爆破荷载作用下的地下结构.docx

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爆破荷载作用下的地下结构

中国矿业大学（北京）

科研选题训练选题报告书

（试行）

Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse

课题名称：

爆破荷载作用下的地下结构动力响应研究

课题完成人员：

赵勇马冬旭曹增荣陶凯栾骐屹

所在学院：

中国矿业大学（北京）

专业年级：

土木工程2012-2

联系电话：

E-mail:

指导教师:

李清

填表日期：

2013年12月

一、基本信息

课

题

信

息

课题名称

爆破荷载作用下的地下结构动力响应研究

课题来源

□纵向课题，□横向课题，□√其他

课题性质

□开发、设计，□√基础性研究，□应用性研究，□社会调研

选题范围

国家自然科学基金中的子课题

课题完成人员

课题组长

姓名

赵勇

所在学院

力建学院

专业班级

土木2012-2

电话

签名

课题组成员

姓名

所在学院

专业班级

签名

马冬旭

力建学院

土木12-2

曹增荣

力建学院

土木12-2

陶凯

力建学院

土木12-2

栾骐屹

力建学院

土木12-2

指导教师

姓名

职称

单位

电话

E-mail

李清

教授

力建学院

二、课题背景

所选课题的依据、现状分析及发展趋向

对于课题研究的提出，是由于近些年来，地下空间的开发已成为国家基础建设的一项重要组成部分。

在城市地铁、地下商业空间等各类结构中，为预防各种生产事故或恐怖袭击所造成的意外爆炸，地下结构应有足够的抗爆能力，因而研究地下结构遭受各种内部爆炸冲击下的动力响应，对地下工程的设计、施工及抗爆研究都有着重要的理论意义和工程价值。

而且随着城市地下空间开发利用规模的不断扩大，地下建设也得到迅速发展,带有大型地下室（或人防）的建筑结构在城市中心区域大量增加。

地下空间是一个城市空间不可分离的组成,它可以吸收和容纳相当一部分的城市功能和城市活动,使城市获得更大的活力和发展潜力近些年来,与此同时爆破对此类结构整体影响较大。

随着工程爆破技术的成熟和发展以及其带来的显著经济效益,城市高层建筑的岩石地基开挖，大型水电站的建设施工，其它地下结构的建设以及各种拆除工程中爆破技术得到了广泛的应用。

爆破法带来高经济效益,工程爆破事业在蓬勃发展的同时,也存在诸多问题,有时引起结构不同程度的损伤,甚至出现结构破坏的严重后果,引发各种民事纠纷。

因此,对于爆破地震效应的研究以及爆破安全控制方面的课题受到广泛的关注。

近年来，大批的国内外学者围绕各类建筑物的抗爆防爆问题进行了深入系统的研究。

其中Woznica和Hao等学者对各类型平板构件遭受爆炸荷载冲击的动力响应进行了相关的数值模拟和实验研究。

地下工程所处的环境条件和地面截然不同，设计理论并不成熟，尤其是动载荷，长期以来一直采用的是经验的放大系数法，因此，人们一直致力于寻求解决地下工程尤其是动力问题的理论与设计方法。

对于爆炸荷载作用下所有结构的设计和分析问题，必须要考虑结构的牢固性，以确定结构在各种爆炸荷载作用下是否可靠，结构上的荷载与结构运动是相互依赖的，因此，在确定结构的荷载和运动时，必须考虑结构与周围介质之间的相互作用规律，其会影响结构的破坏模式，国内外学者对此作了大量的研究，取得了有意义的研究成果，美国在20世纪70年代就开始进行大量的钢筋混凝土结构抗爆现场模型试验，到了浅埋结构的破坏模式，国内解放军理工大学的方秦教授清华大学的陈肇元教授也对冲击和爆炸荷载作用下钢筋混凝土构件和浅埋结构动力响应进行了系统研究，李忠献、田力等专家学者对诸如混凝土、砖石等各种材质的墙体进行了抗爆响应的试验及数值模拟分析,华南大学的魏德敏教授对于冲击荷载作用下的拱形结构的动力响应和动力屈曲进行了系统研究。

地下室和地基基础与上部结构协同工作是一个非常复杂的问题,且本文又对具体情况作了相应的简化,因此所得的计算结果可能会与实际情况有差别。

具体的发展趋势有以下几点：

1.虽然对爆破作用下地下室和地基基础与上部结构协同工作框架结构体系的动力反应做了分析比较和理论研究,但是由于土木建筑工程量大面广,建筑结构形式多种多样,因此对各种地基基础与各种上部结构的协同工作体系在爆破作用下的动力反应有待全面系统的研究和比较。

2.爆破的产生过程是一个复杂的化学和力学过程,炸药在爆炸的瞬间与孔壁的冲击作用是一个复杂的接触过程，用有限元方法中的接触单元来模拟这一过程是一个很有潜力的方法。

3.由于爆破具有不可恢复性,因此,人工模拟爆破的方法有很大的应用前景，但是目前的研究现状来看,对人工模拟爆破地震波的技术还不够完善,对于爆破的频谱特性的研究还远远达不到要求，还有待继续研究发展。

4.结构的相互作用研究缺乏能广泛适用的本构关系及准确的材料参数,其相互作用存在很多不确定性,影响因素很多,具有强非线性特点，对地下结构的初始应力状态需进行探讨,特别是非线性条件下,进行地下结构施工过程模拟,以便更好地指导实际工作。

三、课题内容和意义

1.课题的主要内容

本次课题研究的主要内容包括爆破荷载的产生机理、地下基础与上部结构共同工作体系和动力分析的基本理论及模型建立、爆破荷载的模拟研究三个方面，以达到对爆破荷载作用下的地下结构进行应用，并对爆破作用机理进行进一步分析的目的。

具体内容如下：

1.爆破荷载的产生机理：

本研究项目的理论依据主要包括分析爆破荷载的形成及种类；研究计算爆破的相关参数；以及对爆破荷载的影响因素进行整理总结，将这些用于实践进行研究；

2.地下基础与上部结构共同工作体系动力分析的基本理论及模型建立：

本研究项目是在地下基础与上部结构共同工作体系力学模型的基础上，研究在爆破荷载力的作用基础上，并运用动力分析的基本理论及模型建立，探索不同爆破冲击能量和冲击速度对荷载作用下的地下结构的受力状态的影响。

并同时比较不同振动条件下结构反映的比较受到相同冲击荷载作用时结构本身受力状态的异同点，明确地下结构在荷载作用力下的防冲抗爆特性；

3.爆破荷载的模拟：

本研究项目最后主要就爆破荷载进行模拟并分析，通过组建爆破荷载的模型，推导结构动力方程和平衡方程及动力计算模型来实现该项目。

建立动力计算模型；简化求解；简化爆破荷载的模拟；不同振动条件下结构反映的比较，并将这些模拟得出的理论进行应用。

2.课题的意义

本次课题研究的意义：

随着空间开发利用规模的不断扩大，地下结构建设也得到迅速发展，带有大型地下室（或人防）的建筑结构在城市中心区域大量增加，现有的大批人防工程，不再仅仅是战备工程，同时还具有多种多样的平时使用功能，产生了十分明显的战备效益，经济效益和社会效益。

但于此同时爆破对此类结构整体影响的研究所见不多，因此有必要对其进行近一步研究。

四、参考文献

主要参考文献：

（15篇左右近年出版的参考文献）

【1】陈巍：

爆破对结构的影响分析（硕士学位论文）2007年12月

【2】侯学渊,马忠政：

我国地下空间开发利用技术的发展

【3】冯好涛，庞永师：

浅谈我国地下空间现状与发展前景2009年10月

【4】童林旭:

地下空间与城市现代化发展中国建筑工业出版社2005年

【5】钟国平：

大城市地下空间的利用现状及前景分析地下空间与工程学报,2006

【6】孙惠香，许金余，李庆：

爆炸荷载作用下地下结构破坏模式研究2011年

【7】美国空军防护结构设计与分析手册

【8】陈肇元：

防护工程钢筋混凝土构件的抗剪性能与设计方法1994年

【9】方秦：

爆炸荷载作用下钢筋混凝土结构的动态响应与破坏模式的数值分析2007年

【10】郑永来,杨林德：

地下结构震害与防治对策1999年2月

【11】张永哲：

爆破地震波传播特性研究爆破2000年7月

【12】钱七虎：

建设节约型社会必须充分开发利用地下空间2006年8月

【13】刘巍，叶少帅，徐利国：

城市地下空间开发利用管理法规体系地下空间与工程学报2005年4月

【14】任红梅，林皋：

基于sBFEM的地下结构抗震分析安徽建筑工业学院学报2005年

【15】张雪亮，王树堂：

爆破地震效应北京地震工程出版社1981年

【16】陶龙光，巴肇伦：

城市地下工程北京科学出版社1996年

五、对课题的评价意见

指导教师评价意见

课题选题来源自国家自然科学基金项目“爆破荷载作用下的地下结构动力响应研究”的子课题。

课题研究内容充实而且合理，可操作性强，利用网络以及图书馆资料进行查询研究分析。

课题的研究能激活本科生的创新意识，锻炼学生独立自主查询资料的能力，增强科研的攻关能力。

签字：

年月日

仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。

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Pourl'étudeetlarechercheuniquementàdesfinspersonnelles;pasàdesfinscommerciales.

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