燃气爆炸作用下综合管廊结构动力响应有限元分析

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综合管廊建设是现阶段我国重点民生工程之一,综合管廊安全是城市正常运行的有力保障。目前对综合管廊的研究主要集中于管廊截面形式优化、燃气入廊问题、雨污水入廊、管廊消防及安全运营等方面,对于燃气爆炸后管廊的安全性问题的研究成果还不多见,燃气舱抗爆设计在规范中也无更多体现。而燃气管舱的燃气爆炸问题是综合管廊安全运营的潜在危险,因此对燃气爆炸作用下综合管廊结构动力响应研究具有一定的实用性与紧迫性。本文依托北京市某综合管廊重点项目,拟采用大型有限元分析软件ANSYS19.0/LS-DYNA,建立管廊结构-空气-燃气混合流体多物质耦合系统模型,在考虑材料非线性、几何非线性、接触非线性、多物质耦合相互作用等的基础上,以燃气混合气体为爆炸源来对燃气的爆炸进行数值模拟,针对综合管廊内燃气爆炸冲击波传播规律以及综合管廊在燃气爆炸作用下的结构动力响应展开研究,以期能为综合管廊的防爆抗爆设计提供一定的科学研究依据。通过ANSYS19.0/LS-DYNA数值模拟,分析了不同燃气浓度(8.2%、9.5%、11.6%)、不同燃气舱尺寸(1.9m×3.4m×6.0m、1.9m×4.0m×6.0m、2.2m×4.0m×6.0m)情况下综合管廊内燃气爆炸冲击波传播规律。研究结果显示:距离燃气爆炸中心近的测点的压力比较大,并且在同一断面的各个测点压力随着距离爆炸中心距离的增大而减小。由于燃气爆炸冲击波在燃气舱内会随着时间发生多次反射,每个测点都会经历很多个压力峰值,尤其是在燃气舱内壁位置处的测点经过多次的反射波叠加的效应会致使燃气舱内壁处的压力要明显变大。当燃气浓度为9.5%时燃气单元超压峰值最大,放出的能量也最大且极速向四周扩散,使得压缩波速变快,因此燃气爆炸冲击波的传播速度和影响也最大。燃气爆炸冲击波传播速度与燃气舱尺寸成随燃气舱尺寸增大而减小的负相关,爆炸荷载亦然。本文研究了不同燃气浓度(8.2%、9.5%、11.6%)、不同燃气舱尺寸(1.9m×3.4m×6.0m、1.9m×4.0m×6.0m、2.2m×4.0m×6.0m)、不同舱室数(单舱、双舱、三舱、四舱)和不同层数(一层、两层)情况下综合管廊在燃气爆炸作用下的结构动力响应。通过研究表明:燃气浓度为9.5%的燃气发生爆炸荷载时,综合管廊燃气舱的速度峰值、加速度峰值、位移峰值及应力均大于燃气浓度为8.2%和11.6%,因此爆炸荷载对综合管廊燃气舱的破坏与影响最大。随着燃气舱尺寸的增大,管舱内的空气不断振动、温度升高、冲击波的不断反射与叠加,消耗了爆炸引起的能量,因此爆炸荷载对综合管廊燃气舱的破坏与影响逐渐减小。随着综合管廊舱室数的增多,应力在燃气舱之外的管廊墙体中传递,引起其余墙体的不断振动,消耗部分能量,缓冲了爆炸冲击波对燃气舱的影响,因此爆炸荷载对综合管廊燃气舱的影响和破坏逐渐减小并趋于平稳。随着综合管廊层数的增加,应力在燃气舱之外的墙体中传递,起到了缓冲、耗能和解爆作用,爆炸荷载对综合管廊燃气舱的影响和破坏逐渐减小。
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