爆炸冲击作用下连续梁桥动力响应和影响因素研究.pdf

第３４卷 第３期 ２０１７年９月 爆 破 ＢＬＡＳＴＩＮＧ Ｖｏｌ． ３４ Ｎｏ． ３  Ｓｅｐ． ２０１７ ｄｏｉ１０． ３９６３／ ｊ． ｉｓｓｎ． １００１ -４８７Ｘ． ２０１７． ０３． ０１９ 爆炸冲击作用下连续梁桥动力响应 和影响因素研究* 王向阳， 冯英骥 （ 武汉理工大学交通学院， 武汉４３００６３） 摘 要 运用数值模拟的方法建立爆炸冲击作用下的钢筋混凝土连续梁桥模型， 通过改变爆炸作用点位 置、 爆炸作用比例距离等因素， 研究连续梁桥在爆炸冲击荷载作用下的动力响应和敏感性影响因素。结果表 明 连续梁桥中跨跨中是其桥面抗爆性能最为薄弱的位置， 在抗爆设防中应着重考虑； 当装药量相同时， 桥梁 的破坏程度与比例距离成反比关系； 连续箱型桥梁内部爆炸时， 对桥梁造成的破坏最为严重， 同等条件下下 方爆炸时， 桥梁破坏程度最小。本研究为桥梁抗爆设计及损伤评估提供理论依据。 关键词 爆炸荷载；连续梁桥；动力响应；影响因素 中图分类号 Ｕ４４３． ３５ 文献标识码 Ａ 文章编号 １００１ -４８７Ｘ（２０１７）０３ -０１０４ -１０ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｎｄ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ Ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｇｉｒｄｅｒ Ｂｒｉｄｇｅ ｕｎｄｅｒ Ｂｌａｓｔ Ｌｏａｄｉｎｇ ＷＡＮＧ Ｘｉａｎｇ-ｙａｎｇ，ＦＥＮＧ Ｙｉｎｇ-ｊｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，ＷＨＵＴ，Ｗｕｈａｎ ４３００６３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｇｉｒｄｅｒ ｂｒｉｄｇｅ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ． Ｂｙ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｃａｌｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ，ｔｈｅ ｄｙｎａｍ- ｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｎｄ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｇｉｒｄｅｒ ｂｒｉｄｇｅ ｕｎｄｅｒ ｂｌａｓｔ ｌｏａｄｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ，ｆｏｒ ｔｈｅ ｂｌａｓｔ-ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ ｓｐａｎ ｉｓ ｔｈｅ ｗｅａｋｅｓｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｎ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｇｉｒｄｅｒ ｂｒｉｄｇｅ ｏｎ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅ，ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｔｏ ｂｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｉｎ ｂｌａｓｔ-ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌｌｙ． Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｉｓ ｔｈｅ ｓａｍｅ，ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｉｓ ｉｎｖｅｒｓｅｌｙ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｔｏ ｔｈｅ ｓｃａｌｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ． Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｏｃｃｕｒｓ ｉｎｓｉｄｅ ｔｈｅ ｂｏｘ ｇｉｒｄｅｒ，ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｔｏ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｉｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｓｅｒｉｏｕｓ． Ｏｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ，ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｔｏ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｉｓ ｔｈｅ ｌｅａｓｔ． Ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｂｌａｓｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｄａｍａｇｅ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｆｏｒ ｂｒｉｄｇｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｂｌａｓｔ ｌｏａｄ；ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｇｉｒｄｅｒ ｂｒｉｄｇｅ；ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ；ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒｓ 收稿日期２０１７ -０５ -１８ 作者简介王向阳（１９７０ -） ， 男， 博士、 教授， 主要从事桥梁结构及可 靠度分析研究， （Ｅ-ｍａｉｌ）ｗａｎｇｘｙ２００３＠１６３． ｃｏｍ。 基金项目国家自然科学基金（５１１７８３６１） ；湖北省自然科学基金 （２０１３ＣＦＢ３４２） 近年来由于爆炸造成的桥梁和其它结构物的毁 坏事件时有发生， 对国家和社会造成严重的人员和 财产损失， 因此各国都纷纷加大对爆炸破坏的研究， 桥梁爆炸影响分析作为抗爆研究的一个方向也引起 研究者的关注。爆炸产生的冲击荷载和普通静力荷 载不同， 它具有作用荷载的特殊性、 材料变形的高速 性、 动力响应的独特性等特性， 所以普通静力荷载的 计算方法就不能完全照搬用于计算爆炸冲击所产生 的效应。桥梁爆炸效应分析方面现有的研究主要是 针对桥梁部分构件在爆炸冲击波作用下的动力响应 进行的研究， 而对桥梁整体的动力响应方面的研究 甚少。 张开金通过将爆炸荷载简化为三角形荷载作 万方数据 用， 运用ＡＮＳＹＳ瞬态分析模块建立了连续刚构桥的 有限元模型， 研究了三角形荷载作用下连续刚构桥 整体的动力响应和受损情况［ １］； 胡菊运用数值模拟 的方法对三跨连续刚构桥在爆破震动波作用下的模 态和反应谱进行了分析， 提出了由于爆破引起震动 灾害的相关措施［ ２］； 刘山洪等介绍了爆炸冲击波的 特点和传播规律， 指出公路梁桥在爆炸荷载作用下 主要发生局部破坏［ ３］；Ｔａｎｇ等运用有限元分析方 法， 分析了爆炸冲击波作用在斜拉桥不同部位， 对其 产生的动力响应和破损情况［ ４］。 本文试图在以上研究的基础上，通过ＡＵＴＯ- ＤＹＮ软件建立桥梁爆炸冲击作用模型， 研究钢筋混 凝土连续梁桥在爆炸荷载作用下的破坏机理及影响 因素， 通过改变爆心位置、 比例距离等因素， 探寻钢 筋混凝土连续梁桥各部位的抗爆性能强弱， 以及不 同爆炸部位对桥梁整体结构的影响， 为桥梁抗爆研 究和设计等提供依据。 １ 计算方法及其有效性分析 １． １ 计算方法 ＡＵＴＯＤＹＮ拥有多种求解器， 针对不同的材料 类型和问题要选用与之对应的求解器进行求解， 经 常用到的是拉格朗日算法（Ｌａｇｒａｎｇｅ） 、欧拉算法 （Ｅｕｌｅｒ） 、 任意拉格朗日-欧拉算法（ＡＬＥ）等。ＡＬＥ 算法融合了拉格朗日算法和欧拉算法各自的优点， 使计算结果更加准确。Ｌａｇｒａｎｇｅ算法和Ｅｕｌｅｒ算法 实际上可以看成是ＡＬＥ算法的特例。ＡＬＥ算法可 以被用在与固体、 液体和气体相关的建模， 对于各种 流体结构耦合的问题特别适用。因此本文的分析中 选取ＡＬＥ算法。 １． ２ 材料参数 （１） 混凝土本构关系 混凝土材料选用ＡＵＴＯＤＹＮ材料库中的ＲＨＴ 模型， 该模型的状态方程使用的是由Ｈｅｒｒｍａｎ提出 的 Ｐ-α 状态方程， 模型考虑了应变率硬化、 应力强 化、 以及混凝土的缺损对其强度的影响等方面的内 容， 因此， 能够很好的反应混凝土在爆炸冲击效应作 用下的动力性能［ ５］。 Ｐ（ρ，Ｅ）＝ Ａ１μ ＋ Ａ２μ２＋ Ａ３μ３＋（Ｂ０＋ Ｂ１μ）ρ０ｅ （１） 式中Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ｂ０、Ｂ１为待定常量；ρ０为固体 材料的初始密度参考值；μ为体积变化参数， μ ＝ ρ ρ CJ ０ -１；ｅ为内能。参数取值情况如下表１所示。 表１ 混凝土ＲＨＴ模型材料参数 Ｔａｂｌｅ １ ＲＨＴ ｍｏｄｅｌ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ 密度ρ （ｇｃｍ -３）弹性模量 ／ ＧＰａ 抗压强度 ｆｔ／ ＭＰａ 抗拉强度 ｆｃ／ ＭＰａ 参数Ｑ 参数Ａ１／ ＧＰａ 参数Ａ２／ ＧＰａ 参数Ａ３／ ＧＰａ 参数 Ｂ０ 参数 Ｂ１ ２． ７５３４． ５５０５０． ６８３５． ３３９． ６９． ０１． ２２１． ２２ （２） 钢筋本构关系 钢筋的本构模型选用Ｊｏｈｎｓｏｎ等人给出的综合 考虑了应变率及温度效应的Ｊｏｈｎｓｏｎ-Ｃｏｏｋ本构模 型［ ６］。在塑性阶段，Ｊ-Ｃ模型的本构关系用如下表 达式表示 σ ＝［Ａ ＋ Ｂ（εｐ） ｎ］ （ １ ＋ Ｃ ｌｎεｐ／ε１） （１ - Ｔ*ｍ）（２） 式中εｐ、εｐ、ε１为塑性应变、 塑性应变率、 参考 应变率；Ｔ*、Ｔ、Ｔｒ、Ｔｍ为温度修正系数、 环境温度、 室 温、 熔点温度，Ｔ*＝（Ｔ - Ｔｒ） （Ｔｍ- Ｔｒ） 。其余材料参 数取值如表２所示。 表２ 钢筋Ｊ-Ｃ模型材料参数 Ｔａｂｌｅ ２ Ｊ-Ｃ ｍｏｄｅｌ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ 屈服应力 Ａ／ ＭＰａ 应变率敏感 系数Ｃ 温度软化 指数ｍ 应变硬化 常数Ｂ／ ＭＰａ 应变硬化 指数ｎ 失效应变 ７９２０． ０１４１． ０３５１００． ２６０． １ （３） 炸药和空气 ＴＮＴ炸药选用ＪＷＬ状态方程， 它能很好的表示 爆炸过程中产生的压力与空气内能之间的关系， 其 方程如下 Ｐ ＝Ａ １ - ω Ｒ１ CJ Ｖ ｅ-Ｒ１Ｖ＋ Ｂ １ - ω Ｒ２ CJ Ｖ ｅ-Ｒ２Ｖ＋ ωＥ ０ Ｖ （３） 式中Ｐ是炸药爆炸产生的压力；Ｖ是当压力为 Ｐ时爆轰产物的体积和初始状态炸药的体积之比；Ｅ ５０１第３４卷 第３期 王向阳， 冯英骥 爆炸冲击作用下连续梁桥动力响应和影响因素研究 万方数据 是单位体积爆轰产物的内能；Ａ、Ｂ、Ｒ１、Ｒ２和ω是上述状态方程的材料参数， 取值情况见下表３所示。 表３ ＴＮＴ炸药ＪＷＬ状态方程的材料参数 Ｔａｂｌｅ ３ Ｍａｔｅｒｉａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ＪＷＬ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔａｔｅ 参数Ｒ１参数Ｒ２ 参数Ａ／ ＭＰａ 参数Ｂ／ ＭＰａ 参数ω 密度 ρ／ （ｇｃｍ -３） 相对 体积Ｖ 初始比内能 Ｅ／（Ｊｋｇ -１） ４． １５０． ９０３． ７３８ １０５３． ７４７ １０３０． ３５１． ６３１． ００７． ０ １０６ 空气当作理想气体来看待， 它的状态方程的表 达式如下所示 Ｐ ＝（γ - １） ρｅ （４） 式中ρ是空气的当前密度；ｅ是气体单位质量 的内能；γ是比热比， 具体取值见表４。 表４ 空气材料参数 Ｔａｂｌｅ ４ Ｍａｔｅｒｉａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ａｉｒ 空气密度 ρ／ （ｇｃｍ -３） 初始比内能 ｅ／（Ｊｋｇ -１） 比热比γ １． ２２５２． ０６８ １０８１． ４ １． ３ 有限元建模正确性分析 国防科技大学汪维等人曾进行钢筋混凝土梁的 现场爆炸试验［ ７，８］， 得到一些实验数据。为验证有 限元建模的正确性， 把有限元模型所得计算结果， 和 文献［７，８］实验结果对比。试验梁的截面为边长 １００ ｍｍ的正方形， 长为１１００ ｍｍ， 纵向钢筋和箍筋 均选用 φ ６ 钢筋， 箍筋间距为６０ ｍｍ。梁两端采用 固定约束，ＴＮＴ炸药布置在试验梁的几何中心正上 方４００ ｍｍ处， 装药量为０． ８４ ｋｇ。运用ＡＵＴＯＤＹＮ 软件按照实际试验条件， 建立钢筋混凝土梁的数值 分析模型如图１所示。 图１ 钢筋混凝土梁有限元模型 Ｆｉｇ． １ Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂｅａｍ 将ＡＵＴＯＤＹＮ有限元数值模拟得到的梁的破坏 形式与文献［７］ 得到的结果进行比较， 如图２所示。 ＡＵＴＯＤＹＮ中用ＤＡＭＡＧＥ指标来评价材料的损伤 状况， 颜色越接近红色说明损伤越严重， 红色区域表 示已经完全损坏。 从图中可以看出数值模拟得到的结果与试验结 果基本一致。试验测得的梁中心的最大竖向位移为 ３８ ｍｍ， 软件模拟的结果为４０ ｍｍ， 误差为５． ３％， 模 型计算结果和试验结果基本吻合。对比分析表明运 用ＡＵＴＯＤＹＮ进行梁结构爆炸冲击作用仿真分析是 正确和可行的。 ２ 连续梁桥有限元模型 考虑跨径（４３． ５ ＋ ７５ ＋ ４３． ５）ｍ钢筋混凝土变 截面连续箱梁桥。箱体顶板宽１０． ７４ ｍ， 厚０． ２８ ｍ， 直线段设２％的横坡； 底板宽５． ５ ｍ， 厚度由０． ３ ｍ 按１． ８次抛物线变化成０． ６ ｍ， 横桥向底板保持水 平； 箱梁根部梁高４． ７ ｍ， 跨中梁高１． ８ ｍ， 箱梁梁高 从１． ８ ｍ按１． ８次抛物线变化； 腹板厚度由０． ５ ｍ， ０． ７ ｍ组成， 变化段按直线变化； 翼缘板悬臂长为 ２． ６２ ｍ， 端部厚０． １８ ｍ， 根部厚０． ７ ｍ。桥墩墩顶设 置一道厚２． ５ ｍ的横隔板， 边跨端部设厚１． ４８ ｍ的 横梁。桥梁下部结构采用钢筋混凝土实体墩， 低桩 承台， 群桩基础。主墩墩身尺寸为６． ７ ｍ ３． ５ ｍ， 桩基采用２排２列桩基， 桩基直径２ ｍ， 顺横桥向桩 距均为４． ９ ｍ， 承台尺寸为８． ５ ｍ ８． ５ ｍ， 厚３ ｍ。 主梁和主墩均选用Ｃ５０混凝土浇筑。运用ＡＵＴＯ- ＤＹＮ软件建立钢筋混凝土连续梁桥的三维实体模 ６０１爆 破 ２０１７年９月 万方数据 型， 模型如图３所示。 图２ 钢筋混凝土梁数值模拟和现场试验的破坏形式对比图 Ｆｉｇ． ２ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔ ｏｆ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂｅａｍ 图３ 连续梁桥有限元模型 Ｆｉｇ． ３ Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｇｉｒｄｅｒ ｂｒｉｄｇｅ ３ 爆炸冲击动力响应的影响因素分析 ３． １ 爆炸作用点影响分析 爆炸作用点发生在桥梁不同位置必然会对桥梁 产生不同程度的影响。选取桥梁中跨跨中处、 墩梁 结合处、 边跨支座处三个特征截面进行分析研究。 为充分体现计算分析的可比性， 我们选用相同的炸 药量、 网格尺寸， 炸药均设置在各截面箱梁中心正上 方， 炸药填充形状为立方体， 起爆点都设置在炸药中 心。工况分类见表５。 表５ 计算工况分类 Ｔａｂｌｅ ５ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ 工况 作用点位置 装药距离 Ｒ／ ｍ 装药量 Ｗ／ ｋｇ 比例距离Ｚ／ （ｍｋｇ１／３） 一 中跨跨中处１． ０５０００． １３ 二 墩梁结合处１． ０５０００． １３ 三 边跨支座处１． ０５０００． １３ 建立工况一的有限元模型如图４所示， 工况二 和工况三的模型与工况一类似， 只是工况二的炸药 位于墩梁结合处箱梁正上方１ ｍ处， 工况三的炸药 位于边跨支座处箱梁正上方１ ｍ处。 图４ 工况一有限元数值模型 Ｆｉｇ． ４ Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ １ 在钢筋混凝土连续梁桥中跨跨中截面的空气域 中和箱梁上设置高斯测点， 如图５， 在炸药和桥面之 间沿垂直方向设置五个测点， 箱梁的顶板上表面和 底板下表面设置１６个测点， 共计２１个测点。通过 这些测点可以记录爆炸冲击波的传播过程， 以及桥 梁在爆炸荷载作用下的动力响应和破坏形式。 ７０１第３４卷 第３期 王向阳， 冯英骥 爆炸冲击作用下连续梁桥动力响应和影响因素研究 万方数据 图５ 连续梁桥中跨跨中截面高斯测点布置图 Ｆｉｇ． ５ Ｇａｕｓｓ ｐｏｉｎｔｓ ｌａｙｏｕｔ ｏｎ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｇｉｒｄｅｒ ｂｒｉｄｇｅ 由图６可得， 工况一至工况三情况下， 测点１的 超压时程曲线的变化趋势基本是一致的， 但超压峰 值有所不同，峰值分别为１４５． ８ ＭＰａ、７４． ９ ＭＰａ、 １０２． ８ ＭＰａ。由此可见， 在炸药量和比例距离相同的 情况下， 炸药位于桥梁纵向不同位置时， 产生的超压 峰值不同。炸药位于三个不同位置的超压峰值之间 的关系是 位于中跨跨中处的超压峰值最大， 位于墩 梁结合处的超压峰值最小， 位于边跨支座处的超压 峰值在以上两者之间。 图６ 各工况测点１超压时程曲线 Ｆｉｇ． ６ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ-ｔｉｍｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｐｏｉｎｔ ＃１ 图７表示各工况下测点１１的竖向位移时程曲 线图。从中可以看出， 当比例距离和炸药量都相同 时， 炸药安放位置对桥梁产生破坏的程度有很大的 影响。从数值上看， 工况一和工况三的位移值均较 大且相差不大， 都超过-１０００ ｍｍ， 工况二的位移值 比较小。测点１１的位移随着冲击波到达迅速增大； 冲击波离开后， 位移增大速度减缓； 最后位移趋于稳 定， 爆炸对桥梁的损伤过程基本完成。 图７ 各工况测点１１位移时程曲线 Ｆｉｇ． ７ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ-ｔｉｍｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｐｏｉｎｔ ＃１１ 图８到图１０展示了三种工况下， 钢筋混凝土连 续梁桥在爆炸荷载作用下二分之一结构损伤情况。 工况一情况下， 桥梁顶板和腹板受到较大程度的破 坏， 顶板破坏区域从中跨跨中截面沿腹板向两边蔓延 至距爆心水平距离２２ ｍ左右的地方； 工况二情况下， 因为此处的箱梁的板厚最大， 并且箱梁下方有桥墩支 撑， 所以此处的刚度最大， 此时仅在桥梁顶板上产生 很小范围的破坏； 工况三炸药放置在边跨支座处时， 桥梁的顶板和腹板受到一定程度的破坏， 破坏区域发 生在距爆心水平距离小于１０ ｍ的范围内。炸药布置 在中跨跨中时， 对桥梁造成的破坏最为严重。因此， 钢筋混凝土连续梁桥中跨跨中处的抗爆性能最差。 图８ 工况一桥梁损伤图 Ｆｉｇ． ８ Ｂｒｉｄｇｅ ｄａｍａｇｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ １ ８０１爆 破 ２０１７年９月 万方数据 图９ 工况二桥梁损伤图 Ｆｉｇ． ９ Ｂｒｉｄｇｅ ｄａｍａｇｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ２ 图１０ 工况三桥梁顶面损伤图 Ｆｉｇ． １０ Ｂｒｉｄｇｅ ｄａｍａｇｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ３ ３． ２ 不同比例距离桥梁抗爆性能分析 比例距离不同也会对桥梁爆炸后的动力响应产 生一定的影响。由于中跨跨中是钢筋混凝土连续梁 桥抗爆性能最薄弱的部位， 所以， 选择中跨跨中位置 作为研究不同比例距离对桥梁抗爆性能影响的研究 对象， 高斯测点的设置同前。工况设置见表６。 表６ 计算工况分类 Ｔａｂｌｅ ６ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ 工况 装药距离 Ｒ／ ｍ 装药量 Ｗ／ ｋｇ 比例距离Ｚ／ （ｍｋｇ -１／３） 一１． ０５０００． １３ 二２． ０５０００． ２５ 三３． ０５０００． ３８ 从图１１中可知， 三个工况下测点１的超压时程 曲线的变化趋势基本相同， 但超压峰值的大小及到 达时间有所不同，工况一首先到达超压峰值 １４５． ８ ＭＰａ， 随后工况二到达超压峰值２６． ６ ＭＰａ， 工 况三最后达到超压峰值１１． ７ ＭＰａ。因此， 当炸药量 相同时， 超压峰值随比例距离的增大而减小， 超压峰 值到达时间也随之增大。 由图１２可知， 当装药量相同时， 测点１１的竖向 位移时程曲线变化趋势类似， 从数值上看， 工况一的 竖向位移最大为- １１２６ ｍｍ，其次是工况二为 -６５０ ｍｍ， 工况三最小为-４１８ ｍｍ。可以得到， 当装 药量相同时， 测点１１的竖向位移随比例距离的增大 而减小。 图１１ 各工况测点１超压时程曲线 Ｆｉｇ． １１ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ-ｔｉｍｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｐｏｉｎｔ ＃１ 由图１３到图１５可以看出， 在装药量相同时， 不 同比例距离的爆炸对桥梁破坏形式产生的影响很 大。工况一情况下， 桥梁顶板和腹板受到较大程度 的破坏， 顶板破坏区域从中跨跨中截面沿腹板向两 边蔓延至距爆心水平距离２２ ｍ左右的地方； 工况二 情况下， 桥梁的顶板和腹板受到一定程度的破坏， 破 坏区域发生在距爆心水平距离小于１０ ｍ的范围内； ９０１第３４卷 第３期 王向阳， 冯英骥 爆炸冲击作用下连续梁桥动力响应和影响因素研究 万方数据 工况三情况下， 桥梁的破坏主要是桥梁顶板发生局 部弯曲破坏， 跨中腹板上端受到拉应力发生小部分 破坏， 破坏区域主要发生在距爆心水平距离８ ｍ的 范围内。由此可见， 装药量相同时， 桥梁的破坏程度 与比例距离成反比关系。 ３． ３ 同一截面不同位置桥梁抗爆性能分析 爆炸可能发生在箱梁的不同位置， 本节选择中 跨跨中位置来研究同一截面不同位置爆炸对桥梁抗 爆性能的影响， 工况分类见表７。 工况一高斯测点设置如图５， 工况二和工况三 的高斯测点设置如图１６、 图１７所示。 图１２ 各工况测点１１位移时程曲线 Ｆｉｇ． １２ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ-ｔｉｍｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｐｏｉｎｔ ＃１１ 图１３ 工况一桥梁损伤图 Ｆｉｇ． １３ Ｂｒｉｄｇｅ ｄａｍａｇｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ １ 图１４ 工况二桥梁损伤图 Ｆｉｇ． １４ Ｂｒｉｄｇｅ ｄａｍａｇｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ２ 图１５ 工况三桥梁损伤图 Ｆｉｇ． １５ Ｂｒｉｄｇｅ ｄａｍａｇｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ３ ０１１爆 破 ２０１７年９月 万方数据 表７ 计算工况分类 Ｔａｂｌｅ ７ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ 工况与箱梁位置关系装药量Ｗ／ ｋｇ 一上方５００ 二内部５００ 三下方５００ 图１６ 工况二高斯测点布置图 Ｆｉｇ． １６ Ｇａｕｓｓ ｐｏｉｎｔｓ ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ２ 图１７ 工况三高斯测点布置图 Ｆｉｇ． １７ Ｇａｕｓｓ ｐｏｉｎｔｓ ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ３ 三个工况下箱梁上距爆心距离最近的测点的超 压时程曲线如图１８所示。由图可见， 工况二的超压 峰值明显大于工况一和工况三， 工况一和工况三的 超压峰值基本相同。由此可见， 其他条件均相同的 情况下， 内部爆炸由于箱梁内壁对冲击波的不断反 射作用， 使冲击波得到很大的加强， 而上方爆炸和下 方爆炸产生的超压峰值相差无几。 由上图１９可知，工况一和工况三的位移在 ４０ ｍｓ以后都已经趋于稳定， 但工况二的位移并未稳 定， 测点位移仍有继续增大的趋势。由此可见， 工况 一和工况三的箱梁并未被完全击穿， 工况二的梁体 已经被完全击穿。 由图２０ ～图２２可知， 工况一炸药位于箱梁上 方时， 桥梁的破坏主要发生在顶板和腹板， 顶板破坏 区域从中跨跨中截面沿腹板向两边蔓延至距爆心水 平距离２２ ｍ左右的地方； 工况二炸药位于箱梁内部 时， 桥梁的顶板、 腹板和底板均发生较大程度的破 坏， 顶板破坏区域从中跨跨中一直延伸到距爆心水 平距离２１ ｍ左右的地方， 在距离爆心水平距离５ ｍ 范围内的箱梁已被完全炸毁， 形成巨大空洞； 工况三 炸药位于箱梁下方时， 桥梁的破坏主要发生在底板 和腹板， 底板破坏区域主要发生在距爆心水平距离 ７ ｍ的范围内。所以， 箱梁内部爆炸时， 爆炸冲击波 经过箱梁内壁的多次反射， 不断叠加， 使冲击波的威 力得到很大的提升， 爆心附近区域的箱梁顶板、 腹板 和底板都被冲击波所击穿， 对桥梁造成的破坏最为 严重。 图１８ 各工况测点超压时程曲线 Ｆｉｇ． １８ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ-ｔｉｍｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｐｏｉｎｔｓ 图１９ 各工况测点位移时程曲线 Ｆｉｇ． １９ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ-ｔｉｍｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｐｏｉｎｔｓ ４ 结论 （１） 爆炸作用点作用在桥面上方时， 在比例距离 与炸药量等参数不变的情况下， 通过改变炸药位置 （ 包括中跨跨中、 墩梁结合、 边跨支座处） ， 结果表明中 跨跨中受爆炸损伤最为严重， 此处横截面面积最小， 是桥梁抗爆薄弱点， 在抗爆设防中应着重考虑。 １１１第３４卷 第３期 王向阳， 冯英骥 爆炸冲击作用下连续梁桥动力响应和影响因素研究 万方数据 图２０ 工况一桥梁损伤图 Ｆｉｇ． ２０ Ｂｒｉｄｇｅ ｄａｍａｇｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ １ 图２１ 工况二桥梁损伤图 Ｆｉｇ． ２１ Ｂｒｉｄｇｅ ｄａｍａｇｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ２ （２） 桥面上方爆炸的情况下， 当装药量一致时， 桥梁的破坏程度与比例距离成反比关系， 即比例距 离越小， 桥梁产生的破坏越严重。 （３） 当装药量相同时， 通过对比爆炸点位于箱 梁上方、 内部、 下方的情况， 表明箱梁内部爆炸造成 的桥梁破坏最为严重， 爆心附近的箱梁被完全击穿， ２１１爆 破 ２０１７年９月 万方数据 形成巨大空洞； 上方爆炸主要造成桥梁的顶板和腹 板出现一定程度的破坏； 下方爆炸造成的桥梁的破 坏程度最小， 造成桥梁底板和小部分腹板出现破坏。 图２２ 工况三桥梁损伤图 Ｆｉｇ． ２２ Ｂｒｉｄｇｅ ｄａｍａｇｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ３ 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ） ［１］ 张开金．爆炸荷载作用下混凝土桥梁的损伤特性研究 ［Ｄ］．西安 长安大学，２００９． ［１］ ＺＨＡＮＧ Ｋ Ｊ． Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｄａｍａｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂｒｉｄｇｅｓ ｕｎｄｅｒ ｂｌａｓｔ ｌｏａｄｉｎｇ［Ｄ］． Ｘｉ′ａｎＣｈａｎｇ′ａｎ Ｕｎｉｖｅｒ- ｓｉｔｙ，２００９．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［２］ 胡 菊．爆破地震波作用下连续刚构桥的动力响应研 究［Ｄ］．西安 长安大学，２００７． ［２］ ＨＵ Ｊ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｒｉｇｉｄ ｆｒａｍｅ ｂｒｉｄｇｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｓｅｉｓｍｉｃ ｗａｖｅ ［Ｄ］． Ｘｉ′ａｎＣｈａｎｇ′ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００７．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［３］ 刘山洪， 魏建东， 钱永久．桥梁结构爆炸分析特点综述 ［Ｊ］．重庆交通大学学报 自然科学版，２００５，２４（３） １６-１９． ［３］ ＬＩＵ ＳＨ Ｈ，ＷＥＩ Ｊ Ｄ，ＱＩＡＮ Ｙ Ｊ． Ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃ- 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