混凝土T梁在爆炸作用下的損傷分析

姜天華，楊云鋒，龔　杰，蔡路軍

(1.武漢科技大學城市建設學院，武漢 430065；2. 武漢科技大學理學院，武漢 430065)

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混凝土T梁在爆炸作用下的損傷分析

姜天華1，楊云鋒1，龔杰1，蔡路軍2

(1.武漢科技大學城市建設學院，武漢 430065；2. 武漢科技大學理學院，武漢 430065)

摘要：以義昌大橋為原型，設計制作了混凝土簡支T梁模型，并對其進行了不同爆炸高度和炸藥藥量組合下的爆炸試驗研究，分析了簡支T梁模型在不同爆炸高度和不同藥量下的損傷特性。同時應用ANSYS/LS-DYNA軟件仿真分析了簡支T梁模型的位移與加速度變化。研究結果表明，在爆炸作用下，混凝土T梁結構的位移響應對爆炸高度更敏感，而且混凝土超聲波檢測技術對于爆炸荷載作用下模型損傷程度的定量分析有很大的幫助。

關鍵詞：簡支T梁；損傷特性；仿真分析；超聲波檢測

2013年2月連霍高速澠池段一輛載滿煙花爆竹的貨車發生爆炸，引起義昌大橋橋面斷裂，造成巨大的人員傷亡和財產損失。為了研究爆炸荷載對橋梁結構的影響，該文以義昌大橋為原型制作了試驗模型，進行了爆炸試驗，并通過軟件仿真分析了爆炸荷載對結構的損傷影響。

1試驗研究

1.1　試驗模型

試驗以義昌大橋為原型制作了6片長1.2 m、寬0.35 m、高0.372 m的縮尺混凝土簡支T梁模型。為了便于數據采集，每兩片T梁之間采用濕接法連接成整體，設置了端橫隔板和翼緣板濕接縫。在試驗模型上除了布置應變片和加速度傳感器試驗來測試爆炸荷載引起的振動加速度和應變外，還應用了智能超聲波檢測儀對爆炸前后的混凝土試件進行測試。試驗模型如圖1所示。

混凝土超聲波檢測是目前混凝土無損檢測最常用的技術。試驗采用智能超聲波檢測儀對爆炸前后的混凝土試件進行測試和數據采集，并對數據進行分析，用超聲波在混凝土中波速的變化反映混凝土在爆炸荷載作用下的損傷程度[1,2]。

1.2　試驗方案

考慮在不同爆炸高度和藥量下橋梁的爆炸響應，爆炸高度每次變化10 cm，藥量每次增加爆破裝藥量20 g。爆破測試方案見表1。在爆炸試驗的前后在T梁上選取4個測量切面(梁長度方向的1/4處和1/2處，梁寬的1/4處和1/2處)作為智能超聲波檢測儀測試點， 4個測點的波速值V(m/s)如表2所示。

表1　爆破測試方案

表2　波速測試值V　/(m·s-1)

1.3　試驗結果

為了讓結果更直觀，將每個測點波速的變化情況做成曲線圖，如圖2所示。

由表2及圖3可知，試驗前每個測點的波速測試值不完全一致，原因是混凝土配制、振搗不均勻，但是數值上差距不大，均在3 800 m/s左右。第1次爆破之后，四個測點的波速值均有不同程度的降低，這說明第1次爆破之后，混凝土內部出現了細微裂紋，導致了超聲波的傳播速度減慢。第2次爆炸之后，4個測點的波速也均有減少，從圖中可以觀察到減少程度比較一致，這說明第2次爆炸之后沒有產生新的集中裂紋，只是之前的裂紋有一定程度的發展。第3次爆炸之后，4個測點的波速也均有不同程度的減少，其中測點1和測點3降低比較明顯，說明測點1和測點3截面相交的位置出現了新的集中裂紋，這正好印證了第3次試驗的爆炸位置正好對應的這個位置。第四次爆炸之后，4個測點的波速均有很大幅度的下降，比之前3次試驗降低幅度大得多。這說明第四次試驗當爆炸距離減少為零時，T梁受到了很大的損害。

2數值分析

2.1　模型建立

采用ANSYS/LS-DYNA軟件對簡支T梁模型的動態響應進行仿真分析時，應考慮該結構具有對稱性的特點，建模時只建立兩片梁進行計算[3-5]。用三維實體單元劃分網格：其中沿梁的長度方向劃分為48等份，沿梁的寬度方向劃分為28等份；沿梁高方向劃分為14等份，其中翼緣板部分劃分為4等份，梁肋部分劃分為10等份。如圖3所示，模型共劃分10 944個單元。

2.2　位移分析

采用LS-PREPOST讀入結果數據文件，得到7號單元的位移最大最明顯，故取用7號單元來研究爆炸荷載作用下T梁的位移。提取9次加載之后的7號單元的位移時程曲線和最大位移值，如表3和圖4所示。

表3　最大位移值

由圖4可知，在爆炸距離逐漸變小和炸藥藥量逐漸增大時，T梁單元的最大位移也逐漸變大，前6種荷載是在爆炸高度20 cm和10 cm下，藥量從20 g增加到60 g，可以發現，最大位移值增長得比較緩慢，當爆炸高度降低為零時，20 g藥量的爆炸荷載比60 g炸藥在10 cm爆炸高度的荷載要大得多，藥量從20 g到40 g變化時，最大位移值迅速增大，但是增大的趨勢在減小，而爆炸高度變化時曲線斜率都會有一個很大的突變，這說明混凝土T梁模型的位移響應對爆炸高度的敏感性要明顯高于炸藥藥量。

2.3　加速度分析

采用LS-PREPOST讀入結果數據文件，翼緣板位置選取877號節點，梁肋選取5 573號單元的最大加速度來分析9種荷載作用下T梁翼緣板和梁肋的加速度響應。將翼緣板和梁肋在同一荷載作用下的最大加速度值放在一起進行對比分析，其數值模擬[6]結果如表4和圖5所示。

表4　翼緣板和梁肋最大加速度值

由表4和圖5可以看出，梁肋最大加速度值曲線和翼緣板最大加速度值曲線十分接近，特別是在前6次荷載作用下，曲線是幾乎重合的，說明最大加速度值非常接近，在爆炸高度降低為零時，翼緣板和梁肋的最大加速度值都發生了很大的突變，這說明混凝土T梁模型的動態響應對爆炸高度的敏感性要明顯高于炸藥藥量。從曲線可以看出在爆炸高度為零的三個荷載作用下，最大加速度的增長趨勢是接近的，但是數值上已經區分開來了，翼緣板比梁肋要高出許多。

3結論

a.混凝土超聲波檢測技術的采用取得了比較好的效果，可以推廣作為爆炸試驗研究中比較有效實用的手段。通過檢測波速值的改變來反映試驗中我們肉眼看不到的混凝土結構的內部損傷，由此來對爆炸荷載作用下模型的損傷程度進行定量分析。

b.混凝土T梁模型的位移響應對爆炸高度的敏感性要明顯高于炸藥藥量。當炸藥藥量增加時，位移值會迅速增大，但與高度降低時位移值的增加相比，有很大差距。

參考文獻

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[2]Dakhakhni W W, Mekky W F, Changiz S H. Vulnerability Screening and Capacity Assessment of Reinforced Concrete Columns Subjected to Blast[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities, 2009, 23(5): 353-365.

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[5]陳華燕,曾祥國,朱文吉,等.爆炸荷載作用下橋梁動態響應及其損毀過程的數值模擬[J]. 四川大學學報(工程科學版),2011(6):15-19,97.

[6]胡世高. 爆炸荷載作用下鋼筋混凝土梁的動力響應及數值模擬[D].武漢：武漢科技大學,2013.

Damage Analysis of Concrete T-section Beam Under Explosive Impact

JIANGTian-hua1，YANGYun-feng1，GONGJie1，CAILu-jun2

(1.School of Urban Construction, Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065, China；

2.College of science, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, China)

Abstract:Based on the prototype of Yichang Bridge, this paper designed and made the simply-supported T beam model of concrete, and studied the explosion experiment that combined different explosion height and different explosive amount, analysed the damage characteristics of simply-supported T beam model that under the different explosion height and different explosive amount. At the same time, by using ANSYS/LS-DYNA software we did the simulation analysis of the variation of displacement and acceleration for simply-supported T beam model. The research results show that under the action of explosion, the displacement response of concrete T beam structure is more sensitive to the exploding height, and the technology of testing concrete by ultrasonic has a lot of help for the quantitative analysis of the model’s damage degree under the action of explosion load.

Key words:simply-supported T beam;damage characteristics;simulation analysis;testing by ultrasonic

作者簡介：姜天華(1971-)，教授.E-mail:wustjth@sohu.com

基金項目：湖北省自然科學基金項目(2014CFB822，2014CFB823)和國家自然科學基金(51278391).

收稿日期：2015-10-19.

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.06.011