爆炸荷載作用下鐵路高墩毀傷有限元模型研究

管 曄，羊 勇，常春偉，王 瑋

(1.軍事交通學院 國防交通系，天津 300161； 2.鄭州戰(zhàn)略投送基地，鄭州 450000)

● 基礎(chǔ)科學與技術(shù) Basic Science & Technology

爆炸荷載作用下鐵路高墩毀傷有限元模型研究

管 曄1，羊 勇2，常春偉1，王 瑋1

(1.軍事交通學院 國防交通系，天津 300161； 2.鄭州戰(zhàn)略投送基地，鄭州 450000)

為研究爆炸荷載作用下鐵路高墩橋毀傷機理，探尋影響鐵路高墩戰(zhàn)場生存能力的因素及規(guī)律，考慮自由空氣爆炸荷載作用，利用顯示動力有限元計算程序Ansys/LS-DYNA，建立鐵路高墩毀傷模型，分析高墩整體毀傷情況，分離出主要毀傷區(qū)域，建立高墩局部仿真模型。通過仿真計算分析，并與整體高墩模型結(jié)果進行比較得出，墩身毀傷的形態(tài)分布和變化規(guī)律均較一致，采用鐵路高墩局部仿真方法對其進行毀傷研究合理有效。

鐵路高墩；爆炸荷載；高墩整體模型；高墩局部模型

鐵路橋梁在鐵路運輸網(wǎng)中比重大，是跨越地形障礙的主要方式[1]。鐵路高墩作為鐵路橋梁中的支撐結(jié)構(gòu)和重要部分，多采用經(jīng)濟且具有良好力學性能的薄壁空心形式，戰(zhàn)時易遭受精確制導武器打擊破壞，搶修搶建難度大，破壞后短期不易恢復。因此，對爆炸荷載作用下鐵路高墩毀傷機理進行研究，有助于理清影響鐵路高墩戰(zhàn)場生存能力的影響因素及規(guī)律，對鐵路高墩抗爆設(shè)計有很強的理論意義，是鐵路橋梁建設(shè)貫徹國防要求和鐵路橋梁搶修技術(shù)研究的基礎(chǔ)，對鐵路橋梁戰(zhàn)時防護和快速修復有重要的應(yīng)用價值。

1 鐵路高墩有限元模型的建立

1.1 某鐵路高墩概況

某鐵路高墩結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土空心板殼結(jié)構(gòu)，墩身高30 m，截面形式為空心矩形，截面尺寸為500 cm×250 cm，壁厚60 cm，墩身上下等截面，混凝土標號C40，混凝土保護層厚度5 cm，縱筋為Φ20HPB235，鋼筋間距為10 cm。矩形截面尺寸及配筋分布如圖1所示，鐵路高墩實體模型如圖2所示。

圖1 矩形空心截面尺寸及配筋示意(單位：cm)

圖2 矩形空心高墩

1.2 單元的選擇

本文采用分離式共節(jié)點方法建立鐵路高墩有限元模型，鋼筋采用三維梁單元BEAM161，混凝土采用三維顯式實體單元SOLID164，綜合考慮模型規(guī)模和計算精度，網(wǎng)格尺寸取5 cm，高墩底部采用固定約束，頂部采用滑移支座約束。

1.3 高墩結(jié)構(gòu)材料模型選取

鋼筋采用雙線性彈塑性模型，應(yīng)變率效應(yīng)對材料強度及失效應(yīng)變的影響是通過Cowper-Symonds模型進行考慮的[2-4]，見式(1)：

(1)

混凝土采用混凝土損傷模型，使用初始屈服面、極限強度面和軟化強度面3個強度破壞面描述混凝土材料的塑性性能，見式(2)～式(4)，考慮了混凝土材料的彈性斷裂能、應(yīng)變率效應(yīng)、約束效應(yīng)等混凝土材料特性。

最大失效面：

(2)

殘余失效面：

(3)

初始屈服失效面：

(4)

式中：p為壓力；a0、a1、a2、a1f、a2f、a0y、a1y、a2y為材料常數(shù)，由單軸抗壓試驗和三軸受壓試驗確定。

鋼筋材料參數(shù)：密度為7 830 kg·m-3；E為2.06×105MPa；泊松比為0.28；屈服極限為395 MPa；切線模量為6.18×103MPa；β為0；C為40 s-1；P為5；失效應(yīng)變?yōu)?.05。混凝土材料參數(shù)：密度為2 550 kg·m-3；泊松比為0.20；軸心抗壓強度為26.8 MPa。

1.4 爆炸荷載的施加

本文只考慮爆炸沖擊波對鐵路高墩的毀傷效應(yīng)，忽略爆炸碎片、爆炸地震及爆炸引起的次生災(zāi)害等對高墩的毀傷，因此采用Conwep程序計算爆炸荷載，并加載到結(jié)構(gòu)物迎爆面。Conwep程序依據(jù)的是美國陸軍技術(shù)手冊TM5-855-1提供的經(jīng)驗公式和爆炸荷載曲線，此算法可模擬空氣爆炸和地面爆炸，考慮了爆炸的入射角、入射壓力和反射壓力的影響[5]：

F=Frcos2θ+Fi(1+cos2θ-2cosθ)

(5)

式中：F為爆炸荷載壓力；Fr和Fi分別為反射壓力和入射壓力；θ為起爆點到加載點連線與迎爆面法線方向的夾角。

2 典型工況下鐵路高墩爆炸毀傷仿真分析

鐵路高墩迎爆面為矩形截面長邊對應(yīng)的面，起爆點在墩身豎向?qū)ΨQ面上，距迎爆面垂直距離3 m(即爆炸距離)，爆炸當量400 kg，自由空氣爆炸的起爆點高度為15 m，炸藥與高墩的相對位置如圖3所示。

圖3 自由空氣爆炸下炸藥與高墩的相對位置

圖4給出了自由空氣爆炸下鐵路高墩毀傷的有效塑性應(yīng)變云圖。高墩迎爆面中心區(qū)域成彎剪破壞，混凝土結(jié)構(gòu)損傷嚴重，局部產(chǎn)生塑性變形，墩身中心區(qū)域大量混凝土單元因為損傷而退出工作，出現(xiàn)近似橢圓毀傷區(qū)，并在墩身迎爆面與側(cè)面連接處出現(xiàn)上下貫穿的縱向裂紋。墩身背面成彎曲破壞，分布少量塑性區(qū)，墩身中心區(qū)毀傷較為明顯，存在多條上下貫穿的縱向裂紋。墩身側(cè)面中心區(qū)域塑性區(qū)分布由迎爆面至背爆面逐漸縮小，分布較多局部縱向裂紋，主要是受到拉伸破壞，且分布情況與反射拉伸波的波形相似。

(a)正面 (b)背面 (c)側(cè)面圖4 自由空氣爆炸下鐵路高墩毀傷有效塑性應(yīng)變云圖

總體上看，以爆炸位置所在水平面為中心，墩身中心毀傷最嚴重，縱向表現(xiàn)為由中心向上下兩端逐漸減弱，橫向表現(xiàn)為由墩身正面向背面逐漸減弱，數(shù)值仿真的毀傷結(jié)果與應(yīng)力波的傳播和作用過程相符合，鐵路高墩毀傷數(shù)值仿真模型較好地模擬了爆炸荷載作用下鐵路高墩的毀傷現(xiàn)象。

從鐵路高墩墩身整體毀傷情況來看，鐵路高墩毀傷主要集中在爆炸位置所在水平面的中心區(qū)域，其余部分毀傷較小。因此，此區(qū)域的毀傷結(jié)果是鐵路高墩毀傷的研究重點，是探索毀傷規(guī)律的關(guān)鍵區(qū)域。為解決網(wǎng)格尺寸、計算規(guī)模和計算精度的問題，本文建立在爆炸荷載作用下鐵路高墩中心區(qū)域局部模型，并驗證其合理性。

3 鐵路高墩爆炸毀傷局部細化仿真分析

3.1 局部細化仿真模型

由上述鐵路高墩整體模型仿真結(jié)果可見，取爆心水平位置上下5 m處區(qū)域進行局部細化仿真。主要建模方法及參數(shù)設(shè)置同整體仿真模型，并根據(jù)結(jié)構(gòu)毀傷的對稱性，局部仿真模型設(shè)置對稱面約束，建立對稱模型，減小計算模型規(guī)模。因墩身中心區(qū)域占總體的比例較小，上下兩端可近似認為是無限長，不考慮應(yīng)力波在上下邊界的反射作用，上下兩端設(shè)置為無反射邊界，鐵路高墩局部細化仿真的實體模型如圖5。

(a)墩身局部

(b)混凝土

(c)鋼筋圖5 鐵路高墩毀傷局部細化仿真實體模型

3.2 墩身毀傷比例

本文定義墩身毀傷比例是指爆炸荷載作用下墩身的毀傷程度，考慮到鐵路高墩是以受壓為主的構(gòu)件，可以使用豎向剩余承載力作為評估墩身毀傷程度的破壞準則，且墩身最小橫截面的面積對墩身豎向剩余承載力的評估影響最大，因此本文使用鐵路高墩最小橫截面的面積毀傷比例來衡量爆炸荷載作用下鐵路高墩的毀傷情況。起爆點所在平面的墩身橫截面(以下簡稱中心截面)是最小橫截面，以此平面的毀傷比例為墩身毀傷比例。定義墩身毀傷比例為

D=1-A剩余/A0

(6)

式中：A剩余為墩身毀傷最大處橫截面的剩余面積(即中心截面剩余面積)，可以從仿真結(jié)果中計算得出；A0為墩身橫截面初始面積。

3.3 局部細化模型與整墩模型仿真結(jié)果對比

為驗證局部細化仿真的準確性和有效性，取網(wǎng)格尺寸5 cm，進行鐵路高墩毀傷效應(yīng)局部細化仿真計算，并與整體的仿真計算結(jié)果進行對比分析(如圖6～圖8所示)。

(a)整體仿真墩身正面

(b)局部細化仿真墩身正面

(c)整體仿真墩身中心截面

(d)局部細化仿真墩身中心截面圖6 整體仿真與局部細化仿真的毀傷效果對比

(a)整體仿真墩身正面

(b)局部細化仿真墩身正面

(c)整體仿真墩身中心截面

(d)局部細化仿真墩身中心截面圖7 整體仿真與局部細化仿真的墩身中心位移云圖對比

(a)整體仿真

(b)局部細化仿真圖8 整體仿真與局部細化仿真的毀傷比例時程曲線

局部細化仿真和整體仿真的結(jié)果相比，裂紋、有效塑性應(yīng)變、位移的分布情況和墩身截面毀傷形態(tài)都較為相似，墩身毀傷比例時程曲線的變化規(guī)律和計算結(jié)果比較接近。局部細化仿真能夠較好地模擬墩身中心區(qū)域的毀傷形態(tài)和相關(guān)規(guī)律，相比整墩仿真計算規(guī)模更小，可采用更小的網(wǎng)格尺寸用以獲得更高的計算精度。因此，采用鐵路高墩局部細化仿真方法對鐵路高墩毀傷進行研究合理、有效。

4 結(jié) 論

本文考慮自由空氣爆炸荷載作用，利用顯示動力有限元計算程序Ansys/LS-DYNA，分別建立整體鐵路高墩模型和局部鐵路高墩模型，并進行仿真計算，通過分析比較兩者的毀傷分布規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)建立在爆炸荷載作用下合理的鐵路高墩有限元模型，通過對典型工況下鐵路高墩的毀傷進行數(shù)值仿真，可見以爆炸位置所在水平面為中心，墩身中心毀傷最嚴重，縱向表現(xiàn)為由中心向上下兩端逐漸減弱，橫向表現(xiàn)為由墩身正面向背面逐漸減弱，毀傷結(jié)果與應(yīng)力波的傳播和作用過程相符合，鐵路高墩毀傷數(shù)值仿真模型較好地模擬了爆炸荷載作用下鐵路高墩的毀傷現(xiàn)象。

(2)依據(jù)鐵路高墩整體模型分析的結(jié)果，建立局部毀傷重點區(qū)域的有限元模型，并與整體仿真的結(jié)果對比，墩身毀傷的形態(tài)分布和變化規(guī)律均較一致。因此，采用鐵路高墩局部細化仿真方法對鐵路高墩毀傷進行研究是合理有效的，相比整墩仿真計算規(guī)模更小，為采用更小網(wǎng)格尺寸的高精度計算分析奠定了基礎(chǔ)。

(3)對鐵路高墩采用局部高有限元數(shù)值仿真分析，有助于進一步細化和進行高精度計算，理清了影響鐵路高墩戰(zhàn)場生存能力的影響因素及規(guī)律，是鐵路橋梁建設(shè)貫徹國防要求研究和鐵路橋梁搶修技術(shù)研究的基礎(chǔ)，對高墩戰(zhàn)時防護和快速修復有重要的應(yīng)用價值。

[1] 伍建強．大跨連續(xù)剛構(gòu)橋抗導彈沖擊能力分析及搶修技術(shù)初步研究[D]．成都：西南交通大學，2006．

[2] ISLAM AKMA，YAZDANI N．Performance of AASHTO girder bridges under blast loading[J]．Engineering Structures，2008，30(7):1922-1937．

[3] 楊喻淇，曾祥國，韓榮輝，等．爆炸荷載作用橋梁動力響應(yīng)及損傷的數(shù)值模擬[J]．四川建筑科學研究，2012，38(5)：19-23．

[4] 李天華．爆炸荷載下鋼筋混凝土板的動態(tài)響應(yīng)及損傷評估[D]．西安：長安大學，2012．

[5] 羊勇，常春偉，管曄，等.基于conwep方法的鋼筋混凝土板毀傷研究[J]．軍事交通學院學報，2015，17(12):74-78．

(編輯：史海英)

Finite Element Model of Railway High Pier Damage Under Explosive Load

GUAN Ye1, YANG Yong2, CHANG Chunwei1, WANG Wei1

(1.National Defense Traffic Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.Zhengzhou Strategic Projection Base, Zhengzhou 450000, China)

To study the damage mechanism of railway high pier under explosive load and seek the factors and rules influencing battlefield viability of railway high pier, considering the explosive loading of free air, the paper firstly establishes railway high pier damage model with Ansys/LS-DYNA software. Then, it analyzes the damage state of the high pier and isolates the main damage area, and establishes local simulation model of high pier. By simulating calculating and comparing with the result of the whole model, it shows that the species distribution agrees with change rule and local simulation method of railway high pier is reasonable and effective for damage research.

railway high pier; explosive load; whole model of high pier; local model of high pier

2016-11-02；

2017-02-16． 作者簡介： 管 曄(1981—)，女，博士，講師．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.07.021

TU311.3

A

1674-2192(2017)07- 0090- 05