近場爆炸作用下空心板損傷狀況及影響分析

曹思源 王繼軍 張華杰 阿布來提·卡德爾

（新疆交通規劃勘察設計研究院有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

橋跨結構物在近場爆炸等偶然作用下表現的脆弱性逐漸受到關注，當結構承受爆炸荷載時，結構的安全冗余會大幅降低，會對交通路線造成嚴重損傷。

空心板結構是常見的橋跨結構物，由于其往往采用預制場批量制作，然后在施工現場進行進一步架設安裝，且空心板預制樣式有限，使這種橋跨結構存在一定相似性。在研究近場爆炸下結構物的響應時，出于經濟性與安全性的考慮，對橋梁整橋進行爆炸作用的試驗很難開展，而僅僅對整個橋跨結構物進行近場爆炸數值模擬并予以分析與預測又缺乏可信度，研究人員往往采用經正確性驗證的數值分析方法，對近場爆炸下結構物的響應進行數值模擬與研究。國內外對橋跨結構的抗爆性能研究多集中在爆炸沖擊下材料的本構模型研究及結構物的動力響應分析。

劉殿柱等[1]對混凝土RHT 本構模型的參數敏感性進行了研究，并將修正模型與試驗結果進行對比，指出修正的混凝土RHT模型應力應變曲線與現場試驗的結果曲線匹配程度較好；LI 等[2-4]對混凝土靶板進行了近場爆炸試驗與數值模擬驗證，指出RHT 本構模型可以模擬構件的響應與爆炸損傷狀況；Yan 等[5]研究了爆炸沖擊下的鋼筋混凝土梁損傷機理，指出爆炸沖擊產生的拉伸應力波是梁底開裂的主因，且由于泊松效應，梁體發生橫向膨脹并導致部分混凝土脫落；吳亮等[6]對近場爆炸鋼筋混凝土柱進行了損傷討論及數值分析，指出鋼筋混凝土柱的損傷狀況與結構的抗爆性能影響因素，為近場爆炸橋跨結構的損傷狀況研究提供了參考。通過閱讀相關文獻可知，現有對空心板構件損傷狀況與破壞形式的研究仍顯不足，有必要研究近場爆炸下空心板構件的損傷狀況。

1 數值模擬及分析

1.1 數值模擬方法驗證

炸藥經化學反應產生大量的氣體，在極短時間內將其內能轉化為動能。爆炸時氣體迅速膨脹產生超壓沖擊波并對外界做功，導致結構物在沖擊波的影響下產生動力響應，并發生損傷。常用的近場爆炸數值模擬方法有經驗公式法、沖擊荷載法及任意拉格朗日-歐拉法（ALE）法，本文基于ALE 法，直接建立炸藥實體單元并賦予相應材料，通過空氣單元作為沖擊波傳播介質將爆炸作用于空心板上。選擇RHT本構模型作為混凝土材料的近場爆炸本構模型[2,4]；對于鋼筋單元，采用塑性隨動本構模型描述其應力－應變關系。

數值模擬中，材料本構模型的正確性是分析研究的基礎。本文以鋼筋混凝土靶板近場爆炸試驗[4]為依據，建立近場爆炸鋼筋混凝土靶板有限元模型，其中鋼筋混凝土靶板邊長1.25m，爆炸TNT 當量640g，靶板厚度5cm，爆距0.5m，靶板的一對邊采用壓板固定，靶板的現場試驗結果及數值模擬結果如圖1和圖2所示。

圖1 靶板迎爆面損傷對比

圖2 靶板背爆面損傷對比

對比可知，對象靶板迎爆面產生局部混凝土壓碎，靶板的中心產生一條明顯的平行于壓條約束邊的裂縫，并伴有環形開裂與斜向裂縫；靶板背爆面產生大量拉伸裂縫，靶板背爆面的損傷面積較迎爆面嚴重，裂縫密集，并伴有靶板內鋼筋的裸露。對比相關文獻的現場試驗結果與數值模擬損傷云圖可以看出，兩者損傷位置與裂縫產生位置基本匹配，可以認為RHT 混凝土本構模型能夠很好地處理鋼筋與混凝土的協調受力的關系，本文所采用的近場爆炸數值模擬方法、材料的本構模型及相關材料參數的處理方式可信度較高，能夠較真實反映近場爆炸下結構物的損傷狀況與動力響應。

1.2 研究對象

取兩片鋼筋混凝土空心板為主體結構，兩塊空心板通過鉸縫進行橫向連接；空心板長1000cm，單板寬100cm，板厚為50cm，考慮鋪裝為單層鋼筋網構造；在LS-DYNA 數值模擬中，鋪裝層與空心板頂面的接觸定義為綁定接觸，考慮結構的對稱性簡化數值模型，定義經過原點的X-Z、Y-Z平面為對稱面，并將空心板的一側面域釋放X向平動與全部轉動約束；考慮模型空氣域尺寸為75cm×50cm×200cm，空氣域中除對稱面外的其他邊界面定義為無反射邊界；選擇初始近場爆炸高度為1.5m，炸心位于空心板構件水平中心正上方，定義炸藥單元尺寸為25cm×25cm×25cm，并與空氣域組成流體組，建立炸藥、空氣域以及空心板的1/4 有限元模型，研究對象數值模型如圖3所示。

圖3 近場爆炸空心板1/4有限元模型

2 影響因素分析

2.1 炸藥當量

分析研究不同炸藥當量下空心板構件的損傷狀況，當t=0.1ms 時，爆炸產生的沖擊波抵達空心板頂面，應力波以炸心正下方混凝土單元為中心逐漸向四周擴散，當t=0.4ms 時板底部單元的最大主應力較大，可能發生損壞；隨著時間推移，應力波逐漸由空心板的跨中區域向其約束端傳播，空心板各混凝土單元的最大主應力逐漸降低并趨于平穩。考慮到t=5ms 時空心板構件的損傷狀況趨于穩定，對比當t=5ms時不同炸藥下空心板損傷狀況與破壞形式，具體如圖4所示。由圖4可知，當炸藥當量為1kg 時，空心板的損傷范圍主要集中于炸心正下方的局部區域，迎爆面炸點正下方的鋪裝層在壓縮應力波作用下損傷狀況較輕，鋪裝層與空心板頂面出現局部混凝土壓碎，板底產生少量沿縱筋與箍筋的裂縫，構件有彎曲破壞的特征。

圖4 近場爆炸下當t=5ms時不同炸藥當量空心板跨中截面損傷示意

當炸藥當量為2kg時，炸點正下方發生部分混凝土受壓失效，損傷面積增大；在拉伸應力波的作用下空心板底產生部分拉伸裂縫，板底面損傷范圍有一定程度的增加，底部產生沿縱向鋼筋與箍筋的少量裂縫，空心板有彎曲與沖剪耦合破壞的特征。

當炸藥當量為10kg 時，迎爆面炸點正下方板頂發生不同程度的混凝土壓碎，混凝土失效面積較大；在拉伸應力波的作用下空心板底面產生大量拉伸裂縫，板底面損傷范圍有一定程度的增加，底部產生沿縱向鋼筋與箍筋的裂縫，縱向裂縫最大長度達到1/2空心板跨徑；空心板于約束面處出現部分縱向裂縫，空心板底鋼筋網發生彎曲并部分裸露，空心板構件表現為彎曲與沖剪耦合破壞。

通過觀察可以看出當爆炸發生后，炸心正下方板頂局部區域發生不同程度的混凝土壓碎，當炸藥當量較小時，空心板表現為彎曲破壞，隨著炸藥當量的增加，炸心正下方鋪裝層與空心板頂面混凝土壓碎區域逐漸增大，表現為彎曲與沖剪耦合破壞。

考慮將模型與無鋪裝層空心板模型的板頂超壓峰值與板底豎向位移峰值進行對比，起爆高度均為1.5m，對比結果如圖5和圖6所示。

圖5 不同炸藥當量下空心板頂超壓峰值

圖6 不同炸藥當量下空心板底豎向位移峰值

由圖5 可知，在不同炸藥當量下無鋪裝層的板頂超壓峰值與板底豎向位移均明顯高于有鋪裝層空心板，其中當炸藥當量為10.0kg 時，無鋪裝空心板超壓峰值為137.8MPa，較有鋪裝空心板提高了19.8%，隨著炸藥當量的減小，兩者的偏差也逐漸減小；無鋪裝層空心板豎向位移峰值為-7.4cm，較有鋪裝空心板提高了42.0%，而隨著炸藥當量減小，兩者的偏差亦逐漸減小。可以得出近場爆炸下空心板的超壓與豎向位移峰值均與炸藥當量成正相關，相比于不考慮鋪裝層的空心板模型，隨著炸藥當量的增加兩者的板頂超壓與板底豎向位移峰值偏差逐漸增大。

2.2 鉸縫狀態

對于使用中的空心板橋結構，隨著空心板的在役年限增長、交通量及重型車量的增多，空心板逐漸產生病害，鉸縫位置往往發生損傷并導致其傳遞荷載的能力逐漸下降，直接影響交通路網的安全運營；同樣在近場爆炸下，由于在役空心板間橫向聯系鉸縫的狀態往往存在區別，導致爆炸作用下不同鉸縫狀況的空心板損傷狀況也存在差異。為探究近場爆炸下不同鉸縫狀態空心板的損傷狀況，通過在LS-DYNA 軟件關鍵字中定義鉸縫混凝土單元與空心板單元接觸面的粘結模擬兩者間的接觸[7],建立鉸縫固接、鉸縫鉸接及鉸縫完全失效的不同空心板模型如圖7 所示，損傷面積計算結果如圖8所示。

圖7 不同鉸縫狀態下空心板損傷狀況示意

圖8 近場爆炸下不同鉸縫狀態空心板損傷狀況示意

由圖7、圖8 可知，隨著鉸縫的狀態由固接向失效發展，近場爆炸對空心板造成的損傷面積逐漸增大，其中當鉸縫失效時，空心板頂面損傷面積約為4.47m2，較鉸縫固接時增加了17%；底面損傷面積約為4.62m2，較鉸縫固接時增加了約5%。當鉸縫固接時，板底開裂范圍較大，爆炸產生的縱向開裂范圍接近整個板長，隨著鉸縫損傷狀況逐漸變差，鉸縫的傳力性能變低，空心板頂面及底面的損傷面積逐漸提升，而板底開裂范圍明顯減小。在近場爆炸數值模擬時考慮空心板鉸縫的狀態對描述構件的損傷狀況是有必要的。

3 結束語

本文通過有限元軟件LS-DYNA，基于流固耦合數值模擬方法對近場爆炸下混凝土材料的本構模型進行了驗證，通過與已有爆炸試驗結果進行比較，指出采用本文的材料模型與模擬方法能夠模擬近場爆炸結構物的損傷狀況。在正確性驗證的基礎上，對不同炸藥當量下空心板構件的損傷狀況進行了討論，并對不同鉸縫狀況的空心板構件進行了損傷狀況分析。通過研究分析可以發現，空心板構件在爆炸沖擊波的影響下，炸心正下方鋪裝層及空心板頂面混凝土出現局部壓縮破壞，空心板挖空處及背爆面的混凝土出現沿鋼筋方向的拉伸破壞；隨著炸藥當量的增加，爆炸作用下空心板構件的破壞形式表現為由彎曲破壞向彎曲-沖剪耦合破壞發展，同時，鉸縫的狀態影響空心板構件的損傷狀況，在數值模擬中應考慮鉸縫的損傷狀況。