爆炸作用下曲线梁桥的倒塌模式.pdf

第3 2 卷第4 期 爆破 V o l - 3 2N o ．4 2 0 1 5 年1 2 月B L A S T I N G D e c ．2 0 1 5 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 5 ．0 4 ．0 2 1 爆炸作用下曲线梁桥的倒塌模式术 亓兴军，刘青 山东建筑大学交通工程学院，济南2 5 0 1 0 1 摘要桥梁是交通工程中的重要枢纽结构和社会开放性公共设施，在运营过程中存在意外爆炸和恐怖袭 击导致结构损坏甚至倒塌的风险，研究桥梁结构在遭受爆炸冲击后的倒塌模式显得尤为重要。利用流固耦 合方法和三阶段方法数值模拟曲线梁桥在桥墩受到爆炸后的破坏效应和倒塌过程。结果表明2 0 0k gT N T 炸药在曲线梁桥中间单柱墩底起爆后，墩柱被迅速逐层破坏，在重力作用下桥梁逐步倒塌，单柱墩是桥梁抗 爆防爆设计的关键构件，应加强对墩柱的防护。连续刚构曲线梁桥的倒塌模式会表现出墩柱破坏、梁体下 垂、支座处梁底破坏、梁端坠落和梁体在悬臂根部折断等破坏形态。桥台支座是曲线梁桥的重要支撑连接构 件。支座或其附近区域破坏是主梁落梁的重要原因，建议在立交桥的抗爆设计中采取强连接约束措施以延缓 或防止桥梁倒塌。 关键词曲线梁桥；爆炸作用；三阶段法；倒塌模式；关键构件 中图分类号U 4 4 7文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 5 0 4 一叭1 0 0 8 C o l l a p s eP a t t e r no fC u r v e dG i r d e rB r i d g eu n d e rB l a s tA c t i o n Q IX i n g - j u n ，L I UQ i 昭 S c h o o lo fT r a n s p o r t a t i o nE n g i n e e r i n g ，S h a n d o n gJ i a n z h uU n i v e r s i t y ，J i n a n2 5 0 1 0 1 ，C h i n a A b s t r a c t B r i d g e sa l ei m p o r t a n th u bs t r u c t u r e so ft r a n s p o r t a t i o nl i f e l i n ee n g i n e e r i n ga n dp u b l i cf a c i l i t i e s ．G r e a t r i s k so fs t r u c t u r a ld a m a g eo re v e nc o l l a p s em a yb ec a u s e db ye x p l o s i o na c c i d e n t sa n dt e r r o r i s ta t t a c k si nt h eo p e r a t i o n p r o c e s s ．T h e r e f o r e ，i ti sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tt os t u d yt h ec o l l a p s ep a t t e r n so fb r i d g es u f f e r i n gt h ei m p a c to fe x p l o - s i o n ．D a m a g ee f f e c t sa n dc o l l a p s ep r o c e s so fc u r v e dg i r d e rb r i d g ea f t e re x p l o s i o no ft h ep i e ra r en u m e r i c a l l ys i m u l a t e d w i t hf l u i d ．s t r u c t u r ei n t e r a c t i o nm e t h o da n dt h r e e - s t a g ea p p r o a c h ．T h er e s u l t ss h o wt h a ta f t e r2 0 0k i l o g r a m se x p l o s i v e d e t o n a t i o na tt h eb o t t o mo fp i e rw i t hs i n g l ec o l u m n ，t h ep i e ri sq u i e k l yd e s t r o y e dl a y e rb yl a y e ra n db r i d g eg r a d u a l l y c o l l a p s e su n d e rg r a v i t y ．S i n g l e - c o l u m np i e ri sak e yc o m p o n e n ti nb l a s t p r o o fd e s i g no fb r i d g ea n dt h ep i e rp r o t e c t i o n s h o u l db es t r e n g t h e n e d ．C o l l a p s ep a t t e r n so fc o n s i s t so fp i e rd a m a g e ，g i r d e rs a g g i n g ，b e a md a m a g ea tt h eb e a r i n g ， b e a mf a l l i n ga n dg i r d e rb r e a k i n ga tt h ee n do fc a n t i l e v e ri nt h ec o l l a p s ep r o c e s so fc o n t i n u o u sr i g i dc u r v e db r i d g e ．A - b u t m e n tb e a r i n gi st h ei m p o r t a n ts u p p o r t i n ga n dc o n n e c t i n gm e m b e ri nc u r v e dg i r d e rb r i d g e ．D e s t r u c t i o no fb e a r i n go r g i r d e rn e a rb e a r i n gi st h ei m p o r t a n tr e a s o no fb e a mf a l l i n g ．T h es t r o n g l yc o n n e c t e dr e s t r a i n tm e a s u r e sa l er e c o m m e f l 。 d e di nt h ea n t i k n o c kd e s i g no ft h eo v e r p a s st od e l a yo rp r e v e n tt h eb r i d g ec o l l a p s e ． K e yw o r d s c u r v e dg i r d e rb r i d g e ；b l a s ta c t i o n ；t h r e e s t a g ea p p r o a c h ；c o l l a p s ep a t t e r n ；k e yc o m p o n e n t 收稿日期2 0 1 5 0 9 0 4 作者简介亓兴军 1 9 7 4 一 ，男，山东人，教授、博士，从事桥梁抗震 抗爆研究， E - m a i l q x j l 2 3 1 6 3 ．c o r n 。 作者简介刘青 1 9 8 7 一 ，女，山东人，硕士生，从事桥梁抗爆研 究， E m a i l 8 7 7 9 0 6 2 6 9 q q ．c o r n 。 基金项目国家自然科学基金项目 5 11 7 8 2 5 8 、5 0 9 0 8 1 3 5 ；山东省交 通科技计划项目 2 0 0 9 Y 1 0 “9 1 1 ”事件以来，地面交通恐怖袭击事件逐 渐增多，桥梁遭受恐怖爆炸袭击的风险日益增大。 2 0 0 9 年1 0 月1 7 日，伊拉克西部安巴尔省首府拉马 迪附近一座公路桥梁遭自杀式卡车炸弹袭击，桥梁 严重损毁，大部分桥体坍塌并沉入水中，导致伊拉克 万方数据 第3 2 卷第4 期亓兴军，刘青爆炸作用下曲线梁桥的倒塌模式 通往邻国叙利亚和约旦的主要公路交通中断，伊拉 克桥梁坍塌照片如图1 所示。另外，由于人们在生 产生活中的疏忽和操作不慎也会引发各类意外爆炸 事故。2 0 1 3 年2 月1 日，中国连霍高速三门峡段的 义昌大桥因运输烟花爆竹车辆意外爆炸而造成桥面 部分坍塌，车辆坠落桥下，造成1 3 人死亡，9 人受 伤。义昌大桥坍塌照片如图2 所示。桥梁结构一旦 发生恐怖袭击或意外爆炸，不仅会造成爆源附近的 人员伤亡，还会导致桥梁发生破坏甚至倒塌，中断交 通运输，影响社会稳定。如何有效地防止桥梁结构 在各种突发性强烈爆炸作用下发生破坏和倒塌，从 而最大程度地减小经济和社会损失，已经成为各国 学者和桥梁工程师们所面临的重要研究课题。邓荣 兵等对连续钢桁梁独塔斜拉桥的爆炸冲击损伤进行 了数值模拟，分析了爆炸波对整个桥梁结构的冲击 作用⋯。蒋志刚、白志海、朱新明等采用L a g r a n g i a n 算法和A L E 多物质流固耦合算法研究了桥面爆炸 冲击作用下缆索承重桥梁钢箱梁桥面板的塑性变 形、开裂与破口等局部破坏模式【2 ’3J 。张开金将爆炸 冲击波冲量荷载用三角形压力时程形式加载到桥面 的一定范围，计算了混凝土连续刚构桥梁在爆炸荷 载作用下的动力响应，并分析了混凝土桥梁损伤效 应的影响因素HJ 。胡志坚采用数值仿真方法研究 了近场爆炸条件下混凝土桥梁的力学响应，分析了 不同比例距离、桥面爆炸、桥下爆炸时混凝土桥梁的 压力场分布特点怕J 。T a n g 和H a o 等运用L S ．D Y N A 软件对特大跨斜拉桥在汽车炸弹爆炸冲击作用下桥 塔、桥墩和桥面结构的局部破坏以及桥梁的整体倒 塌进行了数值模拟∞ 7 。。以上学者均以钢桥或混凝 土直线桥梁为主要研究内容，得到了许多桥梁爆炸 响应和抗爆安全防护的重要研究结论。大型立交 桥是道路交通运输网络中的枢纽和关键环节，而立 交桥的主要组成部分为平面上具有一定弧度的弯梁 桥。与直线桥梁相比，曲线梁桥由于其曲率的影响， 受到爆炸作用时不规则曲线梁桥更易遭到破坏甚至 倒塌，研究曲线梁桥在爆炸冲击作用下的倒塌过程 和倒塌形态具有重大现实意义。建立一座连续刚构 曲线梁桥的显式动力有限元模型，利用流固耦合方 法和三阶段方法数值模拟曲线梁桥在墩柱遭受爆炸 冲击后的倒塌模式，分析桥梁爆炸前、爆炸时和爆炸 后的动力效应和破坏形态，为立交桥的抗爆炸抗倒 塌设计提供一定的理论依据和参考建议。 1 结构爆炸效应计算方法 模拟结构爆炸问题的计算方法主要有三种‘8 | 第一种无需建立炸药模型，采用已有的爆炸荷载模 型或爆炸荷载命令加载，将爆炸荷载转化为节点力 或节点速度施加于结构上直接求解结构响应。第二 种是建立炸药模型，将炸药模型与结构模型之间采 用共用节点或定义接触，以考虑炸药与结构之间的 作用。这两种方法计算耗时少，但缺点是炸药单元 在爆炸过程中会发生严重的畸变，影响求解的进程。 第三种是A L E 流固耦合法，流固耦合法将炸药及空 气材料采用多物质A L E 算法，固体结构采用L a - g r a n g e 算法，通过流固耦合方式处理流体单元与固 体单元之间的相互作用。该方法的优点是炸药和流 体材料在A L E 空间网格中流动，不存在单元畸变问 题，能考虑爆炸冲击波与结构的相互作用，是最接近 实际爆炸的模拟方法；其缺点是计算耗时最多，可达 前两种方法的1 0 0 倍以上。 图l伊拉克桥梁爆炸坍塌图 F i g ．1B r i d g ec o l l a p s ef o rb l a s t i n gi nI r a 图2 义昌大桥爆炸坍塌图 F i g ．2B r i d g ec o l l a p s ef o rb l a s t i n gi nY i c h a n g 应用L S - D Y N A 软件计算桥梁结构的爆炸效应， 对A L E 流固耦合算法的控制通过修改K 文件中的 关键字来实现A L E 单元类型通过关键字．cS E C T I O N S O L I D _ A L E 来定义，炸药空气与固体结构的 流固耦合采用关键字段l C O N S T R A I N E D L A ． G R A N G E I N S O L I D 来定义，与A L E 算法相关的基 本特性通过关键字段半C O N T R O L A L E 来定义，多 物质单元通过关键字段木A L E M U L T I M A T E R I A L 万方数据 1 1 2 爆破2 0 1 5 年1 2 月 G R O U P 来定义。 2 桥梁爆炸倒塌计算的三阶段法 桥梁结构爆炸效应数值计算是一项对计算机配 置要求较高的工作，尤其是计算桥梁爆炸倒塌过程 时，庞大的单元数量会使得计算效率大幅降低。另 外，结构的重力是时刻存在的，是一种恒定不变的静 力作用，也是结构倒塌的直接原因，爆炸倒塌过程中 桥梁的重力效应不能忽略。三阶段法可以解决倒塌 计算时间长和爆炸瞬间空气网格多等问题，三阶段 法的基本过程如下 第一阶段建立桥梁结构有限元模型，采用动力 松弛方法求解桥梁在重力等竖向荷载作用下的静力 稳定解一一，第一阶段末桥梁达到静力平衡状态。 第二阶段建立空气和炸药的有限元计算模型， 向结构施加爆炸荷载，将第一阶段末的桥梁位移和 应力作为此阶段的初始条件，即所谓的应力初始化。 当爆炸冲击波威力已逐渐衰退至不再对结构有任何 影响后，停止计算。 第三阶段删除空气和炸药的有限元网格，以第 二阶段末计算的桥梁位移和应力作为此阶段的初始 条件，计算一定时间后，观察桥梁在重力等竖向荷载 作用下的结构效应和倒塌模式。 明显看出“三阶段法”中，只有第二阶段的计算 模型中存在空气和炸药，以重启动进行应力初始化 为过渡条件，减少了计算模型的单元数量，提高了计 算机运行效率，又能真实反映桥梁结构在爆炸作用 下的动力响应和破坏模式。 3 桥梁计算模型 某一联三跨连续刚构曲线梁桥，曲线半径为 1 2 4 ．5m ，跨径组合为3m 2 0m ，桥面宽9m 。主梁 采用混凝土箱梁结构，箱梁高度1 ．7m ，主梁采用 C 5 0 混凝土。桥台为双柱盖梁式结构，台柱高1 5m ， 矩形截面尺寸为1 ．5m 1 ．5m ，箱梁底与桥台盖梁 之间设盆式橡胶支座，曲线内侧支座仅沿顺桥向可 动，外侧支座沿顺桥向和横桥向均可动。桥墩为墩 梁固结的刚构墩，采用矩形截面，截面尺寸为1 ．2m 1 ．2m ，1 号墩和2 号墩的墩高均为1 5m ，其中l 号 为单柱墩，2 号墩为双柱墩，盖梁及墩台均为钢筋混 凝土结构，混凝土型号为C 3 0 ，桥梁基础形式为扩大 基础。 在建立曲线梁桥有限元计算模型的过程中，如 果只考虑应用三维实体单元，则单元数量过多，给实 际计算带来严重困难。因此，在既能保证桥梁实际 动力性能又能使计算结果可靠真实的条件下，箱型 截面主梁采用薄壳S H E L L l 6 3 单元，桥台盖梁及桥 台台柱采用梁单元B E A M l 6 1 ，中间1 号和2 号墩柱 均采用实体S O L I D l 6 4 单元，地面定义为刚性体材 料。墩柱底端及地面均施加固定约束边界条件，箱 梁底端与桥台盖梁之间的连接采用盆式橡胶支座， 曲线内侧采用单向滑动支座，仅沿顺桥向可动，竖向 通过耦合自由度的方式约束，法向以施加弹簧单元 C O M B I N l 6 5 的方式进行约束。曲线外侧采用双向 滑动支座，可沿顺桥向和横桥向运动，通过竖向耦合 自由度的方式模拟。1 号与2 号墩柱分别与主梁固 结，实现墩梁固结的刚构形式。 曲线梁桥有限元模型采用整体式钢筋混凝土材 料模型，中间1 号和2 号墩柱的材料模型为B r i t t l e D a m a g e 模型，混凝土型号为C 3 0 ，地面采用刚性体 材料模型。主梁、桥台盖梁、桥台立柱采用分段线性 塑性模型，该材料模型可以根据塑性应变定义材料 失效，采用C o w p e r S y m b o l s 模型考虑材料的应变率 效应。 应用L S D Y N A 显式动力分析程序建立曲线梁 桥的有限元计算模型【l 引，桥梁有限元计算模型如 图3 所示，桥梁计算模型共有6 3 6 1 0 个节点，5 3 5 6 4 个单元。坐标轴x 方向为桥梁左端法向，y 方向为 桥梁左端水平面内的切向，Z 方向为竖向。在桥梁 倒塌过程中，曲线梁桥的不同构件之间可能会发生 碰撞，共设置两对接触，分别为单柱墩与地面的接 触、主梁与地面的接触，这在事先不能确定梁体碰撞 点的前提下，是有效可行的。接触面动摩擦系数取 为0 ．1 5 ，静摩擦系数取为0 ．3 。 图3曲线梁桥有限元计算模型 F i g ．3C a l c u l a t i n gm o d e lo fc u r v e db e a mb r i d g e 4 流固耦合有限元模型 在流固耦合方法中定义空气和炸药为流体，曲 线梁桥为固体结构，设置固体和流体之间的耦合联 系。空气和炸药的有限元模型需要极其细致的网格 划分，网格的细分会增加有限元计算模型的单元数 万方数据 第3 2 卷第4 期亓兴军，刘青爆炸作用下曲线梁桥的倒塌模式 量，特别是对于空气模型单元可使整体模型增加几 十万个单元，造成对计算机的配置要求增高、降低 计算效率、不易存储等缺陷。因此，采用三阶段法 来弥补流固耦合方法的计算缺陷，运用流固耦合法 和三阶段法分析曲线梁桥在爆炸冲击作用下的动力 响应和爆炸后的倒塌破坏模式。 主要研究方案为第一阶段，计算时间t 0 ．2 5s ， 使曲线梁桥处于恒定的重力场中，并计算桥梁的重 力效应。第二阶段，在t 0 ．2 5s 时刻设置炸药起 爆，由于爆炸冲击波作用时间非常短暂，计算至t 0 ．3 0s 即可满足爆炸响应衰减要求，第二阶段爆炸 过程计算了5 0m s 。第三阶段，删除计算模型中的 空气和炸药，进行应力初始化，将第二阶段末的应力 作为第三阶段的初始应力，利用重启动继续计算至 3 ．2s ，模拟曲线梁桥在重力作用下的倒塌破坏模式。 炸药放置于单柱墩靠近跨中的左侧且紧贴柱脚 处，炸药采用正立方体实体单元模拟，尺寸为0 ．5m 0 ．5m 0 ．5m ，T N T 炸药质量为2 0 0k g ，炸药起爆点 即为其中心点。空气包围整个单柱，采用正立方体 实体单元，空气尺寸为2 ．7m 2 ．7m 2 ．7m 。流 固耦合有限元模型共有8 5 6 5 1 个节点，7 5 6 0 1 个单 元。炸药、空气和桥梁流固耦合的有限元计算模型 如图4 所示，炸药与单柱的相对位置如图5 所示。 为了避免计算过程中出现负体积，对空气所包围的 单柱进行网格细化处理。 图4曲线梁桥流固耦合有限元模型 F i g ．4 F i n i t ee l e m e n tm o d e lw i t hf l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n 图5炸药在单柱底部位置示意图 F i g ．5 P o s i t i o no fe x p l o s i v ea tt h eb o t t o mo fs i n g l ec o l u m n 炸药和空气采用多物质A L E 网格建模，T N T 炸 药材料模型采用高能燃烧模型，炸药状态方程为 J W L 方程，空气材料模型采用N u l l 材料模型，空气 状态方程为线性多项式状态方程。 5 曲线梁桥重力恒定阶段 现实工程中的桥梁始终处于重力加速度的作用 之下，三阶段法中第一阶段结构重力恒定计算方法 可以采用动力松弛方法或增大阻尼系数方法。选取 第2 跨主梁跨中节点的竖向位移时程和系统动能时 程，检验桥梁是否达到重力恒定状态。第2 跨中主 梁节点7 3 3 8 的竖向位移时程曲线如图6 所示，曲线 梁桥系统的动能时程曲线如图7 所示。 图6 第2 跨中主梁节点竖向位移时程 F i g ．6 V e r t i c a ld i s p l a c e m e n to fb e a ma ts e c o n ds p a n 图7 桥梁系统动能时程 F i g ．7 K i n e t i ce n e r g yo fb r i d g es y s t e m 从图6 一图7 中可以看出，主梁节点的竖向位 移在t 0 ．1S 左右已经基本处于静止平衡状态，全 桥系统动能在t 0 ．2 5s 左右已衰减至接近为0 ，说 明0 ．2 5S 时桥梁的重力效应已经恒定。选择在炸 药t 0 ．2 5S 起爆，符合该曲线梁桥振荡衰减恒定的 静力要求。曲线梁桥的重力恒定阶段为0 ～0 ．2 5s 时间段。 6 曲线梁桥爆炸阶段 曲线梁桥的爆炸阶段为0 ．2 5 0 ．3 0s 时间段， 爆炸计算时间为5 0m s 。单柱墩是该连续刚构曲线 万方数据 1 1 4 爆破2 0 1 5 年1 2 月 梁桥的重要支撑构件，炸药置于单柱底端，当炸药起 爆后，对单柱的破坏最大，单柱的损坏会造成桥梁倒 塌。因此，需要从单柱的破坏形式和破坏程度等方 面分析，独柱墩底部在t 0 ．2 5 ～0 ．3 0s 的形态变化 如图8 所示，图中将单柱倾斜以便清楚地显示墩柱 截面。曲线梁桥在爆炸结束后t 0 ．3 0s 时刻的破 坏形态如图9 所示。 图8 单柱在爆炸作用下的形态 F i g ．8 K i n e t i ce n e r g yo fb r i d g es y s t e m 图9 曲线梁桥在t 0 ．3 0S 时的破坏形态 F i g ．9 F a i l u r ef o r mo fc u r v e db r i d g ea t0 ．3 0s e c o n d 由图8 可以看出在t 0 ．2 5 0 6s 时，即炸药起 爆后6m s ，单柱墩底部已经严重失效破坏。炸药起 爆后，墩柱从底端往上端逐层破坏，从近炸药侧向另 一侧逐渐失效。t 0 ．2 7 0s 时，单柱的底层部位已 全部从模型中删除，单柱失去了固定约束边界条件。 当t 0 ．3 0 0s 时，爆炸冲击波已逐渐失去了冲击破 坏作用，柱底单元不再继续被破坏，最后，柱子底端 单元呈不规则性排列。从图9 可以看出，爆炸结束 后的第O ．3S 时刻，单柱墩底部单元已经全部破坏， 桥梁失去单柱墩处的支撑，但此时曲线梁桥还未表 现出倒塌的形态。 7 曲线梁桥倒塌阶段 曲线梁桥的倒塌阶段为0 ．3 3 ．2s 时间段，在 倒塌阶段计算中，首先需要进行应力初始化，将第二 阶段最后时刻的应力状态重启动作为第三阶段的初 始应力。本阶段计算中已经没有了爆炸荷载作用， 曲线梁桥的破坏模式主要是受初始应力和重力作用 下的倒塌破坏模式。 7 ．1 爆炸后曲线梁桥的倒塌过程 爆炸荷载作用下桥梁结构的倒塌是一个非常复 杂的动力过程，桥梁在每一时刻具有不同的破坏形 态，为全面了解爆炸冲击波作用后曲线梁桥的整个 倒塌过程，分别提取t 0 ．3s 、0 ．8 8 s 、1 ．4 6s 、 2 ．0 4s 、2 ．6 2s 和3 ．2 0s 六个不同时刻时曲线梁桥 的倒塌形态，具体如图1 0 所示。 图l O 曲线梁桥不同时刻的倒塌形态 F i g ．1 0C o l l a p s ef o r m so fb r i d g ea td i f f e r e n tt i m e 万方数据 第3 2 卷第4 期 亓兴军，刘青爆炸作用下曲线梁桥的倒塌模式 1 1 5 从图1 0 可以看出，t 0 ．3 0 ．8 8s 时，单柱墩 底部已被炸断一部分，此时的曲线梁桥主梁并未表 现出较大的竖向变形，而由于单柱的破坏桥梁失去 了底部的固定支撑条件，曲线梁桥已成为了两跨 2 0m 4 0m 的桥梁，单柱墩处梁体在重力作用下向 下弯曲坠落。在t 0 ．8 8 一1 ．4 6S 时，除了单柱的破 坏，最重要的损伤破坏是右跨主梁桥台处梁端单元 出现失效，导致与右桥台支座连接的梁底单元破坏， 这是由于桥梁此时只有两跨，原有基础上突然增加 2 0m 跨度，在重力作用下支座附近箱梁单元无法承 受相应增加的应力，从而出现破坏。由于支座附近 梁底单元的破坏，使得曲线梁桥成了右端悬臂梁，失 去了右端支撑约束条件，打破了梁体力的平衡状态， 右跨主梁出现了明显的落梁现象。当t 2 ．0 4 ～ 2 ．6 2s 时，支座附近梁底单元的破坏使得右端盖梁 和墩柱基本不会再产生大变形，右端主梁梁端在重 力作用下，一直向地面垂直运动且已明显低于盖梁 的高度。随着时间的增加，桥面与双柱墩之间的竖 向夹角会越来越小。t 3 ．2s 时，梁体在悬臂根部 折断，由于落梁的过程中悬臂主梁根部产生强大的 拉应力，使得双柱顶端的主梁折断，具体主梁折断细 部如图1 1 所示，此时的桥梁已完全破坏，无法修复。 所以，炸药在单柱墩底部爆炸会引起曲线梁桥的整 体倒塌，墩柱是桥梁抗爆的关键构件。 图l1双柱墩顶主梁折断细部图 F i g ．11 G i r d e rb r o k e n0 nt h et o po fp i e r 7 ．2 曲线梁桥主梁节点竖向位移时程 根据梁体的竖向位移时程曲线，可以判断主梁 的落梁运动趋势并可量化桥梁的倒塌过程。选取桥 面内侧节点3 0 4 6 、3 4 7 9 和3 9 0 6 ，外侧节点1 2 7 0 7 、 1 2 4 9 6 和1 3 2 4 6 ，六个节点在有限元模型中的位置如 图1 2 所示，图1 3 为主梁节点竖向位移时程曲线。 从图1 3 中可以看出，t 1 ．2 5s 之前，各节点竖 向位移值较小且相差不大，梁体基本处于静止状态。 在重力荷载持续作用下，t 1 ．2 5s 之后，各节点位 移递增，出现明显的分层现象。节点1 3 2 4 6 和3 9 0 6 属于曲线梁桥落梁的右跨节点，在计算结束的3 ．2s 时刻，其竖向位移最大值可达8m ，中跨节点3 4 7 9 和1 2 4 9 6 的竖向位移最大值可达3m ，而左跨节点 3 0 4 6 和1 2 7 0 7 的竖向位移很小，基本维持在0 ．1m 左右，左跨没有落梁。所以，爆炸后重力作用下曲线 梁桥的落梁发生在右边跨和中跨梁体，且每一跨中 的两个内外侧节点竖向位移值相差不大，弯曲的梁 体在坠落过程中的翻转现象并不明显。 图1 2 主梁桥面节点位置示意图 F i g ．1 2 P o s i t i o n so ft h es e l e c t e dn o d e so ng i r d e r N o d en o J L 3 0 4 6 芝1 2 7 0 7 - c 3 4 7 9 D 1 2 4 9 6 』．3 9 0 6 F 1 3 2 4 6 图1 3主梁节点竖向位移时程 F i g ．13 V e r t i c a ld i s p l a c e m e n to fn o d e so nb e a m 7 ．3 倒塌过程中的支座受力 主梁倒塌过程中伴随着支座周围局部区域混凝 土的失效破坏。经过前文的比较分析，曲线梁桥右 跨会坠落倒塌，因此对于左侧支座不需要给予过多 关注，而以右侧支座为主，图1 4 为右侧支座附近箱 梁底单元在1 ．5S 时刻的破坏形态图。图1 5 为曲 线内侧支座单元的轴向力时程曲线。 右端桥台内侧支座为顺桥向活动的单向滑动支 座，在竖向和法向连接着桥台盖梁和主梁箱梁，支座 单元的轴向力反映了支座对箱梁底竖向和法向的约 束合力。由图1 5 可得柱脚炸药在t 0 ．2 5s 起爆 时，右端梁体还未产生竖向位移，支座并没有立刻对 主梁起到约束作用，而是随着时间的延续，主梁右端 开始向下坠落并产生较大竖向位移时，t 1 ．3s 左 右支座单元产生很大的轴向力以约束阻止主梁的坠 落，进而使得支座周围处的梁底单元破坏。数值模 万方数据 1 1 6 爆破2 0 1 5 年1 2 月 拟中没有考虑支座单元的失效破坏，只是考虑了与 支座连接的箱梁底单元的损伤破坏，在实际桥梁工 程的倒塌过程中，也有可能是桥梁支座先于支座周 围混凝土而被破坏。所以，桥梁支座和支座附近混 凝土的破坏是桥梁整体倒塌的关键因素，支座属于 桥梁爆炸倒塌的重要构件。 图1 4 支座附近箱梁底单元破坏形态图 F i g ．1 4 F a i l u r ef o r mo fe l e m e n t sa tb o t t o mo fb o x g i r d e rn e a rb e a r i n g 』1 I l l e l s 图1 5 支座单元轴向力时程 F i g ．1 5 A x i a lf o r c eo fb e a r i n ge l e m e n t 8 结论 建立三跨连续刚构曲线梁桥的精细化有限元模 型，利用流固耦合方法和三阶段方法，计算分析炸药 在单柱墩底爆炸时曲线梁桥的爆炸效应和爆炸后的 倒塌过程。主要得到以下结论 1 炸药位于单柱墩底起爆后，单柱墩被破坏， 在重力作用下梁体下坠，致使桥梁发生不可修复的 倒塌破坏。墩柱 特别是单柱墩 在桥梁的抗爆防 爆工作中属于关键构件，立交桥的抗爆设计中，应加 强对墩柱的加固防护。 2 桥台支座是整体曲线梁桥的重要支撑约束 构件，曲线梁体坠落过程中支座或支座周围单元发 生破坏，使得桥梁构件之间失去支撑连接，从而导致 桥梁整体倒塌。支座周围区域梁底单元的破坏是导 致主梁发生落梁的重要因素。在立交桥的抗爆设计 中应加强支座等连接约束构件的设计，必要时可采 取强连接约束措施以延缓或防止桥梁倒塌。 3 连续刚构曲线梁桥在中间单柱墩受到爆炸 冲击后的倒塌过程中，会表现出墩柱破坏、梁体下 垂、梁端支座处梁底单元破坏、桥梁形成悬臂体系、 梁端坠落和梁体在悬臂根部折断等倒塌破坏形态。 参考文献 R e f e r e n c e s 邓荣兵，金先龙，陈向东，等．爆炸冲击波作用下桥梁 损伤效应的数值仿真[ J ] ．上海交通大学学报，2 0 0 8 ， 4 2 1 1 1 9 2 7 - 1 9 3 0 ． D E N GR o n g b i n g ，J I NX i a n l o n g ，C H E NX i a n g d o n g 。e t a 1 ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rt h ed a 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