直接地冲击作用下地下结构响应模型试验方法技术

本发明专利技术公开了直接地冲击作用下地下结构响应模型试验方法，首先通过理论计算或数值仿真求出原型结构在直接地冲击作用下的动力响应，由原型结构与缩尺比例因子S分别确定模型尺寸及模型结构在直接地冲击下的动力响应；设定折减系数μ与装药质量，计算模型结构与装药中心之间的距离R，并通过荷载作用时间与结构自振周期的比值判断荷载类型；当外荷载为瞬息冲量载荷时需根据折减系数取值参考图对μ值进行核算，若核算有误则需重新计算R；当外荷载为长作用时间的载荷时需要假定R值计算模型结构变形的最大值δm，根据核算δm值是否一致来调整爆炸距离R。本发明专利技术减少了实验室场地和设备的限制，而且降低了试验成本和安全隐患。

Model test method for response of underground structures under direct impact

【技术实现步骤摘要】
直接地冲击作用下地下结构响应模型试验方法
本专利技术涉及一种直接地冲击作用下地下结构响应模型试验方法，可为地下复杂结构或大型构件在受地冲击荷载作用下模型试验的实施提供理论依据和试验方法，属于结构试验

技术介绍
随着社会经济的发展，科技水平不断提高。但同时由于人口逐年增长，受制于土地资源，城市的交通及生态环境面临着巨大的挑战。为了克服上述问题，地铁、地下商城等地下结构相继出现，地下空间得到了充分的扩展与应用。但地下建筑由于其自身的密闭性、难以救援等特点，已成为恐怖分子袭击的重要目标。因此通过结构爆炸试验深入研究爆炸荷载作用下地下结构的动力响应规律及抗爆减灾方法，具有重要的意义。原型结构的爆炸试验不仅成本高、难度大、受限于实验室条件，而且存在一定的危险性。相比于原型试验，缩尺模型试验是试验成本和空间配置结合最佳的试验技术。缩尺模型试验在不同的工程分支中的应用十分广泛，研究人员可以通过对模型进行试验来验证计算机模拟的正确性并预测原型的物理现象。对于一些复杂的物理现象，理论分析越困难，计算机模拟的效果就越差。相反，使用缩比模型试验来处理较困难的问题是有利的，在分析大型建筑物受外部荷载作用下结构的动力响应，飞机正常飞行姿态下受鸟类冲击的损伤评估等一系列重要的实际工程应用中，模型试验甚至是唯一的选择。目前模型试验多应用在地上结构的相关试验中，随着试验技术的成熟，模型试验也应广泛用于地下结构的抗爆试验中。霍普金森1915年最早提出了Hopkinson比例定律，Hopkinson比例定律是指如果两块同种炸药，装药的几何形状彼此相似，尺寸不同，且在相同大气中爆炸，则在相同的比例距离处会产生相似的爆炸波，其中R为空间距离，W为炸药的当量。目前对于地上结构在爆炸冲击荷载下的模型试验研究多采用较为成熟的适用于线弹性和简单非线性系统的“复印(Replica)”比例定律，“复印(Replica)”比例定律的物理意义为：简单的相似结构在符合Hopkinson比例定律的相似爆炸载荷作用下，产生的变形也相似。由于土体或岩石复杂的物理特性，目前大多数研究仅针对地上结构的模型爆炸试验，对于地下结构或构件的模型爆炸试验研究较少。准确合理的模型试验能够精准预测原型结构在爆炸冲击荷载作用下的动力响应，从而通过掌握足尺结构的响应对地下结构进行有效的抗爆防护，因此提出一种地下结构模型爆炸试验的实施方法是至关重要的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种能够用于地下结构受爆炸冲击荷载作用下结构变形处于弹性范围内的模型试验的实施方法，为地下结构模型爆炸试验提供理论指导和技术支持。本专利技术采用的技术方案为，直接地冲击作用下地下结构响应模型试验方法，包括以下五个步骤：1)通过理论计算或数值仿真求出原型地下结构或构件在受直接地冲击作用下的动力响应。根据长度缩尺比例因子S式中lm，lp分别为模型结构和原型结构的特征长度，将原型结构进行缩尺得到模型结构，原型结构与模型结构各物理量间应满足以下关系δm＝δpS(2)ρm＝ρp(3)σm＝σp(4)εm＝εp(5)mm＝mpS3(6)式中δm，ρm，σm，εm，mm分别为模型结构的变形、密度、应力、应变、质量；δp，ρp，σp，εp，mp分别为原型结构的变形、密度、应力、应变、质量。2)假定式(7)中μ值为1(0＜μ≤1)，选定装药质量，利用公式(7)计算模型结构与装药中心之间的距离R，式中，EbI为板的抗弯刚度，其中E为材料的弹性模量，ν为泊松比；mm为模型结构受荷载作用构件的质量；β在国际单位制中取0.47；ρ为岩土介质的密度；μ为地冲击载荷等效为平面载荷的折减系数；Hm为模型结构受荷载作用构件的高；W为装药重量；n为地冲击衰减系数；f为耦合系数；δm为模型结构最大变形值。通过荷载作用时间与结构自振周期的比值判断荷载类型，当t1≥T/4(8)时外荷载可定性为爆炸冲击波长作用时间的载荷，当t1＜T/4(9)时外荷载可定性为瞬息冲量载荷，式中，T为结构自振周期，t1为荷载作用时间，大小为t1＝2R/c(10)，其中c为地冲击传播速度。3)当外荷载为瞬息冲量载荷时，可以通过图1、图2对μ的取值进行核算，如果核算正确则结束计算，若核算有误则需要重新设定μ值重复步骤(2)，计算出新的R值，直到核算μ正确为止。4)当外荷载为长作用时间的载荷时公式(7)不成立，因此首先假定爆炸距离R，根据式t1＝2R/c(10)计算t1，将t1带入到下式R(α)中，得到R(α)的最大值即为位移放大系数Rmax，式中α＝t/t1，T为结构自振周期，t1为荷载作用时间；然后通过式(12)计算等效静位移ust，ust＝Feq/Keq(12)式中Feq为由结构构件等效单自由度体系求出的等效荷载，Keq为等效刚度；最后利用公式δm＝ust·Rmax(13)计算模型结构变形的最大值δm，并核算是否与步骤(1)中所得变形值一致，若不一致则需重新调整爆炸距离R计算模型结构最大变形δm，直至核算一致为止。5)根据步骤(1)确定出的几何尺寸设计模型结构，根据步骤(2)或步骤(4)来调整装药与结构构件间的距离，在模型结构上安装所需传感器进行数据量测，最后利用雷管引爆炸药进行试验。模型结构的最大动力响处于线弹性范围内。模型结构与原型结构均受直接地冲击荷载作用。该方法通过核算折减系数μ值或模型结构最大变形δm是否满足条件来调整爆炸距离。本专利技术具有如下的特点和优点：1)本专利技术提出的直接地冲击作用下地下结构响应模型试验方法，在保证模型结构与足尺结构几何尺寸满足比例关系及相同材料时，仅通过调整爆炸距离就可以使模型结构与足尺结构的最大变形满足比例关系，从而利用模型试验准确地预测原型结构在爆炸冲击荷载作用下的动力响应。2)本专利技术提出的地下结构模型试验方法简单实用且操作方便。该方法不仅可以降低试验成本，减少安全隐患，还能为地下结构的抗爆防护措施给予更实际的指导建议。附图说明图1为地下结构受直接地冲击荷载示意图；图2为折减系数取值参考图；具体实施方式为了清楚地、明确地阐述本专利技术的原理、技术方案和应用效果，以下通过具体实施例对本专利技术进行详细说明。此处提供的实施例仅用于阐述本专利技术的目的，而非限定本专利技术的技术方案。直接地冲击作用下地下结构响应模型试验方法，具体实施分为以下步骤：1)通过理论计算或数值仿真求出原型地下结构在受直接地冲击作用下的最大变形，根据原型结构与缩尺比例因子S分别确定模型尺寸及模型结构在直接地冲击下的最大变形值(通过理论公式计算出的模型结构最大变形值仅用来与其他试验参数一同确定爆炸距离R，而实际模型结构的最大变形需要通过模型试验进行量测得到)。式中δm，δp分别为模型结构与原型结构的最大变形值；lm，lp分别为模型结构与原型结构的特征长度。2)假定式(7)中μ值为1(0＜μ≤1)，选定装药质量，利用公式计算模型结构与装药中心之间的距离R，式中EbI为板的抗弯刚度，其中E为材料的弹性模量，ν为泊松比；mm为模型结构受荷载作用构件的质量；β在国际单位制中取0.47；ρ为岩土介质的密度；μ为地冲击载荷等效为平面载荷的折减系数；Hm为模型结构受荷载作用构件的高；W为装药重量；n为衰减系数；f为耦合系数；δm为模型结构最大变形值。通过荷载作用时间与结构自振周期的比本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.直接地冲击作用下地下结构响应模型试验方法，其特征在于：包括以下五个步骤，1)通过理论计算或数值仿真求出原型地下结构或构件在受直接地冲击作用下的动力响应；根据长度缩尺比例因子S

【技术特征摘要】
1.直接地冲击作用下地下结构响应模型试验方法，其特征在于：包括以下五个步骤，1)通过理论计算或数值仿真求出原型地下结构或构件在受直接地冲击作用下的动力响应；根据长度缩尺比例因子S式中lm，lp分别为模型结构和原型结构的特征长度，将原型结构进行缩尺得到模型结构，原型结构与模型结构各物理量间应满足以下关系δm＝δpS(2)ρm＝ρp(3)σm＝σp(4)εm＝εp(5)mm＝mpS3(6)式中δm，ρm，σm，εm，mm分别为模型结构的变形、密度、应力、应变、质量；δp，ρp，σp，εp，mp分别为原型结构的变形、密度、应力、应变、质量；2)假定式(7)中μ值为1(0＜μ≤1)，选定装药质量，利用公式(7)计算模型结构与装药中心之间的距离R，式中，EbI为板的抗弯刚度，其中E为材料的弹性模量，ν为泊松比；mm为模型结构受荷载作用构件的质量；β在国际单位制中取0.47；ρ为岩土介质的密度；μ为地冲击载荷等效为平面载荷的折减系数；Hm为模型结构受荷载作用构件的高；W为装药重量；n为地冲击衰减系数；f为耦合系数；δm为模型结构最大变形值；通过荷载作用时间与结构自振周期的比值判断荷载类型，当t1≥T/4(8)时外荷载可定性为爆炸冲击波长作用时间的载荷，当t1＜T/4(9)时外荷载可定性为瞬息冲量载荷，式中，T为结构自振周期，t1为荷载作用时间，大小为t1＝2R/c(10)，其中c为地冲击传播速度；3)当外荷载为瞬息冲量载荷时，通过对μ的取值进行核算，如果核算正确则结...

【专利技术属性】
技术研发人员：周宏元，丛鹏里，王小娟，李永胜，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11