隧道的資料,由于減少人工和簡(jiǎn)化制造工藝,工程師估計(jì)此方法能夠相對(duì)于基本案例把成本降低15~20%。

考慮到的另一種保護(hù)措施是在隧道壁結(jié)合1英寸厚的鋼板。仿真顯示混凝土襯砌遭受比基本案例更嚴(yán)重的損壞。此模型證明1英寸鋼板不能提供有效沖擊能量吸收,而且襯砌鋼板的沖擊會(huì)增加爆炸破壞。鋼板會(huì)使襯砌成本提高30~35%。

栢誠公司的工程師研究了在內(nèi)襯砌支撐面采用一種4英寸厚泡沫鋁板吸收高沖擊能量,其中采取由兩個(gè)金屬蓋板和泡沫鋁填充料的夾層結(jié)構(gòu)。本研究采用了P-α壓實(shí)模型描述泡沫板的動(dòng)態(tài)壓實(shí)。仿真證明多孔泡沫可構(gòu)成有效的沖擊衰減裝置。襯砌受到的破壞比基本案例中降低了99%以上。不過,增加泡沫板會(huì)使襯砌成本提高250%。

本次研究中考慮的最后一種保護(hù)措施是把混凝土襯砌厚度提高15英寸,同時(shí)縮小鋼筋間距。這種保護(hù)措施也能使襯砌受到的破壞降低約99%。包含附加挖掘在內(nèi)的隧道襯砌成本會(huì)增加100%。

仿真證明能夠幾乎全部消除對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的爆炸沖擊,例如:結(jié)合內(nèi)部泡沫鋁多孔板;但是成本很高,只有關(guān)鍵結(jié)構(gòu)才能承受。不過,傳統(tǒng)方法(如:提高襯砌厚度以及采用鋼筋進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化)也能以較低的成本增加來大幅降低破壞。此類信息能夠?yàn)榘踩瓌t制定人員提供巨大幫助。相關(guān)研究證明工程仿真的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì):找到成本與安全性的最佳平衡,特別是針對(duì)那些試驗(yàn)研究難度大或者成本高的問題尤為如此。