地表爆炸对埋设管道的损伤影响及抗爆性能优化：以采用钟形接头（bell-and-spigot joints）的混凝土管道为例

浅埋钢筋混凝土管道在表面爆炸下的动态响应与裂纹扩展特性研究，通过现场爆炸试验和LS-DYNA耦合数值模拟，结合Winfrith混凝土模型，揭示了管道 bell-and-spigot 接头处易形成对角裂纹和环向裂纹的规律，并证实增加箍筋密度和直径可有效降低裂缝数量达25.67%。

　　

刘国鹏|江楠|周传波|杨峰|姚英康

中国地质大学（武汉），武汉430074，中国

摘要

埋设管道对意外地表爆炸的抗爆性是城市基础设施安全的关键问题。本研究通过结合现场爆炸试验和LS-DYNA中的完全耦合数值模拟的方法，研究了浅埋钢筋混凝土（RC）管道在爆炸作用下的动态响应和裂纹扩展特性。采用Winfrith混凝土模型准确模拟了裂纹的起始和发展过程。结果表明，爆炸引起的损伤主要表现为管道接头处的对角裂纹以及管道下半球面的周向裂纹。研究发现，钟形接头是最脆弱的部位，裂纹模式（对角裂纹、周向裂纹或两者兼有）强烈依赖于爆炸应力波的入射角度。通过对钢筋设计进行参数研究，发现增加钢筋直径和接头处周向钢筋的密度可以有效减轻损伤。与标准钢筋方案（N1D4）相比，优化方案使开裂元素的数量减少了25.67%，同时降低了裂纹的宽度和长度。本研究为提高埋设RC管道的抗爆性能提供了有效的策略。

引言

近几十年来，全球城市地区频繁发生意外爆炸事件。典型的例子包括2015年的天津港爆炸（Fu等人，2016年）和2020年的贝鲁特港爆炸（Valsamos等人，2021年）。这类事件伴随着强烈的冲击波、高温高压以及地面震动效应，对人类安全和工程设施的结构完整性构成严重威胁（Ambrosini和Luccioni，2020年）。城市地下基础设施主要由钢筋混凝土（RC）结构构成，对于可持续发展至关重要。因此，地下RC结构的抗爆性能及其在爆炸作用下的动态响应特性是灾害预防和地下基础设施结构韧性的关键研究领域。

RC结构作为最常见的建筑类型之一，已在极端动态载荷（如爆炸载荷）下得到了广泛研究。研究重点关注其载荷机制、动态响应和损伤行为。针对各种RC构件（如板、柱、梁和隧道衬砌）进行了现场爆炸试验（Meng等人，2019年；Thiagarajan等人，2015年；Shi等人，2008年；Cheng等人，2021年），以了解其动态特性。同时，计算数值模拟技术的进步使得利用有限元程序（如LS-DYNA、AUTODYN、ABAQUS）结合先进的混凝土本构模型（如RHT模型（Wang等人，2013年；Yang等人，2018年）进行详细分析成为可能。相关研究通常考虑两类主要的爆炸载荷：（1）地质工程施工爆破产生的振动；（2）意外地表爆炸。

在研究地质工程施工爆破对地下RC结构的影响时，Jiang和Zhou（2012年）对隧道衬砌在顶部施工爆破作用下的动态响应特性进行了数值模拟研究，并确定了混凝土隧道衬砌的爆破振动安全阈值。Liu等人（2020年）监测并分析了新隧道施工爆破对现有公路隧道振动速度的影响。Xia等人（2021年）对RC管道在爆炸振动作用下的动态响应特性进行了现场实验研究，并通过数值模拟进一步研究了带有钟形接头的RC管道的损伤机制。这些研究的共同特点是明确了爆炸参数和相对于地下结构的震源位置，从而能够直接监测关键响应参数（如振动速度）。

相比之下，由于地表爆炸的不可预测性，对其进行研究具有挑战性，使得现场试验难以实施。Lu等人（2005年）首次使用完全耦合数值模拟方法研究了埋设混凝土结构在地表爆炸作用下的响应。Yang等人（2010年）对地下隧道在地表爆炸作用下的动态响应特性进行了数值模拟研究，并根据有效应力评估了隧道衬砌的破坏行为，指出了地表爆炸作用下的薄弱区域。上述研究为研究地下RC结构在地表爆炸作用下的动态效应的数值模拟方法创新做出了贡献，但需要注意的是，他们提到的所有数值模拟结果均未经过验证。Musa等人（2017年）通过数值建模评估了地表爆炸对地下箱形隧道的损伤。Qian等人（2021年）通过数值模拟研究了预制管片集成管道廊在地表爆炸作用下的性能。在这两项研究中，均使用美国陆军工程兵团手册（TM5-855-1，1986年）验证了地表爆炸作用下土壤中爆炸冲击波的传播模式。Yang等人（2018年）建立了土壤中爆炸的完全耦合模型，并通过TM5-855-1中给出的土壤峰值压力分布经验公式验证了土壤模型的可靠性；同时通过Wang等人（2012年）进行的混凝土板接触爆炸试验验证了地下RC结构模型的可靠性，并研究了大型RC输水箱涵在表面爆炸载荷作用下的动态响应和损伤发展过程。Koneshwaran等人（2015年）利用De等人（2013年）进行的离心试验数据验证了SPH-FE耦合分析方法的可靠性，并利用该方法研究了盾构隧道衬砌管件在地表爆炸作用下的损伤行为和组装界面的损伤模式。Zhang等人（2024年）通过数值模拟研究了浅埋隧道在爆炸作用下的脆弱性，并通过Zhou等人（2021年）进行的地表爆炸试验结果验证了数值模型的可靠性。如上所述，大多数关于埋设RC结构在地表爆炸作用下的动态响应的数值建模研究都是通过与其他类型的试验（涉及RC板、RC隧道和RC管道走廊）间接验证的。

本研究聚焦于RC管道，这是城市供水网络的关键组成部分。作为刚性管道，它们在极端载荷下容易开裂和破裂，裂纹容易扩展导致失效。RC管道有多种接头类型，如钟形接头、舌槽接头、钢套接头和双接头。Yang等人（2024年）指出，带有钟形接头的RC管道具有最大的径向刚度和相对较强的抗损伤和变形能力。这种接头类型也是中国城市中最常见的RC管道类型之一（Xu等人，2017年）。

本文首先对带有钟形接头的RC管道进行了现场试验，以研究地表爆炸对其的影响。然后使用完全耦合数值模拟方法，基于WINFRITH混凝土模型建立了带有钟形接头的RC管道在地表爆炸作用下的动态响应数值模型，研究了不同钢筋方案的管道裂纹扩展特性。本研究的目的是为设计具有抗爆性能的RC管道提供设计思路。

为了研究地表爆炸对浅埋RC管道的影响，本文首先对带有钟形接头的浅埋RC管道进行了现场地表爆炸试验。其次，使用LS-DYNA开发了一个完全耦合的数值模型，并结合Winfrith混凝土模型来模拟离散裂纹。该模型经过严格校准，并通过现场试验数据进行了验证。随后，利用该验证模型系统地分析了裂纹扩展特性，并进行了钢筋优化（评估钢筋直径和环向钢筋密度）的参数研究，以提高抗爆性能。研究结果旨在提供基于力学的见解和实用的、量化的策略，以增强埋设RC管道的抗爆性能。

研究片段

埋设管道的地表爆炸现场试验

试验地点位于中国湖北省武汉经济技术开发区竹山路与竹山一路交叉口的埋设管道在爆炸载荷和振动作用下的动态响应与防护技术试验场。根据相关地质调查数据，该试验场上方粉质粘土覆盖层的厚度为4～5米，下方风化严重的粉质砂岩厚度约为8～10米。

埋设管道的地表爆炸数值模拟

根据现场试验结果，建立了如图3所示的完全耦合数值模型。该数值模型主要包括空气、粘性土壤、带有钟形接头的RC管道（分别建模）和柔性橡胶环。模型总长度为10米，宽度为6米，土层总厚度为5米，管道埋深为2米，空气范围位于地面以上3米。

为了真实模拟爆炸荷载，必须对其几何形状进行

现场试验和数值模拟的结果

图5展示了爆炸发生后压力波在土壤和空气中的传播情况。在到达管道之前，土壤中的应力波大致以球形波前传播。当遇到管道时，波在土壤-管道界面处部分反射并在管道结构周围扩散。

图6展示了数值模拟的土壤喷射情况与地表爆炸后相应的现场试验图像的对比。

地表爆炸作用下RC管道系统的能量特性

当地表爆炸发生时，管道系统的各个部件都会受到爆炸载荷的作用，导致大量能量吸收。图11展示了不同部件的总能量随时间的变化曲线。

图11(a)显示，四个混凝土管道吸收的总能量顺序为：管道#3 > 管道#2 > 管道#4 > 管道#1。这表明管道#3吸收的能量最多，因此处于最严重的损伤状态。

钢筋方案和参数设计

第5节中的数值模拟确定，钟形接头是埋设RC管道中最脆弱的部位，是地表爆炸载荷下裂纹起始的主要位置。为了研究潜在的缓解措施，使用第3节建立的建模框架进行了参数研究，以评估钢筋设计对动态响应的影响。

研究考虑了两个变量：周向钢筋的布置和

结论

本研究采用现场试验和完全耦合数值模拟相结合的方法，研究了带有钟形接头的浅埋RC管道在地表爆炸作用下的动态响应和裂纹扩展特性。主要研究结果如下：

(1)

本研究建立的现场地表爆炸试验和完全耦合数值模拟的综合方法直接支持了对地表爆炸引起的损伤效应的研究

CRediT作者贡献声明

刘国鹏：撰写——原始草稿、软件开发、方法论、数据整理。江楠：撰写——审稿与编辑、资源获取、调查、资金筹集。周传波：监督、项目管理、调查。杨峰：方法论、调查、正式分析、数据整理。姚英康：可视化处理、监督、资源协调。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了湖北省自然科学基金（资助编号：2024AFA092）、国家自然科学基金（资助编号：52578584和52478525）以及湖北省青年科技人才“智能建造”联合计划（资助编号：2025DJA118）的支持。