爆破沖擊荷載作用下連續剛構橋動力響應分析

李云虎，尹萬杰，鄒輝煌，潘怡宏

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

0 引言

橋梁作為國家重要交通基礎設施的組成部分之一，發揮著改善交通系統，促進經濟發展等重要作用。由于橋梁在使用過程中，不可避免地會發生爆炸，對橋梁結構產生損害，甚至產生不可修復的破壞，導致交通系統停滯和相關人員傷亡。所以研究爆破荷載作用下，橋梁的動力響應以及相關損傷評估，對橋梁修復以及破壞后使用功能評價具有重要意義[1，2]。

本文采用ANSYS 有限元軟件建立連續梁橋有限元模型，在不同當量和爆破距離條件下，進行爆破荷載作用下，橋梁動力響應分析以及損傷分析，對比不同橋梁斷面承受爆破荷載能力。

1 有限元概況

本文分析采用的橋梁模型為某連續T 型剛構梁橋，見圖1。該橋橋跨布置為140 m+268 m+140 m，橋面寬16 m，箱梁為變截面預應力混凝土箱梁。主梁和橋墩均采用C60 混凝土。

圖1 某連續T 型剛構梁橋（單位：mm）

在把握結構的主要受力特征的基礎上，建立由不同單元類型組成的ANSYS 有限元模型。本文采用梁單元與實體單元連接：爆破荷載作用部分分析的梁截面采用實體單元solid65，其余梁截面采用梁單元beam4，不同單元連接處采用剛性梁法進行連接，保證受力整體性。預應力混凝土梁結構進行實體建模時，采用分離式有限元模型建模，即混凝土單元采用solid65 實體單元，預應力筋采用Link8 單元，預應力與混凝土之間采用共用節點模擬混凝土與預應力之間的連接作用，采用降溫法施加預應力。主梁中的普通鋼筋不予考慮，當爆炸荷載作用與橋墩時，實體橋墩結構中的鋼筋采用配筋率模擬鋼筋混凝土橋墩。

2 爆炸荷載模擬

爆炸荷載實質為一種沖擊荷載，作用時間極短，一般為毫秒級，瞬間產生的超壓峰值極大，實際中的爆炸空氣沖擊波荷載非常復雜，基于目前數值模擬的局限性，在保證計算精度的要求下，對爆炸荷載進行簡化。

在實際爆破結構分析設計中，為了簡化計算，常將空氣沖擊波壓力衰減曲線簡化為線性下降三角形沖擊波壓力衰減曲線[3-5]，等效沖擊波公式可以表示為：

式中：ΔP+為等效沖擊波側向超壓幅值；Ta為等效沖擊波作用時間。

實例分析中，考慮到汽車炸彈或者易燃易爆品爆炸的因素，現假設在橋上爆炸TNT 當量分別為100 kg、150 kg、200 kg，爆炸中心O 距離橋面2.5 m高，作用范圍為2.5～3 m，采用不同距離范圍內壓力平均值在相應范圍內代替，作用范圍為5.5 m×5.5 m。

通過分析可以得到本實例分析的橋梁爆炸壓力時程荷載曲線，以，爆破荷載時間曲線見圖2。

圖2 實例中橋面三角爆炸壓力時程曲線

3 有限元模型建立

根據爆炸荷載作用位置不同，分別為跨中，1/4跨兩種荷載作用位置，分為兩種有限元模型，不同荷載作用位置見圖3。全橋有限元模型單位采用國際制單位，以下云圖中撓度的單位為m，應力為單位為Pa，其中混凝土圖應力壓為負值，拉為正值。

圖3 控制截面示意圖（單位：mm）

控制截面選取跨中截面時，有限元模型見圖4（a），實體單元長度為16 m，共有65 018 個單元。自重作用下，實體單元應力云圖見圖4（b），撓度云圖見圖4（c）。

圖4 有限元模型概況以及自重荷載作用下實體單元云圖（荷載作用于跨中）

控制截面選取1/4 跨截面時，有限元模型見圖5（a）所示，實體單元長度為25m，共有84 165 個單元。自重作用下，實體單元應力云圖見圖5（b），撓度云圖見圖5（c）。

圖5 有限元模型概況以及自重荷載作用下實體單元云圖（荷載作用于1/4 跨）

4 損傷特性分析

4.1 損傷工況

將TNT=250 kg 荷載曲線加載在中跨跨中中心區域內，進行ANASYS 瞬態分析后得出結構的撓度和應力分布見圖6、圖7。

圖6 自重和爆炸作用下應力云圖（單位：P a）

圖7 自重和爆炸作用下撓度云圖（單位：m）

爆炸沖擊荷載作用時間極短，本文中荷載作用時間最長只有0.006 s，但是為了能夠更加清楚地了解爆炸荷載作用時間內模型截面內力及變形變化，荷載作用范圍內選取典型節點，將撓度以及應力時間變化曲線繪制見圖8， 這里需要說明一下，從0～0.001 s 只有自重作用，0.001～0.007 s 為自重作用+ 爆炸荷載作用。

圖8 撓度以及應力時間變化曲線

從圖8 中可以看出，在爆炸荷載作用下，撓度隨著時間的增加而增大，應力變化隨著時間的增大然后減小，在最后0.002 s 內，荷載作用位置應力出現緩慢恢復。所以，爆炸荷載作用完畢之后，模型應力并不最大。為了更加清晰地表現模型在不同時刻應力變化，分別將爆炸荷載時間0 s，0.002 s，0.004 s 和0.006 s 模型應力云圖繪制于圖9。

圖9 跨中1/2L 處應力圖（單位：P a）

分別采用不同TNT 當量，提取結構關鍵點截面的應力數據如下，與僅在自重作用下的應力對比：找出不同TNT 當量值臨界爆距，即某當量值對應該爆距時，截面應力剛好達到混凝土極限應力（此應力考慮沖擊荷載作用下混凝土極限強度提高系數），將變化曲線繪制于圖10，其中安全區與危險區是指，受爆破荷載作用，橋面只要發生拉應力大于混凝土極限拉應力就視為破壞。

圖10 不同爆破荷載作用下主梁斷面破壞情況

4.2 不同工況對比

為了對比1/2 跨和1/4 跨主梁斷面抵抗爆破荷載作用的能力，以1/2 跨主梁斷面混凝土達到拉應力極限強度的爆破荷載作用參數為臨界值，作用于1/4跨，對比兩種不同斷面在相同荷載作用下的響應變化，結果列于表1 中。總體來看，相同爆破荷載作用下，1/4 跨最大拉應力要大于1/2 跨中，而1/4 跨最大壓應力要小于1/2 跨。說明橋梁主梁斷面梁高不同，相同荷載作用在與不同梁截面，荷載作用響應不同；1/2 跨中梁高較小，爆破荷載作用后，橋梁截面頂板和底板都出現破壞，而對于1/4 跨梁截面高度較高，相同荷載作用后，僅有橋梁頂板出現較大的拉裂破壞。

表1 爆炸荷載作用于1/2 跨與1/4 跨主梁斷面應力響應

5 結論

本文采用ANSYS 有限元軟件建立連續梁橋有限元模型，在不同當量和爆破距離條件下，進行爆破荷載作用下，橋梁動力響應分析以及損傷分析，結論如下：

（1）在爆炸荷載作用下，撓度隨著時間的增加而增大，應力變化隨著時間的增大然后減小，最后應力值有所恢復；

（2）相同爆破荷載作用在與不同梁截面，荷載作用響應不同；1/2 跨中梁高較小，爆破荷載作用后，橋梁截面頂板和底板都出現破壞，而對于1/4 跨梁截面高度較高，相同荷載作用后，僅有橋梁頂板出現較大的拉裂破壞；

（3）爆破荷載作用下，橋梁的損傷程度與當量值以及爆破距離有關。