復(fù)材隧道逃生管道沖擊數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究

辛 亮 ，張 偉 ，陳繼滔 ，周 恒

（1.重慶交通大學(xué)，重慶 400074；2.臺州市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，浙江 臺州 318000；3.浙江一路建設(shè)有限公司，浙江 永嘉325102；4.浙江恒則熙交通科技有限公司，浙江 杭州 310052）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，我國越來越重視各種基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，鐵路、公路、橋梁、軌道交通等建設(shè)蓬勃發(fā)展，在通過山體阻礙的時候多采用隧道的形式。由于地質(zhì)條件復(fù)雜和施工方式不恰當(dāng)，隧道施工經(jīng)常發(fā)生塌方事故，造成人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失。《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》指出，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ圍巖施工必須采用隧道逃生裝置[1]。在逃生裝置中放置補(bǔ)給品、照明設(shè)備等，有助于隧道施工人員逃生。

為了滿足人員逃生需求，根據(jù)人體工學(xué)原理，現(xiàn)在的逃生裝置多采用內(nèi)徑為800mm的圓管，且采用300kg落石從7m高處自由下落對管道的沖擊工況來衡量管道的抗沖擊性能。目前我國許多學(xué)者開展了隧道逃生管道的研究[2-5]。文獻(xiàn)[2]針對不同石塊、下落高度、巖塊剛度等理論研究了圓管受沖擊時的沖擊力和凹陷值大小，為隧道逃生管道的設(shè)計提供了依據(jù)。文獻(xiàn)[3]進(jìn)行了隧道逃生管道的沖擊實(shí)驗(yàn)與仿真模擬，結(jié)果吻合良好，并為隧道逃生管道的安全設(shè)計提供了依據(jù)。文獻(xiàn)[4]提出了一種新型的波紋鋼管，表明波紋鋼管較圓鋼管在承受沖擊荷載更有優(yōu)勢。

但是目前逃生管道的管材主要采用鋼管和鋼筋混凝土管。兩種材料均有很高的剛度和強(qiáng)度，可以滿足逃生管道抗沖擊性能的要求。但是其重量大、搬運(yùn)運(yùn)輸不便（按內(nèi)徑800mm，管壁厚10mm計算，鋼管的米重約為200kg/m）。為此，設(shè)計了一種復(fù)合材料隧道逃生管道結(jié)構(gòu)（米重僅為鋼管的1/3左右），采用有限元軟件ABAQUS，對落石垂直落在逃生管道的動態(tài)過程進(jìn)行了模擬，并進(jìn)行了逃生管道的足尺試樣沖擊試驗(yàn)研究，說明了提出的新型逃生管道的安全性和實(shí)用性。

2 ABAQUS瞬態(tài)動力學(xué)分析原理

落石沖擊逃生管道的數(shù)值模擬是一個復(fù)雜的過程，包括幾何非線性、材料非線性和狀態(tài)非線性。ABAQUS軟件具有良好的非線性分析功能，能較好的捕捉落石沖擊管道的動態(tài)特性[6]。

瞬態(tài)動力學(xué)分析是確定隨時間變化載荷（或者沖擊）作用下的結(jié)構(gòu)相應(yīng)的技術(shù)。其輸入數(shù)據(jù)為隨時間變化的載荷，輸出數(shù)據(jù)是隨時間變化的位移、應(yīng)變、應(yīng)力等。顯然，落石沖擊逃生管道仿真也是一種瞬態(tài)動力學(xué)分析，用于確定隨時間變化的任意動力學(xué)響應(yīng)。瞬態(tài)分析的基本方程如下：

式中：［M］—質(zhì)量矩陣；［C］—阻力矩陣；［K］—剛度矩陣；｛u｝—節(jié)點(diǎn)位移向量；｛u˙｝—節(jié)點(diǎn)速度向量；｛u¨｝—節(jié)點(diǎn)加速度向量，通過對方程組進(jìn)行離散，就可以求得每一個t時刻的瞬態(tài)響應(yīng)｛F（t）｝。

3 仿真模型及工況

3.1 新型逃生管道結(jié)構(gòu)

新型逃生管道的結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。管道內(nèi)外層為玻璃鋼，芯層為陶粒樹脂混凝土，玻璃鋼與陶粒組成夾芯結(jié)構(gòu)。玻璃鋼是一種輕質(zhì)高強(qiáng)度材料，陶粒樹脂混凝土是一種低密度多孔結(jié)構(gòu)，兩者組合不僅能大大降低結(jié)構(gòu)重量，還能增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能[7-9]。

通過試驗(yàn)測定陶粒樹脂混凝土和玻璃鋼的材料參數(shù)。陶粒樹脂混凝土為各向同性材料，其彈性模量E=1.32GPa，泊松比滋=0.24，屈服強(qiáng)度滓S=1.71MPa，極限強(qiáng)度滓b=2.23MPa。玻璃鋼的彈性模量E=24GPa，泊松比滋=0.25，極限強(qiáng)度滓b=220.2MPa。

圖1 新型逃生管道結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The New Tunnel Escape Tubes Structure Diagram

3.2 有限元模型的建立

利用CATIA三維造型軟件建立落石和逃生管道的三維模型，然后通過CATIA和ABAQUS的接口將實(shí)體模型導(dǎo)入ABAQUS進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成仿真分析所需要的有限元模型。

計算模型由落石和逃生管道構(gòu)成，如圖2所示。采用圓柱形落石，材料為C50混凝土，總質(zhì)量為300kg。單根管道長3000mm，管道內(nèi)中外蒙皮分別建模，用tie約束將其連接為一個整體?？紤]到計算精度和效率，均劃分四面體網(wǎng)格，管道的網(wǎng)格圖，如圖3所示。由于實(shí)際鋪設(shè)時管道下面有墊層，管道在沖擊時一般不會移動，因此將管道下表面固支。落石與管道的沖擊時間極短，在動態(tài)分析中設(shè)置落石和管道的沖擊時間為0.02s。沖擊點(diǎn)分別位于管道兩側(cè)和中部，以校核管道的抗沖擊性能。

圖2 計算模型Fig.2 Calculation Model

圖3 計算網(wǎng)格圖Fig.3 Calculation Mesh

3.3 仿真工況

根據(jù)企業(yè)強(qiáng)度試驗(yàn)要求，逃生管道應(yīng)承受300kg落石從7m高處自由下落的沖擊，且管道的凈空高度h≥450mm，以供隧道施工人員的逃生。

為了提高計算效率，計算時忽略落石的自由下落過程。根據(jù)速度、高度和重力加速度的關(guān)系計算落石的初始速度=11.71m/s，以初始速度為初始邊界條件，可以大大減少計算時間。

4 仿真計算結(jié)果分析

調(diào)用ABAQUS進(jìn)行計算，得到左端（右端與左端類似）和中部沖擊點(diǎn)最危險時的變形云圖，如圖4、圖5所示。從圖中可以看出，端部沖擊時，端部的沖擊變形最大，為14.29mm，越往內(nèi)側(cè)沖擊變形越小。中部沖擊時，沖擊點(diǎn)管道呈局部下凹趨勢，中部的變形最大，為12.75mm，往兩側(cè)變形逐漸減小。這與工程實(shí)際相符。不論管道遭受哪種沖擊，管道的凈空高度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于450mm，滿足施工人員的匍匐姿勢逃生需求，表明所設(shè)計的逃生管道是安全可靠的。

圖4 左端沖擊點(diǎn)豎直方向變形圖Fig.4 The Vertical Direction Deformation Diagram of the Left Impact Point

圖5 中部沖擊點(diǎn)豎直方向變形圖Fig.5 The Vertical Direction Deformation Diagram of the Middle Impact Point

5 現(xiàn)場沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證

為了說明仿真結(jié)果是否正確，按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對管道進(jìn)行現(xiàn)場沖擊試驗(yàn)，如圖6所示。管道和落錘材料均參照計算標(biāo)準(zhǔn)制造。沖擊點(diǎn)位于管道的兩端和中部。

圖6 沖擊試驗(yàn)場地布置示意圖Fig.6 The Impact Test Diagram

左端和中部沖擊點(diǎn)位經(jīng)受落錘沖擊后的管道試樣照片，如圖7、圖8所示。沖擊試驗(yàn)后的現(xiàn)場圖，如圖9所示。由圖可知，管道具有較高的彈性和剛度，沖擊后落錘被彈開。管道左端僅在沖擊點(diǎn)附近有局部變形，中部具有局部層間剝離損傷和塑性變形。

圖7 左端沖擊后管道局部變形Fig.7 The Tubes Local Deformation After the Left Impact Point

圖8 中部沖擊后管道局部變形Fig.8 The Tubes Local Deformation After the Middle Impact Point

圖9 沖擊試驗(yàn)后現(xiàn)場圖Fig.9 The Scene After the Impact Test

試驗(yàn)后，對沖擊點(diǎn)附近的變形量進(jìn)行了測量，如圖10所示。由圖10（a）可知，左端沖擊后的變形從端部到內(nèi)側(cè)逐漸減小，最大變形量為11.7mm。對比圖4的變形云圖可知，ABAQUS數(shù)值模擬與試驗(yàn)吻合良好，最大變形量和變化趨勢均一致。

對比圖10（b）和圖5可知，沖擊試驗(yàn)和ABAQUS數(shù)值模擬的變形趨勢一致，均呈中部下凹趨勢。但是ABAQUS模擬的變形量僅為12.75mm，試驗(yàn)的變形量達(dá)到62mm。觀察發(fā)現(xiàn)，由于管道剛度過大，試驗(yàn)過程中落錘發(fā)生了回彈，對管道進(jìn)行了多次往復(fù)沖擊，造成試驗(yàn)室遠(yuǎn)大于計算值。這說明，用ABAQUS模擬沖擊是非常準(zhǔn)確的。

圖10 試驗(yàn)值Fig.10 The Test Values

6 結(jié)論與討論

提出了一種新型隧道逃生管道結(jié)構(gòu)，利用ABAQUS有限元軟件對逃生管道的抗沖擊性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，并進(jìn)行了現(xiàn)場沖擊試驗(yàn)，得到了以下結(jié)論：

（1）左端沖擊時，端部的沖擊變形最大，越往內(nèi)側(cè)變形量越小；中部沖擊時，沖擊點(diǎn)附近管道呈下凹趨勢；數(shù)值模擬預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。（2）所提出的新型逃生管道結(jié)構(gòu)經(jīng)300kg落錘7m高度下落沖擊試驗(yàn)后，管道內(nèi)部最小凈空高度大于450mm，具有很高的安全性。