[分享]关注年度热点问题——桥梁抗爆

发表于2021-11-11     16人浏览     1人跟帖     总热度:162  

关注年度热点问题——桥梁抗爆_1
随着区域经济的飞速发展,能源交换的需求量随之增大,装载运输“燃、汽、爆、化”的危化品槽车日益增加。由车辆导致的爆炸层出不穷,作为城市群或区域协同交通网中最重要的节点工程,桥梁结构的运营安全受到严重威胁,桥梁抗爆是当前国内外学者高度关注和亟需解决的热点问题。

当前,国内外专家学者在桥梁抗爆研究方面,主要围绕爆炸冲击荷载试验与数值模拟方法、桥梁抗爆性能及劣化机理、桥梁抗爆安全评估方法等方面进行了深入系统的探索,取得了卓有成效的成果。
数值模拟为爆炸冲击荷载提供有效参数
在抗爆研究的试验中,对于全焊接钢柱节点在静、动冲击载荷作用下的受力性能试验和数值模拟,从冲击载荷作用下的截面内力和能量吸收两方面,研究了局部焊接细节对连接行为的影响,并建立了连接件塑性旋转与输入冲击能量之间的简化关系,如图1所示。

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图1 冲击荷载作用下焊接钢梁柱节点的试验与数值分析
通过对爆炸荷载作用下预应力混凝土柱动力特性的数值研究,模拟了爆炸荷载引起的应力波在柱截面内、柱高方向的传播,以及钢管在爆炸荷载作用下的防护效果,如图2所示。结果表明,柱截面在爆炸荷载作用下的变形主要分为两个阶段,即压缩阶段和膨胀阶段,其中混凝土节段的破坏主要发生在后一阶段。

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图2 爆炸荷载作用下预制混凝土节段柱的应力波传播及结构响应
通过全尺寸爆破试验研究,测试混凝土基复合桥面在近距离爆破荷载作用下的抗爆能力,分析近距离爆炸对试样造成的损伤,所有受试复合材料试样均出现明显分层,层状复合材料的非均匀性将内部回弹引起的爆炸损伤转化为分层损伤。针对桥面恐怖爆炸事故进行的三组预应力T梁模型试验,随着爆炸当量的增加,预应力钢筋的破坏程度加剧,锚固脱落次数增加,普通钢筋由破坏演变为断裂,预应力T梁腹板的破坏形态为“X”,腹板两侧的破坏形态大致为“I”形。混凝土裂缝数量增多,裂缝深度增大,裂缝尺寸增大,预应力T梁的局部破坏模式由地震倒塌演变为穿透破坏,剩余承载力逐渐降低,如图3所示。

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图3  三种试件损伤状态的比较

采用碳纤维增强聚合物(CFRP)对接触爆炸作用下的钢筋混凝土桥墩进行防护,并在现场进行了爆炸试验,分析了钢筋混凝土桥墩的损伤发展及CFRP防护效果,所有试件在接触爆炸下均发生局部破坏。通过接触爆炸下超高性能胶凝复合钢管试件的残余轴向承载力试验研究,进行了相应的数值模拟。分析了钢管厚度和强度、芯混凝土抗压强度、柱直径等相关参数,对接触爆轰下的超高性能胶凝复合钢管试件局部炸坑深度、爆炸后残余轴向承载力,以及相应的损伤指标的影响,可为接触爆炸条件下超高性能胶凝复合钢管试件的爆炸后性能评价和设计提供有益参考。在抗爆数值模拟技术与方法方面,基于等效单自由度模型理论,改进了钢筋混凝土梁抗爆分析的直剪单自由度方法,提出直剪、弯剪联合破坏的判定准则,给出了两种破坏模式下钢筋混凝土梁动态响应的计算方法。并考虑爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的弯曲破坏、直剪破坏和弯剪联合破坏,提出钢筋混凝土梁式构件抗爆分析的改进等效单自由度方法。通过研究发现,与常规载荷作用相比,爆炸冲击载荷作用下的钢板—混凝土组合结构(SPCCS)力学特性与劣化过程存在显著差异。基于数值模拟方法对爆炸作用下钢板和加劲钢板的动力响应和破坏模式进行研究,分析了不同工况下顶板、板肋及U肋在爆炸荷载下的动力响应和破坏模式。结果表明,U肋抗爆性能更好,加劲板的破坏程度与加劲肋数量密切相关,增加U肋端头隔板有利于提高钢板的抗扭性能。

通过非线性有限元软件ANSYS/LSDYNA模拟预应力混凝土板的爆炸试验和炸药驱动预制破片试验,研究爆炸波、破片荷载及二者复合作用下预应力空心板梁的动态响应差异。同时,运用参数化分析方法,研究张拉控制应力、预应力损失水平、混凝土强度、普通钢筋纵筋配筋率、箍筋间距对空心板梁动力响应的影响。结果表明,构件的抗爆性能随着张拉控制应力增大而增强;在相同张拉控制应力作用下,即使构件有不同水平的应力损失,其抗爆性能也基本相同;提高混凝土强度对构件的抗爆性能作用并不明显;普通钢筋纵筋配筋率的提升在一定范围内可小幅度提高构件抗爆性能;随着箍筋间距增加,构件的抗爆性能明显减弱。

通过对国内外关于爆炸荷载缓解研究的系统化总结,发现提高结构强度和延展性,减少甚至防止碎片飞扬,所有应用方法都具有很高的潜力。通过对冲击荷载和爆炸荷载作用下的钢筋混凝土(RC)结构的研究,提出的基于钢筋混凝土梁剩余抗弯承载力的损伤指标,评估其在冲击荷载和爆炸荷载共同作用下,不同钢筋混凝土梁的易损性,随梁深、跨长和钢筋配置等重要结构参数的变化。如图4所示。

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图4 受冲击荷载作用下钢筋混凝土梁的理论响应

桥梁抗爆性能与劣化机理

为研究近爆荷载作用下混凝土桥的受力及破坏特征,采用ALE流固耦合分析理论,基于AUTODYN分析模型,开展不同炸药当量、桥面跨中位置爆炸、支点位置爆炸等近爆荷载作用下的结构应力场,及破坏特征研究。为研究爆炸荷载作用下斜拉桥斜拉索的动力响应,开展近爆作用下斜拉索的抗爆性能分析,对斜拉索应力和损伤进行分析,进一步就不同比例距离展开参数化分析。分析表明,近场爆炸荷载下,斜拉索不会出现断裂,其破坏形式表现为应力超过屈服应力带来的失效,斜拉索最薄弱的位置是索梁锚固区,保持斜拉索不失效的安全比例距离为0.287m/kg1/3。将薄壁方管置于爆炸场中进行冲击实验,并利用非线性动力有限元程序LS-DYNA完全重启功能及流体与固体耦合算法,对薄壁方管在单次爆炸和重复爆炸载荷下的非线性动力响应过程进行三维数值模拟。

为研究弹药接触爆炸条件下钢筋混凝土板的动力响应及毁伤模式,基于量纲分析得到了接触爆炸条件下钢筋混凝土板破坏特征量(正面破坏区直径、贯穿区直径和背面震塌区直径)与柱形装药直径、长径比之间的无量纲关系。在大量的数值计算的基础上总结出了装药直径、长径比与钢筋混凝土板破坏特征量关系的经验公式,以其为重要建筑物、桥梁和防护结构的毁伤评估提供一定的参考。通过现场接触爆轰试验和随后的轴向压缩试验研究,表明轴压下完整柱和爆炸损伤柱均表现为斜剪破坏。在研究新型隔震隔声材料,三元局部共振超材料(LRM)在土木工程中的应用时,采用解析推导和数值模拟的方法,分析了爆炸荷载作用下三元LRC结构的机理和性能,不同材料(天然骨料和铅)、不同弹性模量和软涂层厚度对三元LRC结构响应的影响。并发现三元LRC可有效降低爆炸载荷作用下自身结构的损伤。

在研究钢管混凝土节段柱的爆破性能时,通过钢管混凝土节段柱现场爆破试验数据,和节段柱室内冲击试验的分析,将钢管混凝土节段柱与传统的整体柱、预应力整体柱的抗爆性能进行比较和参数化分析,探究了填充混凝土强度、钢皮厚度、预应力比、节段数等因素对节段柱抗爆性能的影响。增加钢板厚度可有效提高钢管混凝土节段柱的抗爆性能,同时提高混凝土强度、预应力和节段数,钢管混凝土节段柱的抗冲击承载力。如图5所示。

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图5  节段和整体CFSC柱模型的图解

采用基于完全耦合拉格朗日模型和欧拉模型的多欧拉域方法,利用商用软件Autodyn,探究汽车爆炸作用下的钢—混凝土组合桥损伤机理。结果表明,爆炸荷载作用下,桥梁破坏经历了弹塑性、塑性和全截面塑性铰三阶段。但支座发生爆炸时,钢梁在弯曲破坏前发生剪切破坏,两者作为控制因素决定了结构的抗爆能力。通过对不同碳纤维布强化比的四种钢管拱在冲击荷载作用下的动力响应进行研究,发现提高碳纤维布强化比和混凝土强度可提高管拱抗爆性能,如图6所示。在此基础上,建立拱残余承载力与损伤度之间的联系,提出并讨论了简化理论模型,可用于预测拱的极限承载能力。

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图6 CFRP管拱的爆炸响应及损伤评估

通过对于不同截面形状的钢筋混凝土柱在接触和近距离空气爆炸作用下的损伤特性和动力响应,以及不同截面形状的钢筋混凝土柱,在水下爆炸荷载作用下的抗爆性能进行研究,对比了接触爆炸和近距离爆炸作用下钢筋混凝土柱的非线性动力响应特性和损伤机理。无论是空气爆炸还是水下爆炸,截面形状对柱的抗爆性能都有显著影响,采用圆形截面可以有效地提高柱的抗爆性能,如图7所示。

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图7 方柱实验装置

通过试验得出简支边界小箱梁桥的爆破性能和破坏机理,研究表明梁上发生爆炸时,可导致严重的混凝土剥落和钢筋断裂。由于损伤板释放的能量,桥面以上爆炸时,局部损伤和耗散振动有限。因此,增加梁间距,引导爆炸车辆路径,可有效降低桥梁倒塌风险。对超高性能水泥基复合钢管试件接触爆炸后的剩余抗震性能进行研究,并从理论上分析了冲击荷载和爆炸荷载共同作用下中高层建筑钢筋混凝土柱的破坏和动力响应,如图8所示。通过计算时滞参数的影响,发现在冲击力达到峰值时,连续爆轰作用下,柱体可受到较大剪切力和较严重整体损伤。此外,在组合荷载情况下,荷载作用于柱中部高度,损伤指数对轴压比和冲击速度参数敏感性阈值与单独冲击和爆炸荷载下计算阈值存在差异。

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图8 柱的爆炸试验

针对普通方形钢筋混凝土桥墩和方形预应力混凝土桥墩进行底部爆炸试验,分析近距离爆炸荷载作用下,预制节段钢筋混凝土桥墩动力响应和破坏机理。预制节段钢筋混凝土桥墩在底部爆炸区出现局部节段破坏,并因混凝土挤压应力在爆炸区上方其他节段部位产生竖向裂缝和混凝土挤压,节段界面阻碍了爆炸导致的应力流传播。通过对钢筋混凝土柱进行试验,探讨了横向钢筋用量较大细部设计对结构的影响,采用细部设计可提高柱的抗爆性能,从而减少柱中高度的最大位移和残余位移,更好地控制裂缝,并能承受较大的爆炸荷载,如图9所示。

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图9 柱试样详图

通过材料损伤、断裂和分离的非线性有限元方法,对典型钢筋混凝土桥墩柱抗爆性能进行模拟,发现爆破承载力与混凝土强度和配筋率基本呈线性关系,其中配筋率对爆破承载力的影响最大。单层钢纤维混凝土适度提高了抗爆性,但额外的钢纤维混凝土层提供的抗爆效应甚微。

多种评估方法预判爆炸冲击下的桥梁安全性

运用基于现场实测频率变化的钢筋混凝土柱爆炸损伤快速评估方法,通过研究矩形钢筋混凝土柱箍筋配箍率、纵筋配筋率和长细比,对爆炸荷载作用前后钢筋混凝土柱频率变化的影响规律,拟合出柱损伤程度与频率变化之间的关系公式,建立了在爆炸现场通过频率测试,对矩形钢筋混凝土柱爆炸损伤程度的快速评估方法。通过试验提出基于性能钢筋混凝土构件抗冲击设计方法框架。以钢筋混凝土立柱抗爆设计为例,通过非线性有限元分析,得出设计构件的抗冲击性能状态,并对不满足设防标准的设计参数进行优化,得到满足三标准抗爆设防目标的立柱设计参数。

为研究爆炸冲击作用下节段拼装桥墩破坏模式和损伤评估方法,采用ANSYS/LS-DYNA建立了方形截面整体式桥墩和节段拼装桥墩受爆的三维实体分离式模型。通过改变爆炸TNT当量和爆炸距离,对比分析了不同超压作用下,整体式桥墩与节段拼装桥墩的应力变化、破坏模式与损伤机理,并提出了基于截面损伤与墩身侧移的桥墩受爆损伤评估方法。提出基于Jaya和树种子算法(TSA)的混合群智能结构损伤识别方法,考虑测量和有限元建模中的高度不确定性。将结构损伤模拟为单元刚度的折减,将结构损伤识别描述为优化问题。识别结果表明,所开发的C-Jaya-TSA与非概率区间分析方法相结合,可准确地识别结构损伤,如图10所示。

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图10 拟议混合C-Jaya-TSA的流程图

基于数值分析的结构抗爆性能评估方法建议的程序包括:(1)选择严重影响整体结构行为的主要结构部件;(2)设置由不同爆炸级别和位置组成的爆炸危险场景;(3)使用数值爆炸模拟评估部件。通过实例评估,可确定每个部件的临界爆破水平,并找到对考虑部件影响最严重的爆破位置,基于情景的评估方法,将有助于评估现有桥梁和未来设计中桥梁结构在爆炸荷载作用下的性能。

抗爆研究是桥梁防灾减灾的重要交叉领域,也是近年来国内外工程界高度关注的热点话题。在系统研究基础上构建桥梁运维安全保障体系,确保特殊条件下的安全性,是运维保障体系的重中之重。当前抗爆研究主要是以数值模拟为主,理论分析和试验研究相对较少,研究对象大部分针对桥墩,而理论分析尚不能充分考虑抗剪连接件对结构的作用。爆炸试验难度较大,对设备要求高,数据采集不够完善,缺乏基础性试验数据,相关试验和测试技术仍是下一阶段的重点难点。

来源:桥梁杂志
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 发表于2021-11-11   |  只看该作者      

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随着区域经济的飞速发展,能源交换的需求量随之增大,装载运输“燃、汽、爆、化”的危化品槽车日益增加。由车辆导致的爆炸层出不穷,作为城市群或区域协同交通网中最重要的节点工程,桥梁结构的运营安全受到严重威胁,桥梁抗爆是当前国内外学者高度关注和亟需解决的热点问题。

清平平老师

北京  | 建筑设计

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