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原文传递爆炸载荷下地铁站结构设施安全特性研究——以南京某地铁站为例

论文题名：	爆炸载荷下地铁站结构设施安全特性研究——以南京某地铁站为例
关键词：	地铁站;爆炸载荷;爆炸冲击波;传播规律;动力响应;安全性能;空间环境
摘要：	地铁作为缓解城市交通压力的主要交通方式，因其全天候、准时、快捷等优势受到人们的日益青睐。然而地铁在给人们提供出行便利的同时，也带来了安全隐患。由于地铁车站空间环境受限，且客流量大，一旦发生突发的爆炸事故，将会对地铁站内设施结构造成不同程度严重的破坏乃至危及人员的生命安全。因此，不失时机地开展地铁站内设施结构在爆炸载荷下安全性能研究是一项重要的课题。本文以地铁站为研究对象，在地铁站内爆炸冲击波传播规律的分析基础上，深入研究爆炸载荷作用下地铁站内结构的动力响应及安全性能。其主要研究的工作包括以下几个方面：　　（1）阐述了爆炸场分析的相关基础理论，分析了自由爆炸波和约束爆炸波传播的现象；着重探讨了受限空间（地下空间）内爆炸冲击波的传播规律；考虑爆炸波对地铁站内结构的冲击效应，分析了地铁站主要建筑材料，如混凝土、钢材的力学性能；针对结构大变形问题的处理，研究了解决流固耦合问题的ALE（Arbitrary-Lagrange-Euler）方法，介绍了LS-DYNA力学仿真软件，为课题的研究提供了方法。　　（2）数值研究了地铁站内爆炸冲击波传播过程。以南京某地铁站为例，在对地铁站结构进行简化处理的基础上，建立了地铁站三维模型；采用结构网格对计算区域进行网格划分；基于流固耦合ALE方法，采用LS-DYNA软件，细致地模拟了地铁站内爆炸冲击波的发生、发展的传播过程，获得地铁站内冲击波超压在空间、时间上的分布特性及其衰减规律；同时详细地分析了爆源位置、出口位置对爆炸冲击波传播过程的影响。　　（3）数值研究了爆炸载荷下地铁站内关键结构的动力学特性。以南京某地铁站为例，基于钢筋与混凝土之间的粘合效应，提出了一种对爆炸冲击波与地铁站内结构的流固耦合效应的数值模拟方法，建立了地铁站结构动力响应计算模型，得到了地铁站内关键结构的应变、应力、位移分布特性；并着重探讨了柱内纵筋轴力的变化；考虑不同爆源强度和位置等因素的影响，研究了爆炸载荷与结构动力响应的关系。数值结果表明：在爆炸载荷作用下，近爆源区域中的中层混凝土板、钢筋混凝土柱、底层混凝土板、钢筋混凝土柱内纵筋均有可能发生开裂脆断等大形变现象，严重影响到站内结构的安全性。　　（4）提出了改善地铁站内结构抗爆性的安全设计方法。在地铁站结构材料不变的前提下，从地铁站台的空间布局，如高度、宽度、出口处面积、出口处位置等角度，分析了地铁站内结构抗爆能力。研究表明：地铁站层间高度，出口面积的适当增加，出口位置的合理布局将会有效地提高地铁站结构抗爆能力。　　论文成果可为爆炸载荷下地铁站内结构设施的安全防护以及地铁站结构设施抗爆设计提供理论性的依据。
作者：	刘晨
专业：	交通信息工程及控制
导师：	曹从咏
授予学位：	硕士
授予学位单位：	南京理工大学
学位年度：	2020