一种隧道结构爆炸易损性曲线和研究方法技术

一种隧道结构爆炸易损性曲线和研究方法，包括：确定隧道结构力学特性与场地类型、隧道埋深特征；确定地表爆炸物的位置不确定性和爆炸当量；建立爆炸荷载作用下土

【技术实现步骤摘要】
一种隧道结构爆炸易损性曲线和研究方法


[0001]本申请涉及隧道工程结构抗爆风险评估领域，尤其涉及一种隧道结构爆炸易损性评估方法。

技术介绍

[0002]随着全球经济的不断发展，交通需求将可预见的增长，隧道系统将凭借克服空间障碍和最大限度减少当地环境影响的巨大优势，在地下建筑设施发展和城市功能保障中发挥愈发重要的作用，其已成为城市经济交流、人员流动、信息传输等功能保障的重要组成部分。重要隧道工程结构一旦在爆炸中破坏，将引发城市部分甚至大部分的功能损失，因此研究隧道工程在爆炸灾害下的动力响应特征并展开抗爆性能评估具有重要意义。
[0003]当前已有不少学者展开隧道工程在爆炸灾害下的动力响应特征研究，然而这些研究往往属于隧道结构和爆炸参数等确定条件下的安全评估，难以考虑特定工程情况或者多重不确定性因素对隧道工程结构爆炸易损性影响，因此无法获得合理精确的隧道工程结构爆炸易损性分析结果。
[0004]传统隧道抗爆性能研究往往属于隧道结构和爆炸参数等确定条件下的安全评估，但爆炸物实际破坏效果易受到爆炸当量和制导精度的影响，确定性的安全评估无法满足隧道实际运营要求，因此展开隧道结构的易损性评估十分重要。
[0005]隧道工程结构是城市功能保障的重要组成部分之一，而鉴于隧道工程当前研究和现实需求之间的差距，无法准确开展隧道工程结构抗爆性能评估，给城市安全保障带来重大隐患。

技术实现思路

[0006]本次申请的目的在于：针对确定性的安全评估无法满足隧道实际运营要求这一不足，提供一种隧道结构爆炸易损性评估方法。本方法将爆炸位置、数值模型等多重不确定性考虑在内，并基于数值方法，建立考虑土
‑
隧道结构系统非线性动力有限元数值分析模型，评估结果准确，可以定量地评价不同爆炸荷载下隧道结构易损性大小和结构抗爆性能。对于指导隧道工程的优化设计和灾后结构修复策略的选择均具有重要意义。
[0007]为实现以上目标，本申请提供了如下技术方案：
[0008]技术方案一
[0009]一种隧道结构爆炸易损性曲线，其特征在于，计算公式如下所示：
[0010][0011]其中P(
·
)为给定爆炸强度IM下隧道结构超越某破坏状态S
i
的概率；
[0012]IM为爆炸强度水平，Φ是标准正态密度累积概率函数，IM
Si
是导致第i破坏状态对应的爆炸强度爆炸当量阈值，β是对数标准差，表达了易损性曲线的变异性。
[0013]技术方案二
[0014]一种隧道工程结构的爆炸易损性研究方法，其主要包括如下六个步骤：
[0015](1)确定实际工程中典型隧道工程结构，获得实际工程结构的结构尺寸、混凝土强度、配筋率和钢筋强度等主要参数，同时整理包括隧道埋深、地层土体类型和层厚、土体力学性质这些地勘材料。
[0016](2)合理考虑地表爆炸物的位置不确定性和爆炸当量。
[0017]爆炸当量和爆炸距离是爆炸荷载对隧道工程结构破坏程度的主要影响因素。现有爆炸物的制导方式主要分为惯性(INS)制导，全球定位系统(GPS)制导和激光制导三种方式，针对隧道工程结构，三种制导方式下爆炸物的实际落地位置均服从正态分布，均值为0(假定隧道拱顶对应的地表位置为爆炸物制导中心)，标准差如下表所示。本专利技术依托这三种制导方式以考虑爆炸位置不确定性。
[0018][0019]据公开资料显示，常规爆炸物爆炸当量通常不超过2000磅，例如GBU
‑
10导弹，其爆炸当量为536kg。将爆炸当量初步选定为500kg以下进行考虑，炸药类型选择标准TNT炸药。
[0020](3)利用步骤(1)所获得隧道工程结构尺寸、材料性能参数和岩土力学参数等数据建立考虑土
‑
隧道结构系统非线性动力有限元数值分析模型。
[0021]值得注意的是，在有限元模型建立过程中，需要考虑爆炸荷载作用下混凝土、钢筋等材料属性的动力增强效应，同时在有限元模型的边界条件设置上需要避免爆炸波的反射，如(Abaqus中欧拉域中的“边界无反射”设置)
[0022](4)选定爆炸当量为易损性分析强度参数(IM)，并基于步骤(3)建立的有限元数值模型，以及利用步骤(2)所确定的三种制导方式，展开大量数值计算，获得爆炸荷载作用下隧道结构数据。选择隧道直径变形率作为隧道工程结构损伤指标，同时确定不同损伤状态对应的损伤指标阈值，
[0023]选择隧道直径变形率δ作为隧道工程结构损伤指标，同时确定不同损伤状态对应的损伤指标阈值，隧道直径变形率计算公式如下：
[0024][0025]式中，隧道初始直径为D，爆炸发生后隧道直径为D0。基于隧道直径变形率的隧道损伤状态划分如下表所示。
[0026][0027]在有限元模型展开增量动力时程分析之前，需要对不同制导条件下的实际落地位置进行抽样。抽样方法采用拉丁超立方抽样，其在蒙特卡罗抽样的基础上对采样策略进行了改进，避免了在抽样量较少时的可能出现的“聚集”问题，同时可以更加准确的反映输入概率分布，实际应用时具有高效性。
[0028](5)基于步骤(4)所确定的强度参数(IM)和结构性能参数(δ)，得到典型隧道工程结构爆炸概率需求模型，概率需求模型如下式所示：
[0029]In(δ)＝In(m)+qIn(IM)
[0030]上式中参数m和q是拟合参数，可以对强度参数(IM)和结构性能参数(δ)展开对数线性回归分析得到。
[0031]通过该爆炸概率需求模型，可以得到不同损伤状态时的爆炸当量阈值IM
Si
,其中S
i
表示不同的损伤状态。对爆炸概率需求模型进行标准差分析，可得到模型的对数标准差β，相关计算公式如下：
[0032][0033]上式中，β为对数标准差，N为数据点总数，δ
i
为数据点i对应的实际损伤指标。
[0034](6)利用步骤(5)计算得到不同损伤状态对应的爆炸当量阈值IM
Si
和对数标准差β，进而建立隧道工程结构爆炸易损性曲线，获得隧道结构在不同爆炸荷载和损伤状态下的超越概率不同损伤状态下的超越概率。其中，爆炸易损性曲线的计算公式如下所示：
[0035][0036]其中P(
·
)为给定爆炸强度IM下隧道结构超越某破坏状态S
i
的概率。IM为爆炸强度水平，Φ是标准正态密度累积概率函数，IM
Si
是导致第i破坏状态对应的爆炸强度爆炸当量阈值，β是对数标准差，表达了易损性曲线的变异性。
[0037]有益效果：
[0038]本方法充分考虑了当前爆炸物三种主要的制导方式及常规炸药当量，并利用有限元方法展开增量动力时程分析，基于变形屈服准准则确定隧道不同损伤状态的变形阈值，以定量方式给出不同制导方式下隧道工程结构易损性评估结果，同时考虑了制导精度因素和爆炸当量因素对隧道破坏概率的影响，该方法对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种隧道结构爆炸易损性曲线，其特征在于，计算公式如下所示：其中，P(
·
)为给定爆炸强度IM下隧道结构超越某破坏状态S
i
的概率；IM为爆炸强度水平，Φ是标准正态密度累积概率函数，IM
Si
是导致第i破坏状态对应的爆炸强度爆炸当量阈值，β是对数标准差，表达了易损性曲线的变异性。2.一种隧道结构爆炸易损性研究方法，其特征在于，包括：(1)确定隧道结构力学特性与场地类型、隧道埋深特征；(2)确定地表爆炸物的位置不确定性和爆炸当量；(3)建立爆炸荷载作用下土
‑
隧道结构系统非线性动力有限元数值分析模型；(4)开展数值分析计算，采用爆炸当量作为爆炸强度参数，选择隧道直径变形率作为隧道工程结构损伤指标，同时确定不同损伤状态对应的损伤指标阈值；(5)建立隧道结构爆炸概率需求模型，获得不同隧道损伤状态下的爆炸当量阈值、对数标准差；(6)基于不同损伤状态下的爆炸当量阈值和概率需求模型对数标准差，最终建立隧道结构爆炸易损性曲线，获得隧道结构在不同爆炸荷载和损伤状态下的超越概率。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)：确定隧道工程结构，获得隧道结构尺寸、材料力学参数及隧道埋深，得到该隧道工程结构场地岩土力学特征参数。4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)：合理考虑地表爆炸物的位置不确定性和爆炸当量；爆炸物的制导方式为惯性INS制导，全球定位系统GPS制导和激光制导三种方式，以考虑爆炸位置不确定性；针对隧道工程结构，三种制导方式下爆炸物的实际落地位置均服从正态分布，均值为0，设隧道拱顶对应的地表位置为爆炸物制导中心，标准差如下表所示，正态分布，均值为0，设隧道拱顶对应的地表位置为爆炸物制导中心，标准差如下表所示，5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，将爆炸当量初步选定为500kg以下，炸药类型选择标准TNT炸药。6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)：利用步骤(1)所获得隧道结构尺寸、材料性能参数和岩土力学...

【专利技术属性】
技术研发人员：张东明，张陈龙，黄忠凯，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：