装配式框架隧道中隔墙抗爆性能评估与损伤预测研究

推荐：针对隧道中隔墙在爆炸荷载下易损性高的问题，研究人员通过CONWEP算法建立三维精细化模型，对比分析了钢箱式、榫卯式和套筒式连接中隔墙的动态响应与损伤特性，并基于挠跨比准则和GBDT机器学习模型预测损伤等级。结果表明钢箱式连接抗爆性能最优，为预制隧道结构抗爆设计提供了重要参考。

　　

隧道作为交通基础设施的核心组成部分，近年来频繁成为恐怖袭击和意外爆炸事件的目标。2014年中国晋济高速公路岩隧道爆炸事故和2017年圣彼得堡地铁隧道恐怖爆炸事件，凸显了隧道结构在极端荷载下的脆弱性。其中，中隔墙作为隧道中最易受损的构件，其破坏不仅会导致通风、供电等关键系统连锁失效，还可能使爆炸冲击波和碎片侵入相邻车道，扩大灾害范围。尽管现有研究通过改变材料和调整结构形式提升了中隔墙的抗爆性能，但不同连接类型（钢箱式、榫卯式、套筒式）对中隔墙抗爆能力的影响仍缺乏系统研究。

为解决这一问题，研究人员开展了装配式框架隧道中隔墙在爆炸荷载下的动态响应评估与损伤预测研究。通过建立三维精细化数值模型，结合CONWEP爆炸荷载算法和机器学习方法，揭示了不同连接类型中隔墙的破坏机理，并提出了基于挠跨比的损伤评估准则。研究成果发表于《Engineering Science and Technology, an International Journal》，为隧道结构的抗爆设计提供了重要理论依据。

研究采用的关键技术包括：1）基于ABAQUS软件的三维精细化建模，考虑混凝土损伤塑性（CDP）模型和钢材的Cowper-Symonds应变率效应；2）CONWEP算法模拟爆炸荷载，分析不同TNT当量（25-454 kg）和爆距（1-7 m）下的动态响应；3）梯度提升决策树（GBDT）机器学习模型，利用168组高保真数据集预测损伤等级。

应力波传播特性：爆炸冲击波在2 ms时到达中隔墙连接部位，钢箱式连接的应力峰值（4.8 MPa）显著低于榫卯式（11.1 MPa）和套筒式（12.8 MPa），表明钢箱结构能有效延缓应力波传播。

变形特征：在227 kg TNT当量下，钢箱式、榫卯式和套筒式中隔墙中心位移分别为114.1 mm、105.7 mm和117.3 mm，榫卯结构在低爆炸强度下抗变形优势明显。

损伤模式：三类中隔墙均表现为弯剪复合破坏，但钢箱式连接的裂缝范围更集中，且残余应力（2.8 MPa）高于其他两类，说明其局部完整性更优。

参数影响：当爆距≥3 m时，三类中隔墙抗爆性能相近；但当爆炸当量≥454 kg或爆距<3 m时，钢箱式连接的位移响应显著优于榫卯式和套筒式，峰值位移降低达30%。

损伤预测：GBDT模型的预测精度最高（R²
=99.6%），其结果显示钢箱式中隔墙发生严重损伤或倒塌的概率比榫卯式和套筒式分别低15%和18%，尤其在低爆炸强度下（爆距>3 m），三类结构的抗爆性能差异可忽略。

该研究首次系统比较了不同连接类型中隔墙的抗爆性能，证实钢箱式连接在高爆炸强度下的优越性。提出的GBDT预测模型可快速评估设计方案的抗爆潜力，为工程实践提供了高效工具。未来需通过扩大数据集和优化算法进一步提升模型泛化能力，以应对更复杂的爆炸场景。研究结果对提升隧道结构的安全性和耐久性具有重要指导意义，特别是在反恐防护和灾害防控领域。