文摘

本文的研究集中在火和explosion-induced隧道结构损伤采用离散单元法(DEM)。通过假设一个二维骨料分布和重建的数字表示实验混凝土块,隧道衬砌混凝土的数值模型建立了PFC^二维程序。温度分布和激波压力表面的隧道衬砌获得通过使用流利的和LS-Dyna分开;最后在不同条件下混凝土损伤模拟部分进行了PFC^二维。结果表明,PFC^二维合作提供更准确和有效的建模和可视化的混凝土块撞击破坏。损坏的可视化表示的程度伤害更清楚,更直观。这些发现也提供了一个潜在的损失评估的方法进一步研究整个隧道衬砌结构。

1。介绍

隧道有特殊的特征,如长纵向深度,几个出入口,半闭结构。因此,重大事故常常引起火灾和爆炸,随后导致严重的剥落和次生灾害(1]。以前研究人员通常模拟和分析了火灾和爆炸过程分别研究事故时隧道(2,3),但在实际事故、火灾和爆炸经常同时发生,可以观察到不同程度的协同损伤现象。尤其是在隧道运输危险化学品的车辆碰撞,将会有更高的潜在威胁隧道的混凝土衬砌结构由于火灾和爆炸。因此,它具有重要意义来评估隧道衬砌结构的损伤水平引起的火灾和爆炸。

混凝土是一种多孔材料表现出不连续性、各向异性、非均质性,同时非线性(4]。基于连续介质本构关系假设反映了宏观响应的系统通过一个具体的数学模型。但是这个模型不能代表本地的不连续系统的基本特征,这使得它难以连续介质力学模型来模拟当地的不稳定。特别是,很难描述混凝土的细观损伤和不连续的行为。

考虑不连续结构混凝土的性质,离散单元法(DEM)提供了一个新的想法为研究混凝土在细观的破坏行为2]。在这项工作中,我们专注于模拟混凝土衬砌结构损伤分析的影响在不同的位置在不同的温度下,包括变形和开裂。本研究的目的是建立混凝土砌块模型与详细的PFC骨料形状^二维。校准集群粒子之间的不同的接触参数,混凝土块在不同温度下的应力-应变曲线是评价在接下来的实验。

2。模拟温度场的隧道衬砌结构在火灾条件下

仿真是最可行的方法来确定隧道在火灾条件下的温度分布5]。在这项研究中,我们建立了燃烧模型的危险chemical-transporting车辆在计算流体动力学软件(流利)获取温度分布在隧道的临界点。

2.1。燃烧模型和湍流模型的选择

燃烧模型的选择有很大的影响在烟道气体流场。由于燃烧的复杂性,化学反应,和热辐射,气体湍流将加上温度和隧道的形状。火燃烧模型的选择,之前的学者主要采用PDFEBU, EDC, PPDF,合成和VHS模型(6]。体积热源的VHS模型被用于这项研究。

最常见的有害物质在运输汽油,煤油,和其他碳氢化合物。在这种模拟,甲烷空气混合物燃烧模型中模型被选中,和有限公司₂阿,₂H₂O, N₂添加材料的阶段。液体后设置为混合阶段,化学反应方程是,完整的燃烧被认为在这个仿真。烟气的主要产品是二氧化碳和水蒸气,和热辐射传热效应被认为是。因为大量的天然气泄漏和爆燃模拟,没有考虑动荡的可见性。

2.2。详细的隧道的几何形状和边界条件

隧道模型的参数被称为全面模拟研究人员(7]。隧道的横截面尺寸大约成立作为一个半圆形结构半径为7.5米和50米的纵向长度。根据事实,司机经常停止墙边事故后,整个仿真模型建立了火灾燃烧源的隧道(d从衬砌结构= 1.5 m),如图1。

因为隧道封闭和狭窄的管状结构,空气中的烟尘会扩散燃烧后远。考虑到临界风速、空气流动和真正的隧道火灾的影响,本研究模拟的纵向距离50米。

2.3。热释放率(嗯)

热释放速率是一个最重要的参数在实验和模拟研究。放热曲线需要根据不同的条件获取(车辆大小,隧道通风环境,在燃烧和障碍)。在公路隧道中,混合交通流是由汽车和各种重型卡车。汽车的火力之间通常是3 MW和5兆瓦。危险品运输车辆的大的火力,尤其是油罐卡车,往往超过30 MW,最多可达100兆瓦(6]。我们获得了标准RABT放热曲线(GA / T 714 - 2007)为这个模拟曲线适用于燃烧的碳氢化合物材料(7]。的嗯RABT曲线在图巨大的事故2当温度接近到1200°C。爆炸燃烧后,氧含量在隧道空间大幅下降,温度逐渐下降在接下来的200分钟。

2.4。沿纵向方向温度变化在不同的部分

当混凝土衬砌结构暴露在高温产生的车辆火灾、衬砌段将大大改变内部的温度场和不同程度的上升。热惰性材料,混凝土比热容大(1000 J / kg-K)和小热导率(1 W / m k),所以具体的传热是相对较慢。混凝土有明显的热惯性,所以穿透混凝土衬砌热能需要时间。混凝土衬砌结构的平均厚度为500毫米,我们放置在中间层的监视点获得混凝土衬砌结构内部的温度。纵向温度检测部分是每5米,和整体检测距离是0 30米。为什么我们选择30米的原因是隧道的温度保持相对稳定后第一个20米。同时,我们关注的组合爆炸和温度损伤建模和由冲击波的伤害只有保持10 - 15米长。

从图可以看出3在隧道的纵向温度分布,温度最高的部分显示了5米远离火灾的后方车辆。在最初的燃烧条件下,氧浓度是足够的,所以有一个爆燃现象,温度急剧上升;在当地的氧气在隧道火灾点筋疲力尽,燃烧强度降低;然后,火焰发展下游沿气流方向,和相应的最高温度位置逐步向后转。当燃烧稳定,温度沿纵向方向逐渐增加。温度的峰值和稳定值见图4分1记录在表中1和2。

大部分的高温区域在左边(B和C)和环境温度保持在右侧。温度显著增加下游(约5米)的火灾场景。从表2,我们可以发现,混凝土衬砌的最高温度在1米高度相对较低。

3所示。爆炸冲击波的特性

化学爆炸是一个高速的动态过程,发生在很短的时间内,它通常只需要几十毫秒甚至几毫秒从开始到结束(8]。因此,很难观察到完整的流程通过使用传统的实验方法,并很难重复测试,由于各种因素的影响。目前,隧道爆炸的数值模拟是一种有效的办法的压力曲线。

产生的冲击波是压缩周围的空气。因为燃烧和爆炸过程太复杂,没有公认的模式。方便研究人员使用TNT当量法来预测和评估爆炸的伤害9]。

3.1。材料属性和状态方程在LS-Dyna (EOS)

的总结材料参数分配给在这一节中给出的模拟。LS-DYNA模拟,Jones-Wilkins-Lee JWL状态方程是通常用于描述压力之间的关系P和能源V单位体积的TNT。描述方程得到压力的汽缸的等熵曲线测试和炸药的初始密度变化(方程(1)):

在表3,ρ₀炸药的密度,的内部单位体积能量爆炸,D爆炸波的速度,V是当前相对体积。一个,B,R₁,R₂,JWL状态方程的参数,需要在实验中确定。

在这个模拟中,空气(表4)是模拟“MAT-NULL”材料和被线性多项式状态方程。 在哪里E材料的内部能量, ,ρ的电流密度是空气,ρ₀是空气的初始密度,C₁- - - - - -C₆是空气的EOS的参数。具体参数如表所示4。为了简化计算,在这个仿真模拟围岩被认为是均匀rock-clay材料。

爆炸和空气状态方程的多材料耦合中定义的元素。对于固体元素,欧拉拉格朗日耦合方法被用来计算;欧拉网格方法用于描述空气元素和任意拉格朗日欧拉(ALE)算法用于计算元素。拉格朗日网格和欧拉网格耦合的接口在同一个分析模型,和边界的材料领域欧拉网格定义通过转让共同力量。爆炸后,冲击波首先通过流体介质进行传播,然后与衬砌结构和车道。

3.2。爆炸模型和网格大小

元素的大小将直接影响计算结果的准确性。从理论上讲,减少网格大小可以提高计算结果的准确性,但与此同时,它还可以大大提高数值计算的规模从而降低计算效率。此外,受影响的面积不是很大,所以这是不必要的全面模型划分为小电网在考虑网格计算规模的影响。

在大多数交通事故,爆炸源是位于一侧的隧道车道,和爆炸源和衬砌结构之间的距离是1.5米,如图4。混凝土衬砌结构在爆炸中心区域左侧,元素的大小单位远离损伤区域设置为100200年100毫米;大小的网格划分更细,202020毫米,更有利于获得更准确的结果。

接触爆炸是通过添加计算LOADSEGMENT和DEFINESEGMENT的等效质量TNT炸药。梯恩梯当量的爆炸源设置为70公斤根据先前的研究10]。隧道衬砌结构自由联系了围岩表面,摩擦和滑动被忽略了。表达的衬砌混凝土的破坏是塑性变形时受到爆炸压力。的元素结构衬砌混凝土的直接删除,因为失败后超过材料的塑性变形临界值。

3.3。爆炸冲击波的马赫反射

在真实的爆炸场面,冲击波传播自由的空气以球面波的形式。常规正常时,将发生反射激波前通常是垂直于衬砌结构接触内壁结构;然而,随着爆炸中心和正常的投影之间的距离更远,渐行渐远的入射角将会增加。当入射角等于或大于临界角,反射波和入射波前面战线一致形成激波沿纵向方向的隧道,和合并后的冲击波叫马赫波。

根据图5,反射不到的距离爆炸中心属于正常的反射;逐渐超过普通正常的反射区,入射角入射波和垂直之间的正常的持续增加,它属于斜反射。当入射角变得越来越大,之间的角度入射波和反射波前面前面比较小,甚至重叠形成一个复合马赫波浪潮。

爆炸后,在球形冲击波扩张中心的爆炸。径向压缩空气的主要传播模式和冲击波首先采取行动的投影位置爆炸中心拱腰。随着时间增加,冲击波的前面变得更大,单位面积上的能量逐渐降低。pressure-time曲线在不同的点如图6。

当空气冲击波遇到垂直刚性墙,墙上的空气粒子的速度立即下降到零,使空气粒子在驻点迅速积累,和压力和密度也迅速增加。如图6,当空气冲击波与刚性墙,墙面的等效应力在不同观察点急剧增加。爆炸时间时,从0.49到0.99毫秒,炸药的爆炸已经基本完成,空气正常积极的反映,隧道衬砌结构面临引爆炸药的一部分形成破碎区。当时间从0.99到13.4毫秒,爆轰波的形状改变了马赫波从正常的反射。马赫波压缩空气反射波,传播方向改变后沿着隧道衬砌结构的纵向传播的自由表面空气传播到隧道衬砌结构。从13.4女士20 ms,爆炸形成的冲击波有所下降,沿着隧道衬砌马赫波传播衰减。

4所示。PFC的^二维数值模型和损伤评估高温爆炸冲击波

4.1。信息提取混凝土骨料的结构

离散单元法(DEM)允许内部元素的相对运动和不需要满足连续的位移和变形条件。这是特别适合大变形、大位移的计算。近年来,离散单元模拟的发展方向开始关注从连续介质转换到不连续的媒体。脆性材料,如混凝土的损伤和失败有许多毛孔动态负荷已成为许多学者的研究方向11]。

影响混凝土强度的因素中,骨料的形状和分布是最重要的因素12]。在民主党的模拟中,总体的治疗方法分为两类:第一是直接简化聚合成球形或椭球形粒子堆积,但它不能模拟混凝土强度的增强,由于骨料之间的相互连接;二是构建聚合的多面形状,然后填写球形或椭球形粒子。混凝土由水泥砂浆、粗、细骨料及其过渡区(13]。混凝土的骨料随机分布的特点。在这项研究中,数字图像处理技术被用于混凝土试块的颗粒流模型。

标准的混凝土试块在实验室和水泥混合参数如表所示5。

被存储在一个恒定的温度调节室后28天,部分明确总体分布的选择对摄影产生(RGB图像数据7- - - - - -11)。

重量平均法用于灰色的RGB图像的二值化。二值化是用来区分的像素代表总代表水泥砂浆给他们不同的颗粒流参数。

二值化的目的是将混凝土块的结构信息转换成内消旋的建模信息结构。在二进制处理,我们需要选择当地的灰度阈值T作为判断标准。后的图像被分成几个独立的地区,我们需要找到不同的灰色T值。如果一个像素的灰度大于T,它是白色的;如果小于T,它是黑色的。然而,尽管这个方法可以由MATLAB自动完成,它仍然需要手动处理冗余和不合理的细节,如孤立点和伪点。

后采用二进制过程人工干预和对比度调整,具体图像导入到AutoCAD软件和图像的大小是按比例缩小的PFC仿真所需的大小(150毫米150毫米)。这项研究的原因选择了2 d模型在PFC混凝土的变形在纵向方向上在每个部分被认为是零。2 d模型还可以提供一个清晰的损伤评估混凝土结构在不同压缩波和不同的温度。封闭的边界线从开始到结束沿着混凝土骨料使用多线边缘。

4.2。形成和初始聚合粒子群的稳定状态

在PFC^二维,基本计算元素是磁盘(14]。为了区分总与水泥砂浆,有必要建立不同形状的粒子群。在实际混凝土,是不可能只有圆形粒子,所以表面属性应该根据实际情况另行指定的聚合。粒子群是相互独立的,但他们互相影响的过程中机械解决方案。基本磁盘集群中的粒子被认为是刚体,但粒子内的磁盘被允许重叠集群。粒子的不规则排列需要填补这个缺口与2 d粒子在一个给定的区域并保持模型的综合平衡。在PFC^二维模型中,粒子可以分为定期安排和不规则的安排。定期安排可以用来描述结构模拟的一部分,而不规则的安排可以用来模拟固体和内部不规则粒状材料。

粒子群在这个仿真分为砂浆和总都是不规则的粒子组成的。虽然聚合粒子被随机安排,整个模型的结构特点仍将受各向异性的存在和弱结构的飞机。

当生产聚合模型,如果在PFC骨料颗粒的比例^二维高于实际的混凝土砌块,整个混凝土的抗压强度模型将与真正的混凝土砌块不匹配,大大提高了。总体特征和从实际混凝土中提取部分用来保证同一区域定量聚合可以有效地避免这个问题的15]。

有两种方法来填补粒子与特定的半径来实现所需的孔隙度。首先是建立封闭的边界区域,然后生成一系列的非接触粒子在封闭的区域。然后,所需的孔隙度可以通过移动边界。这种方法的缺点是,边界的几何形状最终会改变,这最后一个粒子的分布趋势并不一致。第二种方法使用生成的命令和高斯分布,它指定上限和下限的粒子半径(半径为0.0008和0.001)和分配一个标准偏差同时,然后选择并生成粒子。后的粒子生成样本面积大小(域范围−0.5 0.5 -0.5 0.5),孔隙度(0.19),指定和粒度分布。

在方程(3),n是粒子的数量,V_p空白区域,V_t总面积,V_一个粒子面积和孔隙比吗R_p被定义为空白区域总面积的比值。当我们指定的半径和粒子的大小,我们进一步使用方程(4)来确定粒子的数量: 在哪里R₁是最小的粒子半径(下限),R₂是最大的粒子半径(上限),然后呢N是最后的粒子数,平均半径的粒子。

集群骨料和砂浆填充后,并不是所有粒子都在适当的接触,这可能导致错误的计算模型。因此,有必要联系差距定义为悬浮粒子,和这些悬浮粒子的半径可以扩展以满足这些粒子之间的接触状态。最后,结合领域获得了一定的孔隙度,然后有必要指定接触参数根据混凝土材料。由于粒子的数量保持不变之前和之后放大,放大系数一个可以获得粒子的方程: 在哪里R₀是最后的粒子的半径。

4.3。边界条件的粒子和墙的控制

在PFC^二维,需要首先确定计算区域,不能进行建模计算计算区域外(16]。墙上需要构建在计算区域的边界。墙上的移动速度控制的伺服控制机制更新墙的基础点的位置。墙上不能直接被分配的力值,只有速度,角速度和旋转中心的墙可以指定实现单轴压缩的仿真。从能源的角度来看,最终的外部能源值施加恒定速度加载和恒荷载加载是相同的,所以标准的墙的加载速度符合实际的实验结果。在PFC的模拟单轴压缩、墙的应力是如下:

F_w在墙上的力是由单个粒子;d是模型的高度;l是模型的宽度;和N是粒子的数量。的移动速度之间的关系墙,墙上的压力是控制的参数G。 墙上的移动速度;接触刚度与相对位移由以下方程: 是正常的刚度的粒子,是粒子数,是正常的位移。 在哪里切向刚度,切向力由位移增量控制。

在单轴压缩试验的过程中(节点),合理选择墙刚度可以提高仿真结果的准确性(16]。如果墙刚度过大,初始颗粒之间的接触力太大,这就增加了时间模型达到初始平衡;如果墙刚度太小,粒子会穿过墙和仿真失败。合理设置墙刚度作为粒子的10倍刚度根据先前的研究15]。

4.4。粒子的校准接触参数的混凝土块在不同的温度下

有必要调整粒子接触PFC的参数^二维仿真模型在爆炸发生前的影响。在我们的模型中,粒子的聚合pb-bonding模型结合在一起。为混凝土结构,其抗压强度、抗剪强度等宏观力学性能只能由定义圆形粒子之间的相互作用(17]。PFC^二维提供了两个赋值的方法:第一是直接赋值,另一种是间接的任务。它包括有效模量(e-mod),正常剪切刚度比(k_比),半径乘法器(Pb半径),摩擦系数(fric),等等。为了研究混凝土的损伤在不同温度和爆炸波更有效,第二种方法被用于这项研究。平行键模型中的粒子之间的机械参数只能由重复校准在仿真过程模拟试验的应力-应变曲线匹配。

混凝土试块后准备在实验室,实验室的万能液压试验机是配备上下温度控制铜盘子来调整和控制温度。同一批次的混凝土块的单轴压缩的PFC^二维总模型测试在室温下,100°C, 200°C, 300°C。为什么我们选择300°C的最大测试温度是由于混凝土砌块将被认为完全打破这个界限后,激波,无需考虑这些类型的混凝土块的能力。为了保持单轴压缩的温度在指定范围内,有必要坚持高温保温棉(黑色)在混凝土块。

为了保证实验的准确性,三组实验中使用相同的批处理进行了为每个测试块。作为一种热惰性材料,混凝土的导热性很差,因此有必要保持加热时间在2小时,以确保整个混凝土试样在单轴压缩达到预设温度。压缩下混凝土破坏时,边剥落显然是观察,通过试验台和主裂纹传播。剪切破坏是数值模拟的主要失效模式以及混凝土单轴压缩。混凝土的应力-应变曲线被记录为每组测试样本(数据12- - - - - -15)。

PFC的节点模拟结果^二维体现的变形和滑移砂浆颗粒(ball-ball)和聚合(丛)模型中被明显的损伤,和内部裂纹发展从开幕到结束通过损害可以明显发现。在加载的初始阶段,由于压力小,微裂缝出现在一些粒子和他们主要存在于水泥矩阵和粗骨料之间的接口。当微裂缝出现在粒子之间,应力再分配发生在整个混凝土块,和应力集中容易形成裂缝,导致裂缝的不断扩大。继续加载,初始界面裂纹逐渐扩展,扩大,新的其他聚合接口就出现裂缝,裂缝逐渐相互连接。混凝土试件达到最大荷载时,粒子位移明显增加,许多宏观粒子之间的裂缝出现。宏观裂纹继续扩展,残余混凝土的承载力逐渐下降,和斜裂缝之间形成相邻裂缝(图16)。

应该进一步指出,内消旋参数的数值模型建立了PFC的宏观参数不能直接等于真实材料。主要原因是有效模量和泊松比获得的间接表征方法并不等同于实际弹性模量和泊松比,但他们确实是呈正相关。基于数值模拟和实验室测试的比较,数字模型是在良好的协议最终失效模式,这表明校准参数的合理性。

在校准过程中,不断ball-ball接触参数需要调整。后的应力-应变强度曲线测试块从控制实验,获得校准应力-应变曲线在不同的温度下。三个不同的温度,混凝土砂浆的主要接触参数和总ball-ball债券模型记录,分别如表所示6和7。

两个参数(e_mod和pb_emod)被用来描述弹性模量、和k_ratio被用来描述泊松比;在粒子之间,pb_coh凝聚力,pb_fa摩擦角,fric摩擦系数。

在我们的校准过程中,内部聚合系数保持不变,改变了混凝土砌块的应力-应变能力通过改变颗粒之间的摩擦系数和凝聚力在水泥砂浆。成立于PFC的单轴压缩模型^二维校准的混凝土块在不同温度和输出曲线与我们的实验结果数据12- - - - - -15。

4.5。爆炸冲击温度模拟土坡混凝土块的变体

无感觉的温度在混凝土衬砌结构分为三组(100°C, 200°C, 300°C)。后等于压缩波曲线的采样,生成并纳入PFC 100数据点^二维冲击荷载。结合温度分布,在第一个5 - 15米,压缩压力相对较高,温度逐渐增加的环境温度超过900°C(最下游的上限)。几个关键点进行了研究比较数值爆炸伤害和没有变异的温度(数据17- - - - - -19)。

相比之下,混凝土砌块的损害显然是扩大后由于高温影响相同的压缩波。

从两个监视点,B0 B4,稍微远离原点的爆炸冲击,冲击波显示第二个峰值,这一现象是完全符合空气冲击波的传播规律的隧道。

从数据可以看出20.- - - - - -22损害主要是位于两侧的表面,然后发展成深度。核心部分的损伤主要是由于对角线骨料的界面,从而导致裂纹的扩张两边的中心。在仿真的过程中,可以清楚地看到,破坏的强度显然是与应力波的峰值。

实验和PFC的失效模式^二维仿真模型可以分为三种类型。首先,总被打破,出现的概率很低,通常的道路上主裂纹,说明在这个阶段的瞬时压力的压力密度超过骨料本身的力量。第二,水泥砂浆的内部故障通常发生在砂浆强度低。第三,分手的绑定连接接口骨料和水泥砂浆之间是很常见的。此外,裂缝发展方向会改变,当遇到聚集在破解路径中。因此,部分微水泥砂浆强度和总最终决定了宏观混凝土块的最终强度。

根据我们的仿真结果,隧道混凝土衬砌的面积可以分为爆炸伤害,高温破坏的面积,面积混合损失。三个区域的边界受到隧道的内部结构、斜率,通风速度、爆炸当量,车辆之间的距离和衬砌结构。

5。结论

(1)混凝土材料的损伤过程受到爆炸的影响在不同的温度下被离散单元法模拟。丛产生的聚合方法才能真正反映混凝土的骨料的特点和迫击炮。混凝土砌块的破坏过程是一个动态的能量积累和释放的过程。我们的模型可以直观的可视化在弱界面层断裂起源。在PFC的过程^二维校准,水泥砂浆的平行键模型直接影响混凝土的应力-应变曲线的峰值应力,而聚合的力量本身影响不大,这是符合我们的实验观察。(2)爆炸和燃烧后隧道衬砌结构的破坏主要是由高温引起的,超压的影响,和一氧化碳等气体。温度的增加有显著放大的压缩破坏。(3)更要注意提高拱顶和拱腰当修复中间和后面的部分衬里结构(18]。(4)仿真结果的离散单元法结合LS-DYNA和流利可以更准确地确定混凝土块的损伤程度。这些方法将有利于维修决策提供有价值的信息需要和剩余寿命预测隧道受损。

数据可用性

所有的数据、模型和代码生成或使用在研究过程中都包含在提交的文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本文中给出的研究是由国家重点实验室开放基金项目的土木工程防灾,同济大学,中国。