爆炸作用下预应力混凝土节段箱梁动力响应.pdf

第 卷 第 期 年 月南京理工大学学报 .收稿日期:修回日期:基金项目:江苏省自然科学基金()中国博士后科学基金()江苏省博士后科研资助计划()中央高校基本科研业务费专项资金()通讯作者:周广盼男博士主要研究方向:结构健康监测与防护:.引文格式:林志成周广盼王明洋等.爆炸作用下预应力混凝土节段箱梁动力响应.南京理工大学学报():.投稿网址:/.爆炸作用下预应力混凝土节段箱梁动力响应林志成周广盼王明洋范 进周 瑭张于晔(南京理工大学.理学院.机械工程学院江苏 南京.陆军工程大学 国防工程学院江苏 南京.山东嘉勘工程勘察有限公司山东 嘉祥)摘 要:为了研究爆炸冲击作用下预应力混凝土多室箱梁的破坏机理和抗爆性能针对不同炸药当量和爆炸位置下节段箱梁的动力响应进行了有限元计算分析 利用/软件建立混凝土和钢筋三维分离式实体模型采用()方法模拟爆炸荷载并结合文献试验数据对数值模拟方法的可靠性进行验证 得到了不同装药量、爆炸位置工况下预应力混凝土箱梁的动力响应和破坏特征 结果表明、药量爆炸作用下爆心正下方的钢筋发生屈服、顶板混凝土形成圆形破口 药量爆炸作用下由于箱梁两端为固支腹板、横隔梁及底板混凝土产生了轻微的剥落 相同爆炸位置工况下随着装药量的增大混凝土圆形破口面积增大 相同药量工况下主梁中心线处由于无腹板支撑其混凝土破口面积大于箱室处 研究结果可为预应力混凝土多室箱梁的抗爆防护加固提供重要参考关键词:爆炸荷载混凝土箱梁预应力数值模拟桥梁工程中图分类号:文章编号:():./.(.)总第 期林志成 周广盼 王明洋 范 进 周 瑭 张于晔 爆炸作用下预应力混凝土节段箱梁动力响应:./.().:桥梁作为交通运输的咽喉要道在国家基础建设、社会与经济发展中起着至关重要的作用箱梁是桥梁主梁常见的形式之一在其生命周期内易遭遇恐怖袭击、易爆品运输车辆爆炸等情况将造成巨大的人员伤亡和经济损失 桥梁结构及其构件的抗爆防护问题已成为桥梁工程领域的研究热点之一针对爆炸冲击荷载亨利奇基于大量爆炸试验数据总结出无限空气域爆炸作用产生超压峰值的计算公式 提出了爆炸入射超压峰值与反射超压峰值的关系式 等分析了大量的二维、三维爆炸荷载模型得出了爆炸入射角大于零时构件表面超压峰值的计算公式 娄凡在对爆炸作用下钢筋混凝土 梁桥毁伤效应研究过程中通过试验测得桥面超压峰值与 公式计算的超压峰值基本吻合验证了这一公式对构件表面超压的预测精度 针对钢筋混凝土()构件爆炸响应问题邱敏杰利用/有限元软件对爆炸作用下预应力混凝土简支箱梁的动力响应及破坏机理进行了数值模拟研究得到了箱梁在不同的装药量、爆炸位置工况下的破坏模式 等利用 软件研究了近距爆炸作用下碳纤维增强箱梁桥面的局部响应和整体响应并提出了预测局部破坏程度的方法张涛等建立了混凝土箱梁和钢箱梁的数值计算模型分析了不同等级爆炸下主梁的破坏模式并指出主梁类型及爆炸当量对主梁损伤范围的影响较大爆炸发生水平位置对主梁损伤范围的影响较小 娄凡针对两跨预应力混凝土连续 梁进行了爆炸试验并结合数值模拟得出了不同爆炸位置工况下连续 梁的动力响应及损伤机理 王雅利用 软件研究了自锚式悬索桥组合梁和混凝土箱梁的爆炸响应 任飞建立了预制拼装混凝土箱梁数值计算模型得出了不同参数对箱梁动力响应和损伤的影响 陈强等利用 软件研究了大速度和大质量下支撑梁的动力响应 纪玉国等开展了试验研究了冲击波传播规律 综上所述目前针对爆炸作用下预应力混凝土梁的研究主要集中于 梁、单箱单室箱梁及单箱多室箱梁针对多箱多室箱梁爆炸响应的研究较少本文针对自锚式悬索桥的预应力混凝土双边箱梁节段利用/软件建立混凝土和 钢 筋 三 维 模 型 采 用 ()方法模拟爆炸荷载并结合文献提供的试验数据验证数值模拟方法的准确性在此基础上分析了不同炸药位置和当量工况下南京理工大学学报第 卷第 期箱梁的动力响应和破坏特征 有限元模型本文以聊城湖南路徒骇河大桥为背景此桥为双塔双索面自锚式悬索桥采用预应力混凝土双边箱梁混凝土强度等级为 半幅主梁截面如图 所示 利用 软件建立了节段主梁的三维模型节段主梁的宽度为 山东湖南路大桥吊杆间距为 故取箱梁节段长度为 道路中心线处高度为.利用 软件进行六面体网格划分有限元模型如图 所示 其中混凝土采用 单元钢筋采用 单元 钢筋和混凝土采用分离式建模并设置为共节点 混凝土单元数为 钢筋单元数为 图 半幅主梁截面形式(单位:)图 节段主梁有限元模型 采用 软件进行材料模型定义和数值 分 析 其 中 采 用 材料模型(模型)模拟混凝土其材料参数如表 所示 混凝土本构模型如图 所示混凝土的破坏过程经历 个阶段包括弹性阶段、塑性强化阶段和软化阶段图()中的点、分别对应图()中的屈服强度、极限强度、残余强度 这一模型通过定义混凝土密度、初始轴心抗压强度、单位转换因子等 项参数可以有效地模拟混凝土在高应变率、大变形下的力学形态并将 设置为 以考虑应变率效应 采用关键字 定义混凝土单元的失效当混凝土单元达到最大主应力时单元失效并被删除表 混凝土材料参数/()/.图 混凝土材料的本构模型总第 期林志成 周广盼 王明洋 范 进 周 瑭 张于晔 爆炸作用下预应力混凝土节段箱梁动力响应 采用 塑性随动模型模拟普通钢筋和预应力筋此模型可以考虑钢筋的应变率效应和失效 钢筋的本构模型如图 所示其材料参数如表 所示图 钢筋材料的本构模型表 钢筋材料参数/()/.采用降温法对钢筋施加预应力荷载预应力损失为 具体为采用关键字 定义预应力筋的温度变化曲线采用关键字 定义预应力筋材料热膨胀系数 最后通过 定义预应力荷载 此外节段箱梁两端设置为固支并采用线性加载的方式施加了重力加速度 数值模拟方法验证.爆炸荷载计算验证为了验证数值模拟方法和有限元模型的可靠性取 当量为.爆心至正下方箱梁顶面的距离为 将箱梁顶面单元超压的有限元计算结果与 公式进行了对比取值点位置如图 所示超压对比结果如表 所示 结果表明超压峰值有限元计算结果与理论公式计算结果基本吻合误差比在以内图 测点布置图(单位:)表 桥面超压峰值对比编号至爆心距离/比例距离/(/)超压峰值有限元计算结果/超压峰值公式计算结果/误差比/.构件爆炸响应模拟方法验证为了验证 构件爆炸响应数值计算方法的可靠性选取孙文彬对 板进行的爆炸试验研究作为参考对象试验结果表明:试件顶板跨中形成宽度约为 的压碎区底板中心混凝土产生剥落并出现了两条 左右的主裂缝板呈现整体跨中弯曲破坏弯起角度约为 跨中最大挠度为 本文建立了与试验工况相同的有限元模型将 板破坏形态、挠度计算结果与试验数据进行对比如图 和图 所示 板顶面开裂形态、底面深坑数据等有限元计算结果与试验结果基本一致板跨中最大挠度的有限元计算结果为 与试验结果的误差比为 反映了本文数值模拟方法和有限元模型的可靠性 此外图()中所示的 板顶面有效塑性应变云图中圆的 个角部显示此处出现较大的有效塑性应变但未出现裂缝南京理工大学学报第 卷第 期图 板破坏形态试验结果图 板破坏形态有限元计算结果 计算结果与讨论.计算工况为了研究爆炸位置、爆炸距离和装药量对预应力混凝土箱梁破坏模式的影响本文一共设计了 个工况如表 所示 爆心至箱梁顶面的距离为 爆炸位置分别为道路中心线、号及 号车道的中心线处 装药量分别为 、和 通过大量试算和分析综合考虑计算结果精度和计算成本本文取时间输出步长为.表 计算工况及比较工况爆炸位置 当量/主梁中心线 号车道中心线 号车道中心线.药量影响分析针对爆炸位置位于道路中心线处的工况、根据 参考手册和孔新立等对车辆的划分本文选取汽车炸弹的 当量范围为 分析了 、及 药量下箱梁的破坏形态如图 所示图 爆炸位置位于道路中心线时箱梁顶、底面破坏形态 当爆炸冲击波到达箱梁表面时爆炸产生的压缩应力波使箱梁的顶面产生损伤爆心正下方混凝土呈现圆形破口并传至背爆面形成较强的拉伸波造成底面混凝土的破损 随着装药量的增加预应力混凝土箱梁正面和背面的破口面积越来越大破口形状近似圆形 爆心正下方顶板钢筋竖向位移和混凝土破口直径对比如图 所示 、当量 作用下顶板混凝土圆形总第 期林志成 周广盼 王明洋 范 进 周 瑭 张于晔 爆炸作用下预应力混凝土节段箱梁动力响应 破口的直径分别为 、由于节段箱梁两端设置为固支横隔板、腹板和底板混凝土仅在 当量 作用下产生了轻微的剥落 箱梁的破坏模式主要表现为跨中弯曲变形和局部破坏 此外由节段箱梁的有效塑性应变云图可以发现球形爆炸冲击波引起的有效塑性应变范围的轮廓在箱梁边缘处为直线而在箱梁宽度方向的有效塑形应变范围明显较大这是由于节段箱梁的长度和横隔梁的约束作用所引起的 对于爆炸冲击波引起的相邻箱梁节段的有效塑性应变需要针对整桥模型进行计算 但本文选取了含横隔梁的 节段箱梁作为研究对象其研究结果是具有代表性的.爆炸位置影响分析、爆炸位置分别位于 号、号车道中心线处时箱梁破坏形态如图 和图 所示图 工况、作用下顶板钢筋竖向位移和混凝土破口直径图 爆炸位置位于 号车道中心线时箱梁顶、底面破坏形态图 爆炸位置位于 号车道中心线时箱梁顶、底面破坏形态南京理工大学学报第 卷第 期 经过对比可知爆炸位置位于 号车道时箱梁顶板混凝土破口最小且底板混凝土未破碎爆炸位置位于道路中心线处时箱梁顶板混凝土破口最大 其原因为 号车道位于箱室处腹板对箱梁顶板有一定的约束加强作用 而道路中心线、号车道中心线位于箱梁悬挑段距离腹板较远腹板约束作用减弱在抗爆设计时应重点关注此位置 爆心正下方顶板钢筋竖向位移和混凝土破口直径如图 和图 所示 爆炸位置位于 号车道时顶板钢筋竖向位移和混凝土破口直径小于 号车道图 工况、作用下钢筋竖向位移和混凝土破口直径图 工况、作用下钢筋竖向位移和混凝土破口直径 结论本文针对爆炸冲击作用下预应力混凝土双边箱梁的动力响应进行了数值模拟分析并结合超压经验公式和 板爆炸试验文献验证了本文数值模拟方法和有限元模型的可靠性 考虑横隔梁、预应力及重力影响分析了不同的爆炸位置和装药量工况下箱梁的破坏特征 主要结论如下:()当爆炸冲击波到达箱梁表面时压缩应力波使箱梁的顶面产生损伤爆心正下方混凝土呈现圆形破口并传播至底面形成较强的拉伸波造成背爆面混凝土的破损 随着装药量的增加预应力混凝土箱梁正面和背面的破口面积越来越大破口形状近似圆形()当 、当量的 作用时圆形破口直径分别为 、由 于 节 段 箱 梁 两 端 为 固 支 仅 在 当量作用时横隔板、腹板和底板混凝土产生了轻微的剥落 箱梁的破坏模式主要表现为中部弯曲变形和局部破坏()箱室腹板对顶板有一定的约束加强作用爆炸位置位于箱室正上方时箱梁顶板混凝土破口最小且底板混凝土未破碎箱梁悬挑段距离腹板较远腹板约束作用减弱爆炸位置位于道路中心线处时箱梁顶板混凝土破口最大在抗爆设计时应重点关注参考文献:朱新明蒋志刚白志海.交通恐怖袭击特点及反恐措施研究.国防交通工程与技术():.():.亨利奇.爆炸动力学及其应用.熊建国译.北京:科学出版社.:.:.娄凡.预应力混凝土连续 梁的抗爆性能试验研究.南京:东南大学.邱敏杰.爆炸荷载作用下预应力混凝土桥梁结构的动态响应及破坏机理研究.西安:西安理工大学.():.张涛马如进陈艾荣.爆炸荷载作用下斜拉桥的结构特性.重庆交通大学学报(自然科学版)():.总第 期林志成 周广盼 王明洋 范 进 周 瑭 张于晔 爆炸作用下预应力混凝土节段箱梁动力响应.()():.王雅.自锚式悬索桥静动力及爆炸冲击波下的响应研究.西安:长安大学.任飞.预制拼装混凝土箱型主梁抗爆性能的研究.南京:南京理工大学.陈强杨国来王晓锋等.变速移动载荷作用下梁的动态响应数值模拟.南京理工大学学报():.():.纪玉国张国凯李干等.坑道口部温压炸药爆炸热效应与冲击波传播规律实验研究.南京理工大学学报():.():.():.孙文彬.钢筋混凝土板的爆炸荷载试验研究.辽宁工程技术大学学报(自然科学版)():.().()():.().:.孔新立金丰年蒋美蓉.恐怖爆炸袭击方式及规模分析.爆破():.():.