爆炸載荷下典型橋梁表面應變測試及分析

張 燦, 張春燕, 孔德仁, 薛超陽, 徐春冬

(南京理工大學 機械工程學院,江蘇 南京 210094)

橋梁在使用壽命內會面臨著意外爆炸和恐怖襲擊等潛在威脅,爆炸載荷作用下橋梁結構表面應變是評價橋梁易損性的基礎支撐,準確測量橋梁表面應變對橋梁防護設計、易損性評價及毀傷評估具有重要的工程意義。部分學者基于仿真分析對橋梁進行研究[1-3],但是仿真結果的準確性與多種因素相關,所以試驗測試在橋梁研究中是必不可少的環節,而應變作為衡量橋梁形變的重要指標,引起了大量學者的關注。

院素靜[4]對T梁橋開展墩柱近場爆炸試驗,結果表明橋底近場爆炸下墩柱中大部分鋼筋瞬時動應變超過其屈服強度,墩底縱筋和箍筋均出現明顯屈服;閆國華[5]對小箱梁橋開展了不同爆心位置、不同當量的爆炸試驗,研究了箱梁橋內部和表面應變變化規律;蔡路軍等[6]基于簡易T梁橋爆炸試驗,研究了翼板和腹板應變變化規律,結果表明翼板橫向應變大于縱向應變,腹板縱向應變大于橫向應變。由于大型橋梁試驗花費巨大的人力物力,所以部分學者針對單獨的混凝土梁部件進行研究。李猛深等[7]通過爆炸壓力模擬器研究了混凝土簡支梁在爆炸沖擊中的變形,應變曲線和仿真結果基本吻合;許凱等[8]通過應變片監測了爆炸環境下鋼筋混凝土梁的動態響應,結果表明爆炸載荷下梁底的應變峰值遠大于梁側的應變峰值。眾多學者對爆炸載荷下橋梁不同部位進行了研究,但是對于大型橋梁表面接觸爆炸工況下橫隔板位置處翼板和腹板的變形情況的研究相對較少。

文章選取典型T梁橋為研究對象,以橋梁表面應變測試和分析為出發點,首先通過仿真分析解決橋梁表面應變測點布設和應變片選型問題,然后設計了橋梁表面應變測試系統,采取了必要的補償和抗干擾措施,最后開展了橋梁表面接觸爆炸試驗并對測試結果進行分析,以期為橋梁表面應變測試和橋梁抗爆設計提供參考。

1 橋梁結構表面應變有限元仿真分析

試驗模型為一跨五梁式T梁橋,橋梁跨中橫截面尺寸如圖1所示,橋梁長10 000 mm,寬3 500 mm高2 300 mm,T梁高度為610 mm。

圖1 橋梁跨中橫截面尺寸

1.1 有限元仿真模型

試驗工況為30 kg TNT在橋面板中間位置接觸爆炸,仿真模型為試驗模型的1/10,混凝土和鋼筋分別采用拉格朗日實體單元和梁單元建模,不考慮鋼筋與混凝土間的粘結滑移,單元之間通過共節點連接[7],空氣域使用歐拉算法,尺寸為460 mm×600 mm×170 mm,沿橋梁縱向包裹半段橋梁,混凝土和空氣網格尺寸統一為10 mm,根據爆炸相似律[4],仿真模型中TNT當量應為30 g,炸藥采用立方體裝藥方式通過填充放置在橋梁上表面跨中位置,起爆點設置在炸藥中心位置,炸藥尺寸為30 mm×30 mm×20 mm,相應的TNT當量為29.34 g,采用ALE多物質流固耦合的方式施加爆炸載荷,以減少單元網格畸變現象[9]。選用強度為C35的混凝土材料和帶損傷破壞的RHT材料模型,炸藥選擇能較好地表征爆轟產物膨脹做功的JWL(Jones-Wilkins-Lee)狀態方程,文獻[3]表明接觸爆炸工況下剪切破壞產生于T梁1/4橫隔板位置。所以仿真中高斯點位置布設如圖2所示,用符號G1～G6表示。

圖2 高斯點位置示意圖

1.2 仿真結果分析

仿真得到的G1、G3、G5高斯點位置縱向(y方向)和橫向(x、z方向)的應變峰值如表 1所列。

表1 測點位置應變峰值

從表 1中可以看出翼板和腹板上縱向與橫向均有較大應變峰值,而腹板底部位置橫向相對縱向應變峰值較小,所以在應變測試中翼板和腹板上應變片需沿橫向和縱向粘貼,腹板底部應變片沿縱向粘貼。

選取高斯點位置應變信號進行能量譜分析,由于仿真時采樣頻率為100 kHz,根據奈奎斯特采樣定理,信號的最高頻率為50 kHz,而仿真得到的應變信號不包含噪聲干擾,所以根據合成信號占比原信號能量的99%選取應變信號的頻率上限,各高斯點位置縱向、橫向頻率上限如表2所示。

表2 測點位置應變頻率上限 單位:kHz

從表 2中可以看出,高斯點位置縱向和橫向應變信號的頻率上限均在4 kHz左右,最大值在G3位置,頻率上限是4.493 kHz。對比主梁和邊梁的相同測點位置可以發現,主梁應變信號頻率上限均大于邊梁應變信號。所以通過分析可以得出,應變測試中應變片的最高工作頻率大于5 kHz即可滿足測試需求。

2 橋梁表面應變測試及結果分析

2.1 橋梁表面應變測試方法

測試系統構建的原則為:測試系統幅值上限應至少大于被測信號的20%,頻率上限應至少為被測信號的5～10倍以上。根據此原則設計應變測試系統[10],如圖3所示,應變測試系統由應變片、溫度補償片、同步觸發器、數據采集系統和上位機5部分組成,橋梁結構在爆炸瞬間產生的應變由應變片轉換成電阻變化,經過數據采集系統的電橋電路轉換成電壓信號,并進一步根據應變片靈敏度轉換成應變信號,經上位機顯示后,存于上位機中。同步觸發器和數據采集系統之間通過雙芯線進行連接,用于提供爆炸零點,數據采集系統和上位機之間通過網線連接,用于數據傳輸和參數設置。

圖3 應變測試系統

環境溫度變化對應變測量結果的準確度影響較大,針對溫度影響,對應變片進行溫度補償。工作片和溫度補償片通過半橋三線制接入數據采集系統,工作橋路如圖4(a)所示,圖中r為長導線電阻,試驗中將溫度補償片粘貼在混凝土塊上,如圖4(b)所示,放置在橋梁附近不受爆炸沖擊波影響的位置,由于工作片和溫度補償片采用相同的應變片,所以當環境溫度變化相同時兩者電阻變化值相同,即ΔR1=ΔR2,而工作片和補償片接入相鄰橋臂中,根據電橋的加減特性,兩者電阻變化值相互抵消,所以將補償片接入工作應變片的相鄰橋臂可以實現溫度補償。而當工作片不受力時,輸出uAD=uCD=uo/2,uout=uAD-uCD=0,此時長導線電阻不會給測量系統的調平衡產生影響,所以采用此種接線方式一方面可以補償環境溫度的影響,另一方面又可以解決長導線電阻引入的測試系統調平衡問題。

圖4 橋路補償示意圖

應變測試系統的靜態標定采用電標的方法,在測量電橋橋臂并聯標準電阻,通過數據采集系統的校正標定裝置產生標準電信號模擬標準應變值,然后對標定結果進行記錄。

爆炸載荷下橋梁結構的應變測試是在高溫、高應變率下進行的,應變信號在傳輸、放大和記錄過程中很容易從外部或內部混入其他干擾信號,嚴重影響爆炸載荷下橋梁應變的成功測試,所以必須在應變測量時采用抗干擾措施:① 測量導線采用三芯屏蔽電纜,測量線的外層為厚度較大的銅金屬屏蔽層,測試中盡可能地縮短測量線的長度;② 對信號采用一點接地的方式,即儀器的外殼和屏蔽線在同一點接地;③ 在應變片表面粘貼鋁箔紙,用于減小爆炸產生的電磁干擾;④ 在試驗時采用必要的前置濾波,將除應變信號外的其他干擾信號濾除,并且針對特定的干擾源采取屏蔽和接地措施。

2.2 爆炸載荷試驗及結果分析

試驗工況為30 kg TNT在T梁橋橫向和縱向跨中上表面接觸爆炸,試驗中應變粘貼位置與圖2高斯點位置相同。根據仿真結果,翼板位置應變片沿橫向(x方向)和縱向(y方向)兩個方向粘貼,腹板上應變片沿橫向(z方向)和縱向(y方向)兩個方向粘貼,腹板底部沿縱向(y方向)粘貼。

2.2.1 試驗結果預處理

野外試驗干擾因素較多,測量信號中往往包含很多高頻干擾信號,這些干擾可能是由測量線的震動、爆炸產生的電磁干擾,以及連接線屏蔽層沒能完全覆蓋等諸多因素造成,有效地剔除干擾信號能夠準確地讀取應變值,便于后續分析。當有限頻帶[wl,wh]內諧波分量合成信號能量與原信號能量之比W*/W≥95%時,即可認為信號的有效頻帶為[wl,wh],選取G3y測點應變信號,對其進行能量譜分析,并選取濾波截止頻率為3.933 kHz,對其進行低通濾波處理,結果如圖5所示。

圖5 應變信號濾波前后對比

從圖5中可以看出,采用低通濾波處理后信號中的高頻干擾部分得以有效濾除,信號波形與濾波前保持一致。濾波前后壓應變減小111.3 με,拉應變減小473.9 με,所以在信號分析之前有必要對數據進行預處理。

2.2.2 試驗結果分析

試驗中得到的G1、G3、G5位置縱向應變曲線如圖6所示。從圖6中可以看出,爆炸發生后應力波在極短時間內到達高斯點位置,圖中應變曲線均在出現多個來回振蕩的峰之后才逐漸衰減,曲線的震蕩是由應力波在T梁間反射、T梁和空氣界面處的反射以及爆炸載荷下橋梁整體振蕩引起的,應變曲線最后沒有回零,表明爆炸載荷下橋梁產生一定程度的撓度變形。G1y測點位置應變幅值主要在零刻度以上,表明爆炸載荷下翼板位置主要受拉應力作用;G3y測點位置前期應變幅值在零刻度以下,表明腹板位置主要受壓應力作用,隨著時間推移應變幅值大于零,表明在橋梁后期振蕩過程中腹板位置主要受拉應力作用;G5y測點位置應變幅值主要在零刻度以下,表明爆炸載荷下腹板底部位置縱向主要受壓應力作用。

圖6 主梁縱向應變測試曲線

試驗所得主梁和邊梁測點位置應變峰值如圖7所示。從圖7(a)中可以看出,主梁應變最大位置在測點G5y,表現為壓應變,峰值為994.7 με,應變最小位置在測點G1y,表現為壓應變,峰值為166.2 με,所以主梁腹板底部位置變形最大,翼板底部位置變形最小。腹板底部應變較大是因為橋梁為兩端簡支,在爆炸載荷下梁底部受力最大,所以應變最大,翼板位置應變較小的原因可能是由于橫隔板的存在限制了爆炸載荷對T梁翼板的破壞作用;對比測點G1x、G1y,翼板位置橫向壓應變峰值為559.2 με,大于拉應變峰值,縱向拉應變峰值為456.7 με,大于壓應變峰值,所以翼板橫向主要表現為壓縮破壞,縱向表現為拉伸破壞,且橫向應變大于縱向應變;對比測點G3z和G3y,腹板橫向壓應變峰值為362.1 με大于拉應變峰值,縱向壓應變峰值為921.9 με,大于拉應變峰值,橫向和縱向均表現為壓應變峰值大于拉應變峰值,且縱向應變峰值大于橫向應變峰值。

圖7 測點位置應變峰值

從圖7(b)中可以看出,應變最大位置在測點G6y,表現為壓應變,峰值為569 με,應變最小位置在測點G2x,表現為拉應變,峰值為193.3 με,所以邊梁腹板底部位置變形最大,翼板底部位置變形最小;對比測點G2x、G2y,翼板位置橫向壓應變峰值為340.9 με,大于拉應變峰值;縱向拉應變峰值為309.1 με,大于壓應變峰值,所以翼板橫向主要表現為壓縮破壞,縱向表現為拉伸破壞且橫向應變大于縱向應變;對比測點G4z和G4y,腹板橫向壓應變峰值為295.4 με,大于拉應變峰值;縱向拉應變峰值為486.7 με,大于壓應變峰值,且縱向應變峰值大于橫向。

對比圖7(a)、圖7(b)可以發現,主梁應變峰值大于邊梁應變峰值,主梁和邊梁表現的相同點為應變最大位置在T梁底部,最小位置在翼板位置,翼板橫向應變峰值大于縱向應變峰值。翼板橫向主要受壓縮破壞,縱向主要受拉伸破壞,腹板中縱向應變大于橫向,腹板底部主要受壓縮破壞。不同點為腹板位置,縱向主梁腹板表現為壓應變大于拉應變,邊梁腹板表現為拉應變大于壓應變,原因可能由于橫隔板的存在影響應力波的傳播,使橫隔板后的腹板位置受力較為復雜。

3 結論

通過有限元仿真、測試方法研究、橋梁表面接觸爆炸試驗和結果分析等工作,得出了以下結論。

① 通過構建爆炸載荷下橋梁表面應變測試系統,選擇適合橋梁表面高頻應變信號測量的應變片,針對測試中應變信號易受干擾的問題采取有效的抗干擾措施,成功測得了爆炸載荷下橋梁表面應變信號。

② 數值模擬結果表明,爆炸載荷下鋼筋混凝土T梁橋表面應變信號頻率上限為4 kHz左右,應變片最高工作頻率需滿足測試需求,應變測試時翼板和腹板需測量橫向和縱向應變、腹板底部需測量縱向應變。仿真結果可為爆炸載荷下橋梁應變測試提供參考。

③ 通過對應變信號處理和分析后得出,橋梁表面應變變化規律為測點位置主梁應變大于邊梁應變,T梁底部應變最大,翼板應變最小,翼板橫向應變大于縱向應變,腹板縱向應變大于橫向應變。合理安排T梁中縱筋和箍筋的配置可以有效減小爆炸載荷對T梁橋產生的影響。