水下爆破作用下柔性复合气幕的减震机理及性能研究

水下爆破面临着比陆上更严重的爆破冲击和振动危害。研究建立柔性复合气幕在水下爆破荷载下的力学分析模型，开展复合材料试验和层合板理论推导。考虑柔性层合板的弯矩和膜应力，将一维Talyor流固耦合方法拓展到三维。基于状态空间、精细积分和新型数值Laplace逆变换方法提出一套可以考虑流固耦合效应的空气或水下爆破荷载作用下层合板响应半解析计算方法。结合二维和三维数值模拟研究柔性复合气幕在冲击荷载下的非线性流固耦合效应、荷载传递机制及减振机理。开展工程爆破实测和振动信号能量分析，提出基于HHT的瞬时能量分析法识别微差延期时间，提出基于输入能量的爆破振动安全评价指标。研究成果对于推动复杂层合结构的水下爆破动力分析及振动安全评估具有积极意义。 2100433B

水下爆破面临着比陆上更严重的爆破冲击和震动危害。在传统气幕减震方法的基础上，发展一种新型柔性复合气幕，在民用及军事抗爆防护领域具有良好的应用前景。研究建立新型柔性复合气幕在水下爆破荷载下的控制方程及边界条件。开展复合材料实验和层合板理论推导，研究动力荷载下柔性复合气幕的动态本构及力学性状，提出横观各向同性的等效材料模型和基于代表体元精细有限元分析的模型参数识别方法。对一维Taylor经典方法进行修正和解析求解，结合二维和三维数值模拟研究柔性复合气幕在冲击荷载下的非线性流固耦合效应、荷载传递机制及减震机理。建立考虑积分特性的比冲量和比能等冲击因子指标，开展实验水池和实际工程中的水下减震实验，提出简化的气幕减震公式和设计方法，评价其减震性能。研究成果在水下复合材料防护方式、柔性结构动态本构及非线性流固耦合分析方法等方面有一定的创新，对于提高水下爆破减震防护水平具有重要意义。

中文摘要：爆炸荷载作用下玻璃幕墙的破坏机理涉及到PVB胶片的本构关系、夹层玻璃静力作用下力学模型、爆炸冲击荷载-玻璃流固耦合作用等前沿问题，国内外在这些方面的研究还未取得突破性进展。因此课题通过试验手段建立PVB胶片的本构关系，通过夹层玻璃静力试验及数值模拟，建立与实际受力相符的力学模型，在此基础上进行抗爆炸试验及数值模拟的研究分析，对玻璃幕墙在爆炸作用下的破坏机理和性能研究进行研究，为玻璃幕墙的抗爆炸设计有价值的参考。得到了夹层玻璃PVB胶片在不同温度及加载速率下的本构关系模型；进行了四边简支夹层玻璃的承载力试验及数值模拟研究，建立了与实际受力相符的夹层玻璃力学模型；进行了不同类型玻璃面板在爆炸冲击荷载作用下的动力响应试验，研究了不同玻璃类型的破坏形式；在试验的基础上进行了爆炸荷载作用下玻璃面板动力响应的有限元分析，并考虑了不同参数（玻璃尺寸、厚度）对玻璃面板抗爆性能的影响；采用多物质ALE算法进行了了炸药作用下爆炸的产生以及爆炸冲击波与玻璃面板结构之间的耦合作用的数值分析；基于试验及有限元结果，提出了爆炸冲击荷载作用下玻璃幕墙动力响应的简化分析方法。 2100433B

随着地球地震活跃期的来临，在我国西部大开发建设的背景下，为了保证强震作用下隧道特别是抗震最薄弱部分的明洞段安全，亟需相应的减震机理与灾害控制对策研究。采用资料调研、数值模拟和模型试验等方法，本课题深入研究了隧道洞口段的地震响应机理及减震对策。 （1）通过文献资料的广泛搜集，明确隧道洞口段的破坏形式可分为：①边坡失稳破坏导致的崩塌、滑落造成其变形和压损；②隧道门墙壁的破损、倾斜、开裂等问题；③隧道过断层段的错动。 （2）结合模型试验和数值分析的方法，研究仰坡角度、衬砌刚度，减震缝间隔对隧道结构地震响应的影响，得出结论有：①过大的衬砌刚度对衬砌的受力不利，在保证静力荷载和变形的条件下，适当减小衬砌的刚度可以吸收地震荷载的能量，对隧道抗震更有利。②无配筋衬砌相比有配筋衬砌的峰值弯矩大，明洞以及洞口附近衬砌应予以配筋。③仰坡坡度越大，洞口段上覆土层越厚，其惯性力和主动压力越大，衬砌附加弯矩峰值越大。在洞口处可以通过接长明洞来减小仰坡坡度，从而减小衬砌的受力，同时还可以预防地震引起的滑坡、落石等次生灾害。④洞口附近设置减震缝可以改善衬砌的受力，降低受力集中，使衬砌受力更均匀。 （3）借助模型试验和数值方法研究上部滑移隔震、下部滑移隔震、下部碎石减震、全包减震、隔震层 下部碎石减震五种措施的减震效果，得出设置隔震层和下部碎石对衬砌的减震作用明显，下部碎石减震作用更为有效。洞门附近可以对基底进行处理，这不仅可以增加基底承载力并且可以起到一定的隔震作用。 本课题研究成果有助于提高隧道结构抗的抗减震，可为相关工程设计与施工提供指导，亦可为今后规范和标准的制定提供理论和技术支持。 2100433B

为增强隧道洞口段的山体稳定性，需贯彻早进晚出的原则，但为了给暗挖进洞创造条件，往往需要接长一段明洞，而强震作用下的明洞段是抗震的薄弱环节，其灾害控制对策是目前地下工程抗减震领域亟需解决的关键问题之一。本项目拟基于前期的现场调查,在对明洞段震害形式进行科学分类的基础上，研究其破坏机理、影响因素和动力响应规律，参考地面建筑的基底隔震法和地下结构的减震层法，提出两种或多种针对明洞段的减震结构；依据振动力学、波动力学和地震工程学等理论，结合明洞段的动力响应特性，建立考虑上覆土层、隧道衬砌与减震结构相互作用的数理力学模型，从理论上验证减震结构的可行性，并剖析其减震机理；利用有限元程序进行二次开发，实现数理力学模型的程序化，在室内试验正确性验证的基础上，综合数值分析和模型试验等手段，比选特定条件下的减震结构，并优化影响其减震效果的主要因素，为将本项目研究内容应用于工程实践提供理论基础和设计依据。