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原文传递地铁车站在内爆炸作用下的结构响应与破坏及地面振动研究

论文题名：	地铁车站在内爆炸作用下的结构响应与破坏及地面振动研究
关键词：	地铁车站;内爆炸作用;动力响应;损伤破坏;地面振动;抗爆性能
摘要：	近年来，针对地铁车站的恐怖爆炸事件频繁发生，南于地铁车站具有人群密集，环境封闭的特点，一旦发生意外爆炸事件，不仅会对爆源附近的人员和设备造成严重伤害，而且爆炸所产生的冲击波作用在结构构件上，会引起车站结构的剧烈振动并发生损伤破坏，甚至会导致某些关键构件的失效而引发结构的倒塌；此外，爆炸冲击波通过土体传到地面，会引起地面振动并对地面人员、建筑和设备的安全产生威胁。为了提高地铁车站的抗爆安全性，本论文系统研究了爆炸波在地铁车站内的传播过程与衰减规律，地铁车站结构在内爆炸作用下的动力响应与损伤破坏分析，以及地铁车站内爆炸作用下的地面振动响应等，主要研究工作和创新成果包括以下几个方面：　　 (1)研究了地铁车站内爆炸波的传播过程与衰减规律。针对目前小型规则地下结构内部爆炸流场的试验与数值研究成果不适用于地铁车站等大型复杂结构，通过有限差分程序AUTODYN，建立了一种基于爆炸超压计算精度的大尺寸网格数值模型，采用Euler方法模拟了爆炸波在地铁车站内的传播过程，对作用在车站结构上的爆炸荷载特点进行了分析，得到了爆炸超压和冲量的衰减规律，给出了爆炸发生时避免人员受伤和死亡的安全距离。通过参数分析，研究了结构高度和出口距爆源距离对爆炸波传播的影响。研究表明：地铁车站内爆炸波的传播时间更长、衰减更慢，对结构的破坏作用更大；结构高度不同不仅影响爆炸波的衰减，而且会引起波形的差异；出口的泄爆作用与出口距爆源的距离有关，出口距爆源越近，其泄爆作用越明显。　　 (2)研究了地铁车站结构在内爆炸作用下的动力响应与损伤破坏。基于非线性有限元技术，通过显式动力分析软件LS-DYNA，建立了地铁车站结构在内部爆炸荷载作用下结构动力响应和损伤破坏的数值模拟方法，对地铁车站在背包炸弹等中小型爆炸装置产生的内部爆炸作用下的结构动态响应进行了分析，得到了梁、板、柱等主要受力构件的位移和应变等动力响应，同时分析了炸药量、构件配筋率、材料应变率效应以及土-结构相互作用等因素对结构主要受力构件响应的影响，并对结构抗爆防护概念设计提出建议。研究表明：在内部爆炸作用下，地铁车站的站台板是结构中破坏最为严重的构件，临近柱和中板会产生开裂等轻微破坏；结构的动力响应随炸药量的增大而增大，随构件配筋率的增大而减小；土-结构相互作用对于距离爆源最近的梁、板、柱构件响应影响较小。　　 (3)研究了地铁车站站台柱的抗爆性能并提出相应的优化设计方法。针对目前尚无针对地铁车站站台柱特殊爆炸环境下抗爆性能方面的研究，建立典型地铁车站站台柱抗爆性能分析模型，从截面形状选取、轴压比的选用、箍筋配筋率及其形式等方面，系统研究并提出了提高其抗爆性能的优化设计方法。研究表明：相同截面面积以及相同爆炸冲击环境下，钢筋混凝土圆柱受到的爆炸冲击能量小于方柱，且与钢筋混凝土方柱相比较，提高圆柱的箍筋配筋率会更为显著的增加其抗爆性能，因此，在地铁年站的站台柱设计时，建议采用圆柱；提高纵筋配筋率和增大箍筋直径对于提高钢筋混凝上柱的抗爆性能效果不明显，减小箍筋间距可以显著提高柱子的抗爆性能，并针对钢筋混凝土圆柱提出一种新的箍筋配筋方式，该方式可以显著提高柱子的抗爆性能；对站台柱设置安全防护距离将显著降低作用于其上的爆炸荷载，提高其抵御意外爆炸的性能，通过研究，提出了合理安全防护距离的概念，并针对典型地铁车站站台柱，给出了建议取值。　　 (4)研究了地铁车站内爆炸引起的地面振动特性及其峰值预测方法。针对目前对地下结构内爆炸引起土中应力波的传播和地面振动的特性缺少相应的研究，以天津某典型地铁车站为例，建立了地下结构内爆炸作用下地而振动的数值模拟方法，对车站内发生意外爆炸后，应力波在周围土体内的传播过程，引起的周边地面振动的特性及其衰减规律进行了数值分析；同时针对国内典型地铁车站，研究了车站埋深、炸药量等参数对地铁车站周边地面振动的影响规律，进而提出了考虑车站埋深和比例距离变化的地铁车站周边地面典型位置的地面振动主要参数的计算公式；并对地面振动的安全性进行了评价。研究成果可用于评估地铁车站遭恐怖爆炸情况下地面周边建筑的振动安全性，也可为地铁车站抗爆设计中车站埋深的选取提供理论依据。
作者：	曲树盛
专业：	土木工程;结构工程
导师：	李忠献
授予学位：	博士
授予学位单位：	天津大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文