基于交通隧道安全的流固耦合分析

    恐怖分子对马德里、伦敦、莫斯科等城市交通隧道的攻击造成了巨大损失—— 人员死伤、资产损坏和经济后果。由于有限的地下空间、地面塌陷风险和隧道进水（如果在水体下构建），交通隧道中的爆炸极其危险。栢诚公司采用ANSYS Autodyn 执行三维耦合Euler-Lagrange（流固耦合）非线性有限元爆炸分析，以仿真普通交通隧道中的爆炸和预测潜在损害。工程师分析了常规保护措施的有效性，如：增加混凝土衬砌厚度或钢筋用量以及替代保护措施，以降低对衬砌的破坏和确定成本。由于运输局或管理机关会平衡多种需求，此类信息可以为决策过程提供帮助。

    美国联邦公路管理局（FHWA）和美国州公路和运输协会（AASHTO）在2011 年美国受到恐怖主义攻击之后成立了桥梁与隧道安全蓝带委员会。该委员会鉴定了美国200 多条交通隧道。其中许多隧道为每天运载数百万旅客的公交系统提供服务。由于交通便利、人员集中、有可能对基础设施造成巨大破坏以及扰乱经济活动，交通隧道极易成为了恐怖分子的目标。

    交通隧道内部

    为了提高基础设施的安全性，栢诚公司进行了广泛的内部研究，同时开发出了一种称为TARIF 的系统方法。此方法分五个步骤，而且已经应用于多个隧道与地下设施的设计。

    恐怖分子对隧道系统袭击的实例[1]

    基本案例研究

    炸药重量和隔离距离是定义爆炸威胁的两个重要参数。炸药重量通常以TNT 等效重量测量，而隔离距离是炸药中心到结构支撑面的距离。本研究采用一种保守估计100磅TNT、间距距离为2英尺的背包炸弹作为合理的潜在威胁。

    采用厚度为11英寸、内部直径为20英尺的预制混凝土分段衬砌对普通交通隧道进行建模。相邻管片采用径向螺栓连接；而相邻环片采用钢销连接。

    栢诚公司的工程师选择Autodyn 中用于烈性炸药的Jones-Wilkins-Lee 状态方程模拟通过未反应材料传播并且把炸药转变成爆炸产物的爆震波。RHT 应变率相关混凝土模型可用于仿真在爆破荷载下混凝土材料的受损程度。来自Autodyn 材料库的STEEL 4340 模型可用于仿真钢筋、钢板、螺栓与钢销。此材料模型采用Johnson-Cook 强度模型，其代表金属在经受巨大应变、高应变率和高温情况下的强度行为。Drucker-Prager 强度线性模型可用于呈现土壤与岩石的行为。