水中爆炸对桩基平台结构毁伤效应与防护研究

The port dock, footed stem house and offshore drilling platform will come into being component distorted, partial failure or even integrality damage on water explosion. In order to solve the key problem of structure’s damage evaluation and protection design, damage effect and protection technical for classical peg foundation structural will be researched. Theoretical analyse, model test, mechanics research and effect evaluation is main research method. Through research of spread rule for imperfect detonator in water explosion, a simplified model for aluminiferous detonator’s energy release will be established. Based on complementary tests for material nature and node, mechanics property of reinforced concrete with intense dynamic load will be researched. Combine with model structure tests on water explosion and multiple-dimensioned hybrid element numeric analysis, theory model is established which is in couple action of shock wave and gas bubble pulsation. The integral analytic model of platform structure is developed which is based on minor structure model. In this item, the load distribution on structure‘s surface, the influence curve of coupling effect, the damage modality in different load effect and the judgment gist of damage are all our study emphases. The dynamic characteristics and failure mechanism of peg foundation structure in the effect of varied proportion distance and interface. The method of dividing damage grade and appraising damage is brought forward which is based on damage factor forward. The rational suggestion for the protective measure of air curtain adsorb wave is given in our research.

水中爆炸会引起港口码头、岛礁高脚屋、海洋钻井平台等结构产生构件变形、局部破坏乃至整体损毁。为科学解决水中爆炸结构的毁伤评估与防护设计等关键问题，本项目以高桩码头为研究重点，采用理论分析、模型试验、机理研究与效应评估相结合的研究思路和方法，对典型的桩基平台结构在水中爆炸作用下的毁伤效应和防护技术进行深入研究。在对非理想炸药水中爆炸传播规律研究基础上，建立含铝炸药能量释放简化模型；基于补充材性及节点试验，研究钢筋混凝土材料在强动载作用下的力学性能，结合模型结构水中爆炸试验和多尺度混合单元数值分析，建立冲击波/气泡脉动耦合作用下理论模型；发展基于子结构模型建立整体平台结构分析模型，确定结构表面荷载分布、耦合效应影响曲线、不同荷载作用下破坏形式、毁伤判据等，揭示不同比例距离、不同界面影响下桩基结构动力特性及破坏机理；提出基于损伤因子的破坏等级划分和毁伤评估方法，并对气幕消波防护措施提出合理建议。

高桩码头作为一种重要近岸桩基平台结构，在舰船停靠、设备进出、人员上下等方面具有重要作用。水中爆炸下高桩码头的局部损毁和整体破坏，会严重影响其保障能力的发挥，给军事和经济带来难以估量的损失。研究水中爆炸高桩码头的毁伤效应，深入分析其毁伤机理，科学评估其毁伤程度，对于桩基码头抗爆设计及防护研究具有重要的实际应用价值，也可为其它重要海洋水工结构的毁伤效应预测、控制、评估和防护研究提供重要参考。本项目针对水中爆炸作用下桩基码头结构毁伤效应研究迫切需求，通过模型试验和数值模拟及及理论分析，系统开展了桩基结构表面作用荷载、单桩模型响应特征和毁伤模式、码头单元模型破坏特征和毁伤机理、桩柱结构毁伤评估、作用荷载预测及防护措施等研究，主要研究内容和成果如下：.（1）提出了水中爆炸对桩基平台结构毁伤效应与防护亟待研究解决的4个关键问题，开展了新型非理想炸药水中爆炸能量释放与传播规律研究；.（2）通过模型试验，研究了不同工况下钢管桩柱表面荷载特征和空间分布规律，比较了结构形状对冲击波反射和绕射的影响，分析了气幕压力对冲击波削减效果的影响；.（3）通过模型试验，研究了水中爆炸下单根桩柱的动力响应和破坏特征，分析了桩柱参数对抗爆性能的影响；.（4）通过数值模拟，对桩柱的毁伤过程及机理进行了精细化研究，比较了界面差异及结构参数对反射冲击波的影响，分析了混凝土强度、轴向压力及外贴钢板对桩柱变形的影响；.（5）根据典型高桩码头群桩结构，搭建了完整的码头单元试验模型，结合数值仿真分析，研究了不同工况下（爆点位置、炸药量、工作荷载等），码头单元模型局部破坏特征和整体响应特点；.（6）以剩余承载力为毁伤标准，通过剩余承载力试验和数值模拟，得到了不同爆炸工况下的桩柱破坏等级，拟合得到了桩柱发生中度损伤的临界药量和临界距离的关系曲线，给出了使桩柱发生冲击振动的等效冲击波作用峰值经验系数及实用工程算法。