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浙江大学学报(工学版)  2022, Vol. 56 Issue (9): 1704-1713    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2022.09.003
土木工程、交通工程     
地表爆炸作用下钢筋混凝土管道裂缝扩展机制
吕国鹏1(),蒋楠1,*(),周传波1,李海波2,姚颖康3,张旭1
1. 中国地质大学(武汉) 工程学院,湖北 武汉 430074
2. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室,湖北 武汉 430071
3. 江汉大学 工程爆破湖北省重点实验室,湖北 武汉 430056
Surface explosion induced crack extension mechanism of reinforced concrete pipeline
Guo-peng LYU1(),Nan JIANG1,*(),Chuan-bo ZHOU1,Hai-bo LI2,Ying-kang YAO3,Xu ZHANG1
1. Faculty of engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China
2. State key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China
3. Hubei Key Laboratory of Engineering Blasting, Jianghan University, Wuhan 430056, China
 全文: PDF(3914 KB)   HTML
摘要:

为了研究地表爆炸作用下埋地管道的安全性,针对城区内常见的浅埋承插式钢筋混凝土管道,设计并实施全尺寸埋地管道地面爆炸现场试验. 结合全耦合数值模拟手段及分离式钢筋混凝土建模方法,基于混凝土smeared crack模型,分析地表爆炸作用下承插式钢筋混凝土管道结构体系的动力响应特征及管道裂缝扩展机制. 研究结果表明,地表爆炸作用下,管道内壁开裂以斜向裂缝和环向裂缝为主. 斜向裂缝均出现在管道的承插接口处. 当爆源位于管道承插接口上方和管身中部正上方时,距爆源最近的管道承插接口处均产生明显的斜向裂缝. 承插接口是承插式钢筋混凝土管道体系抗爆的薄弱部位.

关键词: 地表爆炸钢筋混凝土管道现场试验数值模拟裂缝扩展    
Abstract:

A full-scale surface explosion test with buried pipeline was designed and implemented for the common shallow buried reinforced concrete pipeline with bell and spigot joints in urban areas, in order to study the safety of buried pipelines under the effect of surface explosion. The dynamic response characteristics and the crack expansion mechanism of reinforced concrete pipeline with bell and spigot joints under the action of surface explosion were analyzed based on concrete smeared crack model by combining fully coupled numerical simulation means and separated reinforced concrete modeling method. Results show that under the effect of surface explosion, the pipeline cracking in the form of oblique cracking and circumferential cracking. And the oblique cracks are all generated at the bell and spigot joints of the pipe. When the detonation source is located above the bell and spigot joints of pipeline and the middle of the pipe body, obvious oblique cracks appeared in the bell and spigot joints which closest to the detonation source. Bell and spigot joints of the pipeline is the weakest part to resistant blasting in the pipeline system.

Key words: surface explosion    reinforced concrete pipeline    field test    numerical simulation    crack extension
收稿日期: 2021-10-24 出版日期: 2022-09-28
CLC:  TV 331  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目(41807265, 41972286);爆破工程湖北省重点实验室开放基金资助项目(HKLBEF202001)
通讯作者: 蒋楠     E-mail: lgp@cug.edu.cn;jiangnan@cug.edu.cn
作者简介: 吕国鹏(1996—),男,博士生,从事地下工程、爆破工程研究. orcid.org/0000-0002-7580-3129. E-mail: lgp@cug.edu.cn
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吕国鹏
蒋楠
周传波
李海波
姚颖康
张旭

引用本文:

吕国鹏,蒋楠,周传波,李海波,姚颖康,张旭. 地表爆炸作用下钢筋混凝土管道裂缝扩展机制[J]. 浙江大学学报(工学版), 2022, 56(9): 1704-1713.

Guo-peng LYU,Nan JIANG,Chuan-bo ZHOU,Hai-bo LI,Ying-kang YAO,Xu ZHANG. Surface explosion induced crack extension mechanism of reinforced concrete pipeline. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2022, 56(9): 1704-1713.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2022.09.003        https://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2022/V56/I9/1704

图 1  钢筋混凝土承插管道及其尺寸示意图
图 2  地表爆炸设计及监测点布置
图 3  有限元数值模型
类型 ρ/(g·cm?3) E/GPa μ RS σy/MPa ET/GPa CRS PRS
纵筋 7.8 210 0.3 548 2 40 5
箍筋 7.8 210 0.3 350 2 40 5
表 1  钢筋材料参数[13]
图 4  钢筋混凝土承插管道配筋
图 5  地表爆炸不同时刻土层和空气中压应力云图
图 6  数值模拟与现场试验地表爆炸现象对比
监测点 Vf /(cm·s?1) Vn /(cm·s?1) Err/%
V1 4.05
V2 4.60 5.14 11.70
V3 11.00 10.20 7.27
V4 8.68 9.97 14.86
V5 4.70 5.09 8.30
表 2  质点振动速度峰值对比
监测部位 现场监测 数值模拟 Ea/% Eb/%
εa/10?6 εh/10?6 εa/10?6 εh/10?6 w/mm
#2管 上部 174 198 0.007
底部 434 185 495 0 9.4
左侧 68 59 186 0 13.20
#3管 上部 21174 4217 8520 3470 0.290 ?59.80 ?17.7
底部 109 1709 117 1883 0.080 7.33 10.2
左侧 1427 230 1270 217 0.093 ?11.00 ?5.7
表 3  应变峰值结果对比
图 7  数值模拟与现场试验中管道动态应变数据对比
图 8  数值模拟管道裂缝分布
图 9  现场试验管道局部破坏情况
图 10  现场试验和数值模拟管道裂缝分布对比
图 11  管道系统各部分总能量时程曲线
图 12  爆炸应力波与管道承口位置关系
图 13  钢筋混凝土管道裂缝分布
图 14  管道裂缝数随时间变化曲线
图 15  不同方向的管道裂缝宽度云图
图 16  管道内部轴向裂缝宽度分布
图 17  钢筋骨架有效应力云图
图 18  管道裂缝及轴向裂缝宽度云图分布
1 JIANG N, GAO T, ZHOU C, et al Effect of excavation blasting vibration on adjacent buried gas pipeline in a metro tunnel[J]. Tunnelling and underground space technology, 2018, 81: 590- 601
doi: 10.1016/j.tust.2018.08.022
2 朱斌, 蒋楠, 周传波, 等 基坑开挖爆破作用邻近压力燃气管道动力响应特性研究[J]. 振动与冲击, 2020, 39 (11): 201- 208
ZHU Bin, JIANG Nan, ZHOU Chuan-bo, et al Effect of excavation blast vibration on adjacent buried gas pipeline in a foundation pit[J]. Journal of Vibration and Shock, 2020, 39 (11): 201- 208
doi: 10.13465/j.cnki.jvs.2020.11.027
3 ZHANG Z, ZHOU C, REMENNIKOV A, et al Dynamic response and safety control of civil air defense tunnel under excavation blasting of subway tunnel[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2021, 112: 103879
doi: 10.1016/j.tust.2021.103879
4 崔 溦, 宋慧芳, 张社荣 冲击荷载下大型箱涵输水安全性的数值分析[J]. 振动与冲击, 2012, 31 (22): 188- 192
CUI Wei, SONG Hui-fang, ZHANG She-rong Numerical analysis for safety of water transmission of large-scale box culvert under blasting load[J]. Journal of vibration and shock, 2012, 31 (22): 188- 192
doi: 10.3969/j.issn.1000-3835.2012.22.037
5 KONESHWARAN S, THAMBIRATNAM D P, GALLAGE C Blast response of segmented bored tunnel using coupled SPH–FE method[J]. Structures, 2015, 2: 58- 71
doi: 10.1016/j.istruc.2015.02.001
6 DE A, MORGANTE A N, ZIMMIE T F. Mitigation of blast effects on underground structure using compressible porous foam barriers [C]// Proceedings of the Fifth Biot Conference on Poromechanics. Vienna: [s. n. ], 2013: 971-980.
7 YANG G, WANG G, LU W, et al Numerical modeling of surface explosion effects on shallow-buried box culvert behavior during the water diversion[J]. Thin-Walled Structures, 2018, 133: 153- 168
doi: 10.1016/j.tws.2018.09.039
8 WANG W, ZHANG D, LU F, et al Experimental study on scaling the explosion resistance of a one-way square reinforced concrete slab under a close-in blast loading[J]. International Journal of Impact Engineering, 2012, 49: 158- 164
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2012.03.010
9 马保松. 非开挖工程学[M]. 北京: 人民交通出版社, 2008: 135.
10 中国工程建设标准化协会. 给水排水工程埋地预制混凝土圆形管管道结构设计规程: CECS 143—2002[S]. 北京: 中国计划出版社, 2003: 14.
11 JIANG N, ZHU B, HE X, et al Safety assessment of buried pressurized gas pipelines subject to blasting vibrations induced by metro foundation pit excavation[J]. Tunnelling and Under-ground Space Technology, 2020, 102: 103448
doi: 10.1016/j.tust.2020.103448
12 HALLQUIST J O. LS-DYNA Theory manual [M]. [S.l.]: Livermore Software Technology Corporation, 2006: 22-47.
13 张智超, 刘汉龙, 陈育民, 等 触地爆炸土体弹坑的多物质ALE法分析[J]. 解放军理工大学学报:自然科学版, 2013, 14 (1): 69- 74
ZHANG Zhi-chao, LIU Han-long, CHEN Yu-min, et al Analysis of contact explosion-induced crater of soil using multi-material ALE method[J]. Journal of PLA University of Science and Technology: Natural Science Edition, 2013, 14 (1): 69- 74
14 WANG S, LE H T N, POH L H, et al Effect of high strain rate on compressive behavior of strain-hardening cement composite in comparison to that of ordinary fiber-reinforced concrete[J]. Construction and Building Materials, 2017, 136: 31- 43
doi: 10.1016/j.conbuildmat.2016.12.183
15 JAYASINGHE L B, THAMBIRATNAM D P, PERERA N, et al Blast response of reinforced concrete pile using fully coupled computer simulation techniques[J]. Computers and Structures, 2014, 135: 40- 49
doi: 10.1016/j.compstruc.2014.01.017
[1] 石均,邱颖宁,周毅. 时间演化分形流场的直接数值模拟[J]. 浙江大学学报(工学版), 2022, 56(8): 1606-1621.
[2] 李根,韩同春,吴俊扬,张宇. 基于有限体积法的地表径流与土壤水流耦合分析[J]. 浙江大学学报(工学版), 2022, 56(5): 947-955.
[3] 刘梦凡,吴钢锋,张科锋,董平. 基于线性冲蚀公式的二维非黏性土石坝溃决模型[J]. 浙江大学学报(工学版), 2022, 56(3): 569-578.
[4] 高帅领,夏军强,董柏良,周美蓉,侯精明. 雨水口泄流对城市洪涝影响的数学模型[J]. 浙江大学学报(工学版), 2022, 56(3): 590-597.
[5] 张军,崔玉敏,何宏舟. 电场作用下液液系统中液滴变形的计算模型[J]. 浙江大学学报(工学版), 2021, 55(7): 1391-1398.
[6] 任嘉豪,王海鸥,邢江宽,罗坤,樊建人. 湍流火焰切向应变率的低维近似模型[J]. 浙江大学学报(工学版), 2021, 55(6): 1128-1134.
[7] 于梦婷,汪怡平,苏楚奇,陶琦,史建鹏. 尾随半挂车队列行进的轿车燃油经济性研究[J]. 浙江大学学报(工学版), 2021, 55(3): 455-461.
[8] 曾超峰,王硕,袁志成,薛秀丽. 考虑邻近结构阻隔影响的基坑开挖前降水引发地层变形的特性[J]. 浙江大学学报(工学版), 2021, 55(2): 338-347.
[9] 李中南,朱海波,赵阳,罗雪,徐荣桥. 装配式桥墩温度应力分析与裂纹控制[J]. 浙江大学学报(工学版), 2021, 55(1): 46-54.
[10] 赵伟国,路佳佳,赵富荣. 基于缝隙射流原理的离心泵空化控制研究[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(9): 1785-1794.
[11] 杨松松,王梅,杜建安,郭勇,耿炎. 管幕预筑法顶管施工顺序对地表沉降的影响[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(9): 1706-1714.
[12] 张尧,刘强,刘旭楠,许国栋,洪晓,周水华,刘维杰,赵西增. 韵律沙坝触发的裂流动态性研究[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(9): 1849-1857.
[13] 肖偲,王奎华,王孟波. 基于桩侧虚土桩模型的桩-桩芯土竖向动力响应[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(8): 1593-1603.
[14] 余亚波,邓亚东. 燃料电池客车高压舱氢气泄漏扩散[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(2): 381-388.
[15] 张玉琦,蒋楠,贾永胜,周传波,罗学东,吴廷尧. 运营充水状态高密度聚乙烯管的爆破振动响应特性[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(11): 2120-2127.