运用ANSYS Autodyn仿真技术模拟交通隧道中的爆炸和预测潜在损害

2017-05-13 by:CAE仿真在线来源:互联网

恐怖分子对马德里、伦敦、莫斯科等城市交通隧道的攻击造成了巨大损失——人员死伤、资产损坏和经济后果。由于有限的地下空间、地面塌陷风险和隧道进水(如果在水体下构建),交通隧道中的爆炸极其危险。栢诚公司采用ANSYSAutodyn执行三维耦合Euler-Lagrange(流固耦合)非线性有限元爆炸分析,以仿真普通交通隧道中的爆炸和预测潜在损害。工程师分析了常规保护措施的有效性,如:增加混凝土衬砌厚度或钢筋用量以及替代保护措施,以降低对衬砌的破坏和确定成本。由于运输局或管理机关会平衡多种需求,此类信息可以为决策过程提供帮助。

美国联邦公路管理局(FHWA)和美国州公路和运输协会(AASHTO)在2011年美国受到恐怖主义攻击之后成立了桥梁与隧道安全蓝带委员会。该委员会鉴定了美国200多条交通隧道。其中许多隧道为每天运载数百万旅客的公交系统提供服务。由于交通便利、人员集中、有可能对基础设施造成巨大破坏以及扰乱经济活动,交通隧道极易成为了恐怖分子的目标。

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交通隧道内部

为了提高基础设施的安全性,栢诚公司进行了广泛的内部研究,同时开发出了一种称为TARIF的系统方法。此方法分五个步骤,而且已经应用于多个隧道与地下设施的设计。

基本案例研究

炸药重量和隔离距离是定义爆炸威胁的两个重要参数。炸药重量通常以TNT等效重量测量,而隔离距离是炸药中心到结构支撑面的距离。本研究采用一种保守估计100磅TNT、间距距离为2英尺的背包炸弹作为合理的潜在威胁。

采用厚度为11 英寸、内部直径为20英尺的预制混凝土分段衬砌对普通交通隧道进行建模。相邻管片采用径向螺栓连接;而相邻环片采用钢销连接。

栢诚公司的工程师选择Autodyn中用于烈性炸药的Jones-Wilkins-Lee状态方程模拟通过未反应材料传播并且把炸药转变成爆炸产物的爆震波。RHT应变率相关混凝土模型可用于仿真在爆破荷载下混凝土材料的受损程度。来自Autodyn材料库的STEEL 4340模型可用于仿真钢筋、钢板、螺栓与钢销。此材料模型采用Johnson-Cook强度模型,其代表金属在经受巨大应变、高应变率和高温情况下的强度行为。Drucker-Prager强度线性模型可用于呈现土壤与岩石的行为。

相关仿真集成了结构中的非线性动力、高应变和变形、流固耦合、爆炸、冲击与爆炸波、接触以及相互作用等。在基本情景中,相关仿真预测出大约有2.6平方英尺的衬砌会遭受严重破坏。

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保护措施仿真

栢诚公司的工程师在成本效益研究中考虑了多种不同的保护措施。第一个措施是把隧道衬砌从11英寸提高到12英寸。与基本案例相比,其破坏降低了35%,减少到1.7平方英尺。而衬砌成本提高了5~10%。

所考虑的第二种措施是使钢筋用量加倍。与基本案例相比,此情况下隧道衬砌受到的破坏降低了45%,降至1.4平方英尺。而衬砌成本比基本情景中的提高约20~40%。

第三种保护措施是采用钢- 纤维强化混凝土(SFRC),其中每立方码隧道衬砌与内部结构的混凝土添加80磅钢纤维。

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全部6种保护措施的损坏仿真。蓝色表示未受损,红色表示完全损坏。

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SFRC的建模采用分离式模型,其中假设钢纤维在混凝土单元中均匀分布。根据文献资料,假设钢纤维随其用量提高混凝土构件的强度和韧性。受损面积降低到2.3平方英尺,比基本案例中的低14%。根据来自采用SFRC的类似隧道的资料,由于减少人工和简化制造工艺,工程师估计此方法能够相对于基本案例把成本降低15~20%。

考虑到的另一种保护措施是在隧道壁结合1英寸厚的钢板。仿真显示混凝土衬砌遭受比基本案例更严重的损坏。此模型证明1英寸钢板不能提供有效冲击能量吸收,而且衬砌钢板的冲击会增加爆炸破坏。钢板会使衬砌成本提高30~35%。

栢诚公司的工程师研究了在内衬砌支撑面采用一种4英寸厚泡沫铝板吸收高冲击能量,其中采取由两个金属盖板和泡沫铝填充料的夹层结构。本研究采用了P-α压实模型描述泡沫板的动态压实。仿真证明多孔泡沫可构成有效的冲击衰减装置。衬砌受到的破坏比基本案例中降低了99%以上。不过,增加泡沫板会使衬砌成本提高250%。

本次研究中考虑的最后一种保护措施是把混凝土衬砌厚度提高15英寸,同时缩小钢筋间距。这种保护措施也能使衬砌受到的破坏降低约99%。包含附加挖掘在内的隧道衬砌成本会增加100%。

仿真证明能够几乎全部消除对隧道结构的爆炸冲击,例如:结合内部泡沫铝多孔板;但是成本很高,只有关键结构才能承受。不过,传统方法(如:提高衬砌厚度以及采用钢筋进行设计优化)也能以较低的成本增加来大幅降低破坏。此类信息能够为安全原则制定人员提供巨大帮助。相关研究证明工程仿真的一个重要优势:找到成本与安全性的最佳平衡,特别是针对那些试验研究难度大或者成本高的问题尤为如此。