地下工程波纹钢-混凝土支护结构抗爆炸冲击性能研究

地下工程波纹钢-混凝土支护结构抗爆炸冲击性能研究

何鹏涛1，李胡军1*

(1. 南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京  210094)

摘要：装配式波纹钢内衬结构施工速度快且具有良好的抗冲击和抗震塌性能，是大型洞库的理想支护结构。为详细研究波纹钢板混凝土组合结构在爆炸荷载作用下的动力响应特征及其抗动载效应机理，本文通过波纹钢-混凝土组合结构模型的抗爆试验研究了强动载条件下结构的应变、加速度及位移的响应规律，对比分析了强动载条件下波纹钢-混凝土组合结构与钢筋混凝土结构在动力响应特征上的差异，研究成果表明，波纹钢-混凝土组合结构在近爆炸载荷作用下表现出的大变形和高延性特性耗散了大量的爆炸冲击能量，使得波纹钢-混凝土结构具有更强的抗爆性能。

关键词：爆炸冲击；地下结构工程；波纹钢；抗动载

0研究现状

随着钻地武器打击精度的日益提升，地下工程面临更大的精确打击危险。地下工程中常见的钢筋混凝土结构，在承受爆炸荷载时，尤其是近爆作用下，局部化易发生高度损伤，如混凝土剥落、震塌以及钢筋断裂等[1,2]。同时，爆炸冲击下结构内表面崩落的混凝土碎块具有较高的运动速度，对地下工程中的人员、设备安全等造成严重的威胁[3]~[6]。因此，研究能够提高地下结构抗爆能力并且有效抑制混凝土层裂、震塌现象的结构形式非常重要。

波纹钢是一种具有优异抗变形性能的结构构件，现已广泛应用于隧道、桥涵以及机库中。国内外研究人员针对于其力学性能进行了较深入的研究。Cheng等[7]通过试验和有限元模型研究了波纹钢和超高性能混凝土组合桥面的弯曲性能，并建立了复合桥面承载能力的计算公式；于文静等[8]开展了波纹板防爆墙在爆炸荷载作用下的动态力学性能研究，得到了爆炸荷载下整个破坏过程和破坏模式；李勇等[9]对波纹杂交夹层板在空中爆炸冲击波作用下的力学行为进行了研究，分析了波纹杂交夹层板的毁伤性能及能量吸收特性；Kang[10]利用数值模拟方法研究了混凝土内衬对加固波纹钢管强度的影响；Wang等[11]通过接触爆试验和数值模拟研究了POZD涂层波纹钢加固钢筋混凝土板的抗爆性能。目前对波纹钢-混凝土组合结构的研究主要集中于静力分析和结构板件试验，缺少对波纹钢板组合工程结构在爆炸荷载作用下的动力响应研究，其破坏模式、抗爆机理尚不清晰。

本文通过钢筋混凝土结构和波纹钢-混凝土复合结构在爆炸荷载下的动态响应试验，研究了波纹钢内衬结构的抗动载性能和损伤演化规律，分析了波纹钢-混凝土组合结构与钢筋混凝土结构在动态响应和损伤规律方面的差异，掌握了波纹钢-混凝土结构的抗动载机理。

2 波纹钢抗动载性能试验

2.1试验设计方案

2.1.1试验模型设计及试验布置

试样设计为直墙圆拱结构，净跨1800mm，圆拱半径900 mm，直墙高1800 mm。试件轴向长度1200 mm，结构整体厚度为166 mm。试验中设计了波纹钢-混凝土结构及钢筋混凝土结构2种试件，用于对比分析2种结构的抗爆性能差异，波纹钢板选用GB/T34567-2017 中规定的200 mm-55 mm型波纹板，厚度2mm。波纹钢-混凝土试验模型有波纹钢板、混凝土和栓钉连接件组成。试验模型如图1所示，试验布置如图2所示。

图1 试验模型结构图                图2 试验布置示意图

2.2试验工况

试验炸药采用TNT柱形装药，试验通过改变爆距来施加不同荷载，试验工况见表1。

表1试验工况设计

2.3测试方案

以模型中间截面为测试剖面，在内侧直墙段、圆拱段共设置5个监测点，每个测点分别布置位移计、加速度计、应变片；外侧直墙壁及周边布置的土压力传感器，获得模型外壁压力分布规律，具体试验测点布置如图3。

图3 试验测点布置

3 结论分析

3.1波纹钢-混凝土内衬结构动力响应特征

拱顶（测点1）、拱腰（测点2）、边墙顶部（测点3）、边墙中部（测点4）、边墙底部（测点5）等5处测点在不同TNT当量爆炸条件下的加速度峰值如图4所示，由于距爆心较近，拱顶处入射压力最大，加速度也最大。其次是边墙顶部、拱腰，边墙中部及底部较小。

图4 波纹钢板各测点加速度峰值对比

波纹钢板应变响应时程曲线如图5所示，在爆炸冲击作用下，混凝土产生塑性变形而破碎，波纹钢板受其挤压而形变，应变最大值出现在拱顶（测点1）波峰处，为2600με，未达到钢材的动态屈服应变。波纹钢板的环向应变大于轴向应变，拱顶处的波峰位置发生较大的拉应变，存在一定应力集中现象，波谷则表现为压应变。

（a）环向应变                           （b）轴向应变

图5 波纹钢板典型应变时程曲线

爆炸冲击下，结构的拱顶位置最先变形，后依次为拱脚和边墙，达到峰值后位移均发生了一部分的回弹，具体参数如表2所示。根据试验数据，各个测点均表现出了较大的回弹率，距离爆源最近的拱顶处，最大变形和最终变形都最大，爆炸后的回弹率最低。

表2 不同比例爆距条件下变形响应特征值

* Dm 最大变形量，Df 最终变形量，Re 回弹率

波纹钢-混凝土测点位置处的加速度响应时程曲线如图6所示。

顶部爆炸荷载作用下，结构拱顶的加速度峰值足最大，拱腰和拱脚处次之，边墙中部的加速度最小。结合测试数据可以得到，在爆炸瞬间，波纹钢-混凝土结构产生了强烈的振动。结构中加速度到达峰值的时间早与结构变形，并且响应时间更长。各位置处的加速度响应形式与变形响应相似，达到峰值后都维持较长时间的振荡，对冲击能量进行耗散。

图6 典型加速度响应时程曲线（比例距离0.624 m/kg1/3）

3.2波纹钢组合结构与钢筋混凝土结构动态响应及损伤特征对比

3.2.1动态响应特征

表3为波纹钢-混凝土与钢筋混凝土结构模型在相同工况下典型的动态响应特征参数。波纹钢-混凝土结构的变形量低于钢筋混凝土结构，其回弹率高于钢筋混凝土结构，加速度峰值小于钢筋混凝土结构，但持续时间较长。说明相同荷载条件下，波纹钢-混凝土组合结构的抗变形能力更强，能更好地将外部能量转化为弹性能并进行释放，可减少强动载对结构的损伤。

表3典型的动态响应特征值对比

3.2.2波纹钢混凝土结构抗爆机理

波纹板截面几何结构由圆弧、直线和圆弧组成。由于三段的曲率半径非定常数，平面应力波在其上反射后汇聚于中部对称轴较大的区域，从而减轻了混凝土介质内的应力集中度，避免了应力波在转折、小曲率处的应力集中。其变形和回弹过程消耗了大量能量，减少了透射入混凝土中的拉应力，降低了层裂风险。此外，即使混凝土发生层裂破坏，波纹钢板依然能兜住混凝土碎块，减少层裂掉落带来的危害。

4  结论

通过对波纹钢和混凝土开展化爆条件下的动力响应试验，并对二者的动力响应特征进行深入的分析，可得到一下结论：

1、在化爆冲击波作用下，波纹钢-混凝土组合结构拱顶位置处入射压力最大，混凝土发生了塑性变形，波纹钢板表面加速度最大、变形量最大，波纹钢板响应最为剧烈，为爆炸强动载作用下结构最易损位置。

2、通过对比波纹钢组合结构与钢筋混凝土结构动态响应特征发现在相同爆炸工况下，带有波纹钢内衬的组合结构抵抗爆炸冲击的性能更强。

3钢板混凝土结构的优越性在于钢板变形及回弹消耗了大量能量，且波纹板特殊的曲界面使透射入混凝土中的拉应力减少，降低了混凝土层发生层裂的可能性。

参考文献：

[1]Chen H, Zhou J, Fan H, et al. Dynamic responses of buried arch structure subjected to subsurface localized impulsive loading: Experimental study[J]. International Journal of Impact Engineering, 2014, 65(mar.):89–101.

[2]王鹏, 周健南, 金丰年,等. 土中拱形结构抗爆试验设计与分析[J]. 解放军理工大学学报：自然科学版, 2013, 14(6):5.

[3]周健南, 徐迎, 金丰年,等. 爆炸作用下地下直墙拱结构动荷载分布规律试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2013, 000(011):2283-2289.

[4]刘光昆, 汪维, 刘瑞朝,等. 地下拱形结构近区爆炸荷载分布数值分析[J]. 兵工学报, 2018(A01):6.

[5]赵以贤, 王良国. 爆炸载荷作用下地下拱形结构动态分析[J]. 爆炸与冲击, 1995, 15(003):201-211.

[6]孙惠香, 许金余, 朱国富,等. 爆炸荷载作用下围岩与地下结构的动力相互作用[J]. 爆炸与冲击, 2013(5):6.

[7]Cheng Z, Zhang Q, Bao Y, et al. Flexural behavior of corrugated steel-UHPC composite bridge decks[J]. Engineering Structures, 2021, 246(3):113066.

[8]于文静, 赵金城, 史健勇,等. 波纹板防爆墙在爆炸荷载作用下动态力学性能研究[J]. 四川建筑科学研究, 2012, 38(2):4.

[9]李勇. 空中爆炸载荷作用下波纹杂交夹层板动态响应研究[D]. 华中科技大学, 2016.

[10]Kang J S, Davidson J S. Structural effects of concrete lining for concrete-lined corrugated steel pipes[J]. Structure & Infrastructure Engineering, 2013:130-140.

[11]Wang Wei,Yang Guangrui,Yang Jianchao,Wang Jianhui,Wang Xing. Experimental and numerical research on reinforced concrete slabs strengthened with POZD coated corrugated steel under contact explosive load[J]. International Journal of Impact Engineering,2022,166.