PDF《爆炸冲击作用下预制节段拼装桥墩的 动态响应与损伤分析* 》

? DOI:10.

11883/bzycj-2017-0429 爆炸冲击作用下预制节段拼装桥墩的 动态响应与损伤分析*? 杨????旭,张于晔,张????宁 (南京理工大学土木工程系,江苏 南京 210094) 摘要: 为研究爆炸冲击作用下预制节段拼装桥墩的动态响应与损伤,采用 ANSYS/LS-DYNA 建立圆形 截面预制节段拼装桥墩受爆的三维实体分离式模型.通过与已有实验结果的对比分析,验证了该模拟方法 的可靠性.基于该模型,研究了爆炸冲击作用下节段长细比、初始预应力水平及桥墩体系对圆形截面预制 拼装桥墩动态响应与损伤的影响规律.结果表明:减小节段长细比使墩身由剪切破坏逐渐变为节段间相对 位移,并减小墩身的整体侧向位移;

提高初始预应力水平可以在一定程度上提高桥墩的抗爆性能;

爆炸冲击 作用下混合体系桥墩兼具完全节段和整体现浇桥墩的破坏特征. 关键词: 节段拼装桥墩;

爆炸响应;

抗爆性能;

损伤分析 中图分类号: O383 国标学科代码:

13035 文献标志码: A 为提高桥梁的抗爆能力,重要桥梁工程结构和构件的抗爆性能亟待提高.关于桥梁的抗爆性能已 有较多研究[1-2] .张宇等[3] 在总结桥梁结构抗爆的基础上,认为起主要支撑作用的桥墩对爆炸冲击的敏 感性较大.Suthar[4] 通过对比地震作用与爆炸冲击作用下桥墩的破坏模式,发现桥墩在爆炸冲击作用下 会发生局部破坏,但不会产生较大水平位移.Williams 等[5] 基于整体现浇桥墩的受爆实验,认为在桥墩 抗爆性能中抗剪设计比抗弯设计更重要.在一些大型桥梁中,预制拼装桥墩已被一定程度地应用[6-7] . 王震等[8] 、Bu 等[9] 、Zhang 等[10] 对其地震作用和冲击荷载展开了理论分析、实验研究及数值模拟工作. 但爆炸冲击不同于低速冲击和地震作用,其瞬时冲击会对桥墩造成巨大的剪切效应,且预制拼装桥墩由 于墩身不连续而抗剪能力较弱,故有必要深入研究预制节段桥墩在爆炸作用下的响应及其抗爆性能. 本文中基于 ANSYS/LS-DYNA 建立圆形截面预制节段拼装桥墩的三维实体分离式模型,结合实验 数据验证该三维分离式模型的准确性;

在此基础上,讨论节段长细比、初始预应力水平和桥墩体系类型

3 种关键设计因素对圆形截面预制节段拼装桥墩的爆炸响应及损伤影响;

通过对爆炸冲击作用下各预制 拼装桥墩动态响应与损伤结果的对比分析,研究此类桥墩的抗爆性能及其关键影响因素,以期为今后预 制装配式桥墩的抗爆设计与研究提供参考.

1 有限元模型 1.1 模型介绍 基于 Rutner 等[11] 对桥墩的调查,选取的桥墩结构原型如图

1 所示.有限元模型取桥墩的主要部分,如图2(a) 所示.目前对节段拼装桥墩的抗爆试验还没有统一的尺寸标准,但根据美国太平洋地震工程研 究中心(PEER)[12] 的桥墩尺寸统计,抗震试验桥墩直径多为 40~50?cm.本文中取墩高为 3?m,圆形截面 直径为 0.5?m.按规范 JTG?D62―2004[13] 对墩身进行配筋.纵筋采用

10 根16?mm 钢筋,截面配筋率 * 收稿日期: 2017-11-24;

?修回日期: 2018-05-14 基金项目: 国家自然科学基金(51508276);

国家山区公路工程技术研究中心开放基金(GSGZJ-2017-02);

江苏省研究生科 研与实践创新计划(KYCX17-0371) 第一作者: 杨旭(1995― ),男,硕士研究生,[email protected];

通信作者: 张于晔(1986― ),男,博士,副教授,[email protected]. 第?39?卷????第?3?期爆????炸????与????冲????击Vol.?39,?No.?3 2019?年?3?月EXPLOSION?AND?SHOCK?WAVES Mar.?,?2019 035104-1 1.02%,箍筋采用 8?mm 钢筋,箍筋间距 10?cm,混凝土保护层厚度取 4?cm.采用共节点法来假设钢筋和 混凝土之间位移完全协调[14] ,如图 2(b) 所示. 不同炸药当量可换算为 TNT 炸药当量[15] ,鉴于恐怖炸弹规模的推算[16] 及本文研究重点,炸药当量 拟取 52?kg?TNT,爆炸中心离墩身表面 2?m.炸药高度按文献 [1] 对不同车型的汽车炸弹 TNT 当量及爆 炸高度大致范围的统计结果,取爆炸中心离地面 0.2?m. 混凝土、空气及炸药采用 Solid164 单元,钢筋采用 Beam161 单元.通过网格收敛性分析,对于桥墩 节段,混凝土网格边长约为 2.5?cm,钢筋网格边长 3?cm,空气网格 2.5?cm.采用 ALE?(arbitrary?Lagrange- Euler)?算法实现流固耦合动态分析,空气四周设置为无边界反射条件. 模拟中,桥梁结构上部恒载考虑为墩身设计轴压的 20%,在模拟过程中保持不变.在预制节段拼装 桥墩中,对墩身施加预应力,一般设置初始预应力值使得初始轴压比为 10%(即初始预应力水平为 10%). 为模拟节段拼装桥墩的边界条件,模型中采用简化的盖梁与基础,根据文献 [17] 对船撞击桥墩的模 拟结果,在模拟中对基础施加固定边界.为防止节段间混凝土的相互渗透,节段间采用面面自动接触算 法控制.根据文献 [18] 的建议,节段间静摩擦因数取 1.0,动摩擦因数取 0.8,指数衰减因数取 0.5. 1.2 材料参数及破坏控制 正确选取材料的本构模型是模拟的关键.LS-DYNA 对空气及 TNT 炸药提供了不同的材料,并与 状态方程联用描述其压力-体积关系.空气和 TNT 炸药的材料模型、状态方程及主要参数见表 1. 对于钢筋,考虑其应变率效应,采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 进行定义,应变率用 Cowper- Symonds 模型来考虑.材料参数见表 2. *MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE?(HJC) 材料模型被广泛用于大应变、高应变速率和高 压下混凝土的模拟.预制节段拼装桥墩属于装配式混凝土结构,根据装配式混凝土结构技术规程[19] ,桥 墩材料取 C50 混凝土,参数见表 3. 为了准确控制混凝土的破坏对模拟结果的影响,在模型试算时,提取了迎爆面中心的混凝土应变 表?1????空气及 TNT 炸药材料模型及主要参数 Table