水中浮动隧道对水下爆炸的全面响应外文翻译资料

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水中浮动隧道对水下爆炸的全面响应

Sung-il Seo *，Myung Sagong **和Seung-wan Son ***

收到2014年3月14日/修订日期2014年5月26日/接受日期：2014年9月25日/ 2015年1月21日发布

摘要

用于运输的水中悬浮隧道（SFT）必须设计成在意外事件的情况下确保乘客的安全。水下爆炸是长期淹没结构的最关键事件。在本文中，首先，由SFT产生的爆炸产生的冲击波和脉冲压力由实验结果的公式表示。其次，由系泊绳和锚固系泊的SFT被建模为具有连续弹性弹簧的简单支撑的均匀梁。对经受来自实验公式的脉冲负载的波束模型的有限元分析通过使用商业码来进行，使得可以研究SFT的响应。为了设计目的，也对同一模型进行理论分析。简单的方程来显示SFT由于水下爆炸攻击的反应。通过这些方程计算时间依赖性位移。计算结果与以前的数值结果进行比较，证明与它们有很好的一致性。使用简单方程的理论分析如此迅速地产生解，使得它们可以应用于在初始设计阶段期间SFT对水下爆炸的响应的参数研究。关键词：水下隧道（SFT），水下爆炸，动态响应分析，古典梁理论，有限元分析

1.介绍

水下悬浮隧道（SFT）是一种浮式运输基础设施，通过系泊系统的张力保持水中超过浮力的平衡。长距离SFT对于铁路系统在安全方面是适当的，但是为了使其用于铁路运输的运输基础设施，在各种负载条件下的安全验证是必要的。 SFT也被命名为阿基米德桥，其概念提出超过150年前。在1969年提出了一个现实的穿越意大利的墨西拿海峡的SFT，它由混凝土管和钢壳组成（Martire，2010），如图所示。

图1.墨西拿海峡两岸水中浮动隧道的初步概念

1.在挪威，挪威公共道路管理局在1987年促进了霍格斯峡湾的SFT的初步设计。之后，进行了研究项目，以便在意大利，日本和挪威扩大对SFT的努力研究。然而，到目前为止还没有建立SFT。没有SFT的原因是没有验证对于客观事故的安全性（Oslash;stlid，2010）。因此，针对意外负载的安全情况是SFT的实际启动的前提条件。可能在SFT上工作的负载包括波浪负载，潮汐负载或地震负载，并且在紧急情况下的进一步负载可能引起致命损坏（Hong和

Ge，2010）。包括在紧急情况下的这种负载是地震，碰撞和水下爆炸。特别地，通过水下爆 炸的负载等可能引起将浮动结构分裂成两个部件的危险风险，正如图2所示 和3年前 在韩国的天安海军船沉没（Yoon等人，2010）。未来，在SFT被广泛用作连接土地的

图2.受水下爆炸袭击的水面舰艇

运输基础设施之前，设计在风险方面准备是必须的。本研究旨在开发设计结构处理这种致命风险的分析方法，同时执行SFT的概念设计。

海军舰艇和潜艇设计成能抵抗水下爆炸的攻击。生存条件的设计要求由冲击因子（=以磅为单位的装载重量除以以英尺为单位的间距距离的平方根）表示。从第二次世界大战以来，水下爆炸的现象已被澄清，从而可以做出冲击响应分析（Keil，1961）。还提出了结构和船上设备的冲击设计指南。最近，考虑到流体 - 结构相互作用，可以通过使用诸如双渐近分析和软件工具（Mair，1999）的先进理论进行船舶和潜艇对水下爆炸的详细结构分析。

然而，在新颖结构的初始设计阶段，需要一种简单和合理的方法来理解行为。 基于经验公式计算SFT下爆炸引起的冲击压力，并基于梁理论分析响应。 将分析结果与使用有限元分析方法的计算进行比较。

2.水下爆炸

当爆炸物在水中爆炸时，高压冲击波在水中扩散，其后是由高压爆炸引起的球形气泡。

图3.水下爆炸产生的冲击波

图3示出了随时间的冲击波，气泡脉冲压力和气泡生长发育。 水下爆炸冲击波的初始速度在球形波形的早期非常快速地扩展，并且随着远离爆炸点，速度降低到声速的水平。 随着冲击波传播，峰值压力减小，同时波形延伸。 因此，水中冲击波的压力表示如下（Yoon等人，2010）：

其中，

K，K=爆炸常数

P（R，W，t）=冲击压力

Pm（R，W）=峰值压力

R =主体和炸药之间的距离

W =炸药重量

alpha;，alpha;=爆炸 指数

theta;（R，W）=衰减时间

气泡脉冲跟随冲击波如图3所示。是当气态产物产生的气泡膨胀时排出的压力波形，其具有比冲击波更低的压力但非常缓慢。 具有高压和高温的气泡在早期将水推向球面波之外并且通过惯性停止超过压力平衡点，并且当气泡周围的水压超过气泡内的压力时，气泡趋于收缩。

3.淹没浮动铁路

图4和图5中示出了用于高速铁路操作的水下浮动铁路的概念。从洪南到济州的海底隧道已经被提出用于全罗南道的高速铁路，但是经济可行性研究显示出比成本少的利益（Lee，2010）。 经济可行性问题的突破可以是这条线上某些部分的淹没浮动铁路。 原型淹没浮动铁路的概念设计基于Honam-Jeju线的最恶劣的环境条件。 海平面位于自由表面下120米处，而隧道结构在地表以下40米处浮动。 其沿长轴的内径为15米，沿短轴12米，如图6所示。 它被设计成维持隧道结构，该隧道结构倾向于通过系泊系统的张力的浮力而上升。 对于完全水密性，外（22mm厚）和内（10mm厚）

淹没浮动隧道对水下爆炸的全面响应

图4.淹没浮动铁路形状作为管道线

图5.水下浮标铁路段

图6.科室细节 图7.水下浮动铁路系泊缆

壳由钢材料制成并且为了将浮力保持在一定水平，壳之间的空间填充有混凝土（500mm厚）。 内壳也有助于实现双重防水系统。 模块以100m的间隔制造，外壳用螺栓紧固在自由表面上并在完全装配在水中之前预组装。 用于疏散和通风的固定型结构以一定间隔制备（Seo，2012）。 系泊系统与重力相关混凝土块在海床上，以便传递张力以处理超过浮力，如图7所示.固定护套设计为以一定间隔放置，用于乘客疏散和通风目的。

4.水下爆炸响应分析模型

当水下爆炸发生意外或恐怖分子的目的，淹没浮动铁路受冲击波的冲击压力致命的影响（Seo等，2013）。 为了确保水下爆炸准备的安全性，在理论方法中分析了淹没浮动铁路在冲击压力下的结构响应。 水下浮动铁路的主体是这样的形式：由系泊线支撑的均匀截面上的隧道连续地连接在固定护套之间。 由于本体具有均匀的截面，固定护套的间隔长于本体的宽度，本体可以理想化为梁，系泊线到弹性支撑和固定护套到支撑边界。 在水下爆炸的情况下, 如图8所示，利用受到脉冲压力的弹性弹簧，用简单支撑的梁的响应来识别车身的行为。

图8.水下爆炸攻击的水下浮体铁路车身

图9.受到部分线性载荷的梁

水下爆炸的冲击压力，如图3和Eq。（1），根据指数函数而变化。 然而，为了简化分析，可以将其理想化为如图9所示的分段线性函数。

图9由以下等式表示：

假设时间上的压力线性减小，如以下等式所示：

其中,

一点时的压力

t=零压力时间

梁的控制方程如下（Clough和Penzien，1975）：

其中，

EI =梁的弯曲刚度

k =每单位长度的弹簧常数

M =每单位长度的梁的质量

w =梁的变形

简单地支撑在两端的梁的变形以满足由下式表示的边界条件的正弦系列扩展：

代入方程 （8），（9）和（11） （10）并乘以两边然后进行积分，得到如下

得到

解（12）可以如下获得：

其中，

l1，l2，l3和l =在图9中定义的长度。

n =求和的整数

P0，P1，P2，P3和P4 =沿图9中定义的长度的压力。

omega;n=式中定义的结构的自然频率。 （14）

5.响应分析结果

冲击压力下淹没浮动铁路的主体响应由式 （11）〜（15）。图10示出了水下爆炸中的分析模型。 模型的长度足够短，以验证提出的理论解决方案。 如果其变大，则主体的弯曲刚度是可忽略的，使得系统可以是单自由度振动系统。 这将在下一章讨论。 水下爆炸的冲击压力的形状和分布如图11和12。 图11示出了根据等式1的冲击压力随时间的变化。 为了简化分析，它被理想化为三角形脉冲，如公式 （8）和（9）。 图12是冲击压力纵向分布理想化的结果

图10.水下爆炸淹没浮动铁路分析模型

淹没浮动隧道对水下爆炸的全面响应

图11随时间变化的冲击波

图12.纵向分布的冲击压力

在身体的中心，如公式（4）〜（7）。有限元分析的模型如图13所示。进行了用梁元件建模本体和用分布式弹簧元件建模系泊系统（LSTC，2003）。有限元分析的数据如表1所示。 （1）乘以身体的直径，以便可以应用每个元素。每个时间定义的时变负载作用于每个元件用于瞬态响应分析。沿着长度的负载分布以虚线绘出，如图12中的每个点处的时间变化。在以预定义的时间间隔计算之后给出响应。图14是在发生最大位移的中心处随时间变化的位移的计算结果。此外，图15和16分别表示在某一时刻的长度方向上的位移和弯矩的分布。图14示出峰值位移的周期中的微小差异。在理论分析中，忽略阻尼项，但在有限元分析中考虑了阻尼效应。阻尼效应有助于最大位移的时间延迟和峰值位移的衰减。通常，振动的阻尼周期比振动的无阻尼周期稍长。图15和16表明最大

图13有限元分析模型（20个梁单元和21个弹簧单元）

图14.身体中心随时间的变化

表1.分析数据

*冲击系数0.3是船上设备的生存条件 海军舰艇（Keil，1961）。 对于样本计算，本研究中的结构考虑了冲击因子0.1。

图15体长在时间上的位移0.9秒

图16在时间0.9时身体的纵向力矩

通过理论分析的位移和弯矩略小于有限元分析。 这些差异似乎是由冲击压力的小差异引起的。

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