爆炸冲击作用下节段拼装桥墩反射超压分布规律研究_许凯.pdf

摘要：分析桥墩在爆炸冲击作用下的反射超压是研究其动态响应的基础。采用 ANSYS/LS-DYNA 建立节段拼装桥墩受爆的三维实体分离式模型，并通过既有试验来验证建模方法的可靠性。以桥墩结构形式、节段数目、爆炸比例距离及爆心高度等为设计变量，分析其对节段拼装桥墩冲击波反射超压分布规律的影响。研究结果表明：在桥墩节段数目及爆心高度一定的情况下，桥墩反射超压随比例距离的减小而增大；当爆炸高度接近桥墩接缝时，接缝位置处会产生相当大的反射超压；节段拼装桥墩反射超压的变化规律和整体式桥墩有明显差距；通过拟合得到了整体式和节段拼装桥墩不同比例距离处冲击波超压峰值沿桥墩高度分布的简化计算公式，可为研究桥墩受爆的动态响应及其抗爆设计提供参考。关键词：节段拼装桥墩；爆炸；反射超压；分布规律；简化计算中图分类号：U443，22文献标志码：A文章编号：1009-7716（2023）01-0210-06爆炸冲击作用下节段拼装桥墩反射超压分布规律研究收稿日期：2022-03-14作者简介：许凯（1996），男，硕士，助理工程师，从事BIM信息化工作。许凯，史菁霞（上海城建信息科技有限公司，上海市 200093）DOI:10.16799/ki.csdqyfh.2023.01.0520引 言近年来，易燃易爆物品运输逐渐增多，其在运输过程中易发生爆炸，对桥梁等交通基础设施的安全造成威胁。此外，在全球范围内的恐怖主义活动不断加剧，重要的桥梁成为恐怖分子爆炸袭击的潜在目标。桥墩作为桥梁结构的重要承载构件，其抗爆性能直接关系到桥梁体系的安全性。因此，亟需开展桥墩构件的抗爆研究。对于桥梁墩柱在爆炸荷载作用下的反射超压和破坏研究，D.Karagiozova1深入研究了在冲击作用下的圆柱壳体的动力特性与响应规律，提出屈服应力高的圆柱壳能够在动力作用下更好地耗散能量。阎石等2研究了爆炸波能量衰减规律，以及具有时变特点的超压空间分布规律，确定了与破坏程度密切相关的几种典型超压影响范围。孙珊珊等3，4进行了大比例钢管混凝土墩柱静爆试验，得到了钢管混凝土墩柱柱面爆炸荷载的反射超压分布规律，对比研究了各经验公式的预测差异与适用性。Williamson 等5指出地面爆炸时，在远距离爆炸条件下，作用在桥墩上的爆炸荷载可近似成均布荷载，而近距离爆炸条件下，桥墩上的爆炸荷载可近似为三角形荷载。以上可以看出大部分的桥墩抗爆研究主要集中在整体式桥墩上，对节段拼装桥墩研究很少。同时节段拼装桥墩凭借其施工速度快、干扰小等诸多优点，广泛用于工程实践中。但是由于节段拼装桥墩墩身的不连续性，存在接缝处抗剪能力较弱的问题。桥墩作为桥梁结构竖向承载力的主要构件，对于爆炸荷载的敏感性大，且研究爆炸荷载在墩柱上的分布规律是分析爆炸荷载作用下桥梁结构动态响应的前提，因此有必要研究爆炸作用下节段拼装桥墩冲击波反射超压分布规律。现基于 ANSYS/LS-DYNA 建立圆形截面预制节段拼装桥墩的三维实体分离式模型，通过参照试验的实测数据来验证该三维分离式模型的准确性。在此基础上，讨论了节段数目、比例距离、桥墩体系和爆心高度等关键设计参量对圆形截面预制节段拼装桥墩冲击波反射超压的影响。通过对爆炸冲击作用下整体式和节段拼装桥墩反射超压分布对比分析，研究此类节段拼装式桥墩反射超压分布规律及其关键影响因素，可为今后装配式桥墩的抗爆设计与研究提供计算依据。1数值模型建立1.1计算模型和计算方法目前对节段拼装桥墩的抗爆试验还没有统一尺寸标准，但根据美国太平洋地震工程研究中心的桥墩尺寸统计，抗震试验桥墩直径多为 4050 cm。因此，该项研究的桥墩模型尺寸确定为圆形截面，直径0.5 m，墩身高 3 m。墩身分为 3、4、5 节段，节段长度分别为 1 m、0.75 m、0.6 m。根据装配式混凝土结构技术规程6，桥墩混凝土等级为 C40。箍筋直径 8 mm，URBAN ROADS BRIDGES&FLOOD CONTROL第 1 期（总第 285 期）2023 年 1 月科技研究210间距 10 cm，纵筋直径 18 mm，混凝土保护层厚度为5 cm。采用 ANSYS/LS-DYNA 作为计算工具，在数值模拟中采用方形炸药，等效 TNT 装药量为 20 kg、30 kg、40 kg，并且放置在自由空气场当中。计算模型如图 1 所示。对爆炸冲击等动力系统的分析需要对质量和边界条件等效处理，最好是建立全桥模型来进行研究。然而该项研究主要侧重点在桥墩，且上部结构模型参数具有较大的离散性，只能对模型进行简化处理。为模拟节段拼装桥墩的边界条件，根据文献5及文献7对钢管混凝土墩柱的抗爆试验及对船撞击桥墩的模拟结果，模型采用简化的盖梁与基础，墩柱边界条件设为底端固定、顶端铰接。为防止节段间混凝土的相互渗透，采用面面自动接触算法控制。根据 Li的研究8，节段间静摩擦因数取 1.0，动摩擦因数取0.8，指数衰减因数取 0.5。桥墩在建模过程中参考相关文献9，10将上部结构的荷载考虑为墩身设计轴压的 20%施加在桥墩顶部。单元类型采用 SOLID164，为六面体单元。为避免网格的严重畸变，炸药和空气单元采用欧拉算法，使用二阶精度方法进行计算7。为得到爆炸荷载沿墩身分布情况，在桥墩迎爆面上设置了 31 个测点。该 31 个测点从墩底到墩顶均匀间隔分布，每个测点为一个单元，单元所受的爆炸荷载即为测点处爆炸荷载。在平面坐标中将 31 个测点的数据连成光滑曲线，以此方式量化得到了桥墩上的爆炸荷载。1.2材料模型和状态方程LS-DYNA9提供 Null 材料模型*MAT_NULL 结合材料状态方程*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL 对空气进行模拟。空气材料模型及状态方程的各项参数如表 1 所列。LS-DYNA 对 TNT 提供了高能炸药材料*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 用于爆炸分析，并与 JWL 状态方程联用，来描述爆炸产物压力-体积关系。对于 TNT 材料模型及状态方程的参数取值如表 2 所列。另外，采用*INITIAL_DETONATION控制起爆时间。1.3模型验证为检验此数值模拟方法的准确性，选取文献中的试验来进行验证，试验布置如图 2 所示。该试件为一个圆形截面钢管混凝土墩柱4，柱高 1 800 mm，钢管外径 273 mm，壁厚 7 mm，内填 C40 细实混凝土。炸药安置高度 0.9 m，爆心与试件水平距离 1.6 m，炸药当量 3 kg，比例距离 z=1.1 m/kg1/3。试验中边界条件可以看作墩底固定，墩顶铰接。表 3 列出了试验和模拟结果的超压峰值。通过两者比较，在迎爆面及背爆面上试验数据与模拟数据基本吻合，误差分别为 5.08%、1.56%、8%、0.22%。总体上试验与模拟误差较小，模拟结果与试验结果基本一致，可以说明其在数值模拟上的准确性。1.4模拟工况通过改变桥墩体系、节段数目、爆炸比例距离，以及爆炸作用点的高度来研究这些参数对节段拼装桥墩与整体式桥墩在爆炸荷载作用下冲击波反射超压的分布规律，计算工况如表 4 所列。对比工况 8-16，工况 30-38，分别研究爆炸比例许凯，等：爆炸冲击作用下节段拼装桥墩反射超压分布规律研究图 1有限元模型表 1空气材料各项参数表注：其中 0为空气密度，C06为线性多项式状态方程系数，E 为单位参考体积上的初始内能。表 2爆轰产物的 JWL 状态方程系数表0/（kgm-3）C03，C6C4，C5E/（Jm-3）1.300.42.5E-6炸药密度/（gcm-3）爆压/GPa爆速/（cmus-1）JWL 状态方程系数A/GPa B/GPaR1R2wTNT1.6421.00.693371.23.2314.150.950.3图 2测点布置图表 3试验数据与模拟数据对比表单位：MPa测点1-11-21-31-4试验数据1.3646.2021.3500.448模拟数据1.2986.301.2500.447误差5.08%1.56%8%0.22%2023 年第 1 期211距离对节段拼装桥墩，整体式桥墩冲击波反射超压的影响。对比工况 1-29，研究节段数目的影响。对比工况 8-10、17-22，研究爆心高度的影响。2结果分析2.1不同参数对反射超压分布的影响2.1.1比例距离比例距离是影响节段拼装桥墩受爆炸破坏的重要因素，其控制参数为爆炸距离和炸药当量。首先，通过控制炸药当量来改变比例距离。图 3 给出了工况 8-10 的模拟结果，当爆炸距离为 1 m，当量分别为 40 kg，30 kg，20 kg，比例距离分别为 0.292 m/kg1/3，0.322 m/kg1/3，0.368 m/kg1/3时，爆心高度处反射超压峰值分别为 154.1 MPa，137.57 MPa，85.6 MPa，相比当量为 20 kg 时，反射超压峰值分别增大了 80%、60.9%。由此可得，在上述比例距离范围内，随着炸药当量的增大，节段拼装桥墩相同位置处冲击波反射超压随之增大。通过改变水平距离来控制爆炸比例距离的变化，计算结果如图 4 所示。当炸药当量为 20 kg，距离分别为 1 m、1.5 m、2 m 时，比例距离分别为 0.368 m/kg1/3、0.553 m/kg1/3、0.737 m/kg1/3。此时爆心高度处反射超压峰值分别为 85.6 MPa，45.9 MPa，30.1 MPa。相比距离为 2 m 时，反射超压增大了 184.4%、52.5%。在上述比例距离范围内，随着爆炸距离的减小，节段拼装桥墩相同位置处冲击波反射超压增大。为了获得更广泛的结论，进行了更多数值模拟，根据工况 8-16 所得数据列出不同比例距离下节段拼装桥墩反射超压的峰值，如表 5 所列。从表 5 中可得，在比例距离为 0.3-1.5 m/kg1/3的范围内，随着比例距离的减小，节段拼装桥墩相同位置处冲击波反射超压增大。2.1.2爆心高度通过改变炸药离地面的距离，以研究爆心高度对节段拼装桥墩所受反射超压的影响，计算结果如表 6 所列。当爆心高度为 0.2 m 在桥墩底部发生爆炸，此时在比例距离为 0.292 m/kg1/3、0.322 m/kg1/3、0.368 m/kg1/3时，桥墩所受超压峰值分别为 137.5 MPa、127.5 MPa、81.65 MPa。当爆心高度为 0.85 m 时，桥墩所受超压峰值分别为 138.6 MPa、126.5 MPa、82 MPa。由结果可知，爆炸高度对于反射超压的影响很小，可忽略不计。爆心为 0.2 m 时桥墩超压峰值相比于在爆许凯，等：爆炸冲击作用下节段拼装桥墩反射超压分布规律研究工况爆心高度/m节段长度/m节段数目爆炸距离/m炸药当量/kg比例距离/（mkg-1/3）131.513120/30/400.368/0.322/0.292471.5131.5/2/2.5/3200.553/0.737/0.921/1.1058101.50.754120/30/400.368/0.322/0.29211161.50.7541.5/2/2.5/3/3.5/4200.553/0.737/0.921/1.105/1.289/1.47417190.20.754120/30/400.368/0.322/0.29220220.850.754120/30/400.368/0.322/0.29223251.50.65120/30/400.368/0.322/0.29226291.50.651.5/2/2.5/3200.553/0.737/0.921/1.10530321.5整体式120/30/400.368/0.322/0.29233381.5整体式1.5/2/2.5/3/3.5/4200.553/0.737/0.921/1.105/1.289/1.474表 4模拟工况一览表图 3不同炸药当量下节段拼装桥墩反射超压分布曲线图图 4不同爆炸距离下节段拼装桥墩反射超压分布图2023 年第 1 期212心高度为 1.5 m 时相差 12.1%、8%、4.6%。爆心高度为 0.2 m 及 0.85