爆炸荷載作用下簡支轉連續T梁橋損傷及剩余承載力研究

付佳欣

（北京工業大學，北京 100124）

0 引言

我國是交通大國，橋梁作為交通線路建設中的關鍵工程，既是平時保障交通線路正常運行的控制性路段，也是戰爭中重點爭奪和控制的對象[1-2]。軍事戰爭以及日常事故引起的爆炸荷載都會對橋梁造成嚴重的破壞[3-5]，不僅會造成巨大的經濟損失，還會嚴重威脅交通通行的安全。基于此，以某三跨預應力混凝土簡支轉連續T梁橋為例，利用LS-DYNA和MIDAS軟件對預應力混凝土簡支轉連續T梁進行爆炸荷載作用下破壞損傷和剩余承載力的模擬研究，對橋梁毀傷前后的橋梁承載力進行對比分析。

1 工程概況

某橋梁工程為（3×34.5）m的三跨預應力混凝土簡支轉連續T梁橋，橋寬20m，T梁截面高度2.4m。橋梁上部結構采用C50混凝土，預應力鋼束采用φs15.2低松弛鋼絞線，Ep=1.95×105 MPa,抗拉強度標準值1860MPa，預應力張拉控制應力1395MPa。預應力孔道采用預埋塑料波紋管，k=0.0015，μ=0.17。橋梁的平面圖如圖1所示，預應力鋼筋布置分別如圖2所示。

圖1 橋梁平面示意圖

圖2 T梁預應力鋼筋布置圖

2 爆炸荷載作用下簡支轉連續T梁損傷分析

2.1 模型建立

為了提高計算效率，節省計算時間，利用LS-DYNA軟件選取等截面三跨預應力簡支轉連續T梁橋的一跨來分析，建立與原型橋一致的模型，模擬橋梁在爆炸作用下的損傷。混凝土單元采用solid164單元，鋼筋與預應力鋼束均采用beam161單元。鋼筋和預應力鋼束網格尺寸橫向與縱向均為5cm，跨中混凝土網格尺寸橫向與縱向均為5cm，靠近兩側支座的混凝土橫向網格尺寸為5cm，縱向網格尺寸為10cm。全橋混凝土單元數量3565200，鋼筋單元數量為865400，預應力鋼束單元數量為31200。有限元模型如圖3所示。

圖3 預應力鋼筋混凝土T梁有限元模型

鋼筋材料使用塑性隨動模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型[6]，鋼筋材料參數如表1所示。

表1 鋼筋材料參數表

混凝土材料模型采用*MAT_CONCRETE_DAMAGE_REL3模型[6]，混凝土參數如表2所示。

表2 混凝土材料參數表

2.2 T梁損傷分析

利用LS-DNYA軟件共模擬了5種典型工況[7]，分別為：（1）橋面板100kg炸藥當量爆炸；（2）橋面板200kg炸藥當量爆炸；（3）橋面板300kg炸藥當量爆炸；（4）橋面板400kg炸藥當量爆炸；（5）橋面板500kg炸藥當量爆炸。由于爆炸工況復雜，下面以300kg炸藥當量爆炸為例，說明在T梁跨中橋面板上爆炸時的損傷情況。

工況3炸藥當量為300kg，在T梁跨中橋面板上爆炸，損傷云圖如圖4所示。

圖4 300kg炸藥當量爆炸情況下T梁損傷云圖

從圖4中可以看出，在T梁跨中橋面板發生爆炸后，T梁的橋面板被炸出孔洞，孔洞類似長方形，長為3.0m，寬為2.0m。洞口周圍的混凝土雖未完全破壞，但與周圍相鄰的混凝土已失去可靠粘結，洞口內的箍筋與縱向鋼筋均已斷裂。在洞口周圍，出現了明顯的混凝土環形壓碎區，在壓碎區邊緣處形成了多條30～45°的斜向裂縫，并向四周開展。橋梁形成了多條貫穿全橋的縱向裂縫。從圖4中也可以看出，當炸藥當量為300kg的炸藥在橋面板爆炸時，爆炸荷載對腹板也造成了損傷，爆心所在截面的兩側相鄰4片T梁的腹板被炸斷。

將所有工況的損傷整理見表3。

表3 各工況橋梁損傷表

3 損傷后T梁剩余承載力分析

3.1 模型建立

建立MIDAS原橋模型，為了方便模擬損傷后的橋梁，使用梁格法建立全橋模型。定義主梁混凝土，縱向預應力筋，普通鋼筋這些材料，建立節點和梁單元并賦予其已經定義的材料類型，輸入截面的具體尺寸。通過定義時間依存材料，控制混凝土材料的收縮徐變。橋梁模型如圖5所示。

圖5 預應力鋼筋混凝土T梁有限元模型

兩端橋臺和1#橋墩處采用滑動支座，約束y、z方向的移動和x、z方向的轉動；2#橋墩處采用固定支座，約束x、y、z方向的移動和x、z方向的轉動。

定義好橋梁的恒荷載、預應力荷載、溫度荷載、和移動荷載。

3.2 T梁損傷模擬結果分析

以LS-DYNA計算模擬損傷結果表3為依據，在有限元軟件MIDAS里，將各個工況損傷后的混凝土單元和鋼筋對應刪除，對爆心周圍沒有被刪除的混凝土單元進行剛度折減，研究不同炸藥當量對橋梁整體承載力的影響。

等截面三跨預應力簡支轉連續T梁，考慮到對稱性，爆炸荷載位置選取橋梁5個典型位置：位置A，第一跨靠近0#橋臺支點處；位置B，第一跨跨中；位置C，靠近1#橋墩左側支點處；位置D，靠近1#橋墩右側支點處；位置E，第二跨跨中處，如圖6所示。分別在這5個典型位置施加100kg、200kg、300kg、400kg和500kg當量的炸藥。選取T梁9個典型位置截面，分析其在不同爆炸荷載作用下的承載力，如圖7所示。

圖6 爆炸典型位置

圖7 典型位置觀測截面

1～9位置在成橋正常使用階段未發生破壞時截面在最小荷載組合作用下，如表4所示。

表4 正常使用階段預應力簡支轉連續T梁典型截面彎矩表

將A、B、C、D、E五個截面在100～500kg炸藥當量下所有工況進行模擬，計算整理在最小荷載組合作用下截面的彎矩，計算結果匯總至圖8。

圖8 截面彎矩圖

由圖8可知，在同一個爆炸位置時，隨著炸藥當量的增加，爆炸影響范圍也隨之增加，對截面的彎矩和正截面抗彎承載力的影響也越來越大。爆炸只對所在跨徑的結構有影響，對其他跨徑的橋梁結構影響很小。當爆炸位置在第一跨靠近0#橋臺支點處和第一跨跨中處時，在9個截面中對截面1的影響最大，其最大彎矩相較于破損前橋梁截面彎矩增大了51.46%和86.46%；當爆炸位置在靠近1#橋墩左側支點處時，在9個截面中對截面1和截面2都有較大影響，其中對截面2影響最大，最大彎矩相較于破損前橋梁截面彎矩增長了162.89%；當爆炸位置在靠近1#橋墩右側支點處時，在9個截面中對截面4、截面5和截面6都有較大影響，其中對截面4的影響最大，最大彎矩相較于破損前橋梁截面彎矩增長了118.68%；當爆炸位置在第二跨跨中處時，在9個截面中對截面4、截面5和截面6都有較大影響，其中對截面5的影響最大，最大彎矩相較于破損前橋梁截面彎矩增長了115.58%。

綜合分析各個工況的彎矩圖，本文研究的簡支轉連續T梁橋兩個支點處（截面3和截面7）的彎矩始終都沒有超過最大承載力；當爆炸荷載作用于T梁跨中位置時，對橋梁整體承載力的影響最顯著。

4 結束語

本文以預應力簡支轉連續T梁橋為研究對象，建立了LS-DYNA有限元分析模型，探究了爆炸當量和爆炸位置對連續T梁橋的損傷影響，進而結合MIDAS軟件模擬了相應的爆炸損傷對橋梁整體承載力的影響。得出以下結論：

（1）當爆炸荷載作用在簡支轉連續T梁橋面板上時，形成了類似長方形孔洞，孔洞面積隨著炸藥當量的增加而變大。腹板的損傷程度會隨著炸藥的增加而增加，腹板損傷數量也會隨之增多。且當炸藥當量為100～500kg時，T梁橋橫截面都沒被炸斷，T梁橋的結構體系并未發生改變。

（2）當爆炸荷載作用在簡支轉連續T梁橋面板上時，當爆炸位置相同時，隨著炸藥當量增加，爆炸對橋梁的正常使用性能和正常使用極限狀態（承載能力）影響增大，且爆炸影響的范圍逐步增大，但爆炸只對所在跨徑結構彎矩的影響大，對其他跨徑彎矩的影響很小；當炸藥當量相同時，在跨中處爆炸對簡支轉連續T梁橋彎矩和正截面抗彎承載力的影響比在靠近支座處爆炸時影響大。