近場爆炸作用下空心板損傷狀況及影響分析

曹思源 王繼軍 張華杰 阿布來提·卡德爾

（新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

橋跨結(jié)構(gòu)物在近場爆炸等偶然作用下表現(xiàn)的脆弱性逐漸受到關(guān)注，當(dāng)結(jié)構(gòu)承受爆炸荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)的安全冗余會(huì)大幅降低，會(huì)對交通路線造成嚴(yán)重?fù)p傷。

空心板結(jié)構(gòu)是常見的橋跨結(jié)構(gòu)物，由于其往往采用預(yù)制場批量制作，然后在施工現(xiàn)場進(jìn)行進(jìn)一步架設(shè)安裝，且空心板預(yù)制樣式有限，使這種橋跨結(jié)構(gòu)存在一定相似性。在研究近場爆炸下結(jié)構(gòu)物的響應(yīng)時(shí)，出于經(jīng)濟(jì)性與安全性的考慮，對橋梁整橋進(jìn)行爆炸作用的試驗(yàn)很難開展，而僅僅對整個(gè)橋跨結(jié)構(gòu)物進(jìn)行近場爆炸數(shù)值模擬并予以分析與預(yù)測又缺乏可信度，研究人員往往采用經(jīng)正確性驗(yàn)證的數(shù)值分析方法，對近場爆炸下結(jié)構(gòu)物的響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬與研究。國內(nèi)外對橋跨結(jié)構(gòu)的抗爆性能研究多集中在爆炸沖擊下材料的本構(gòu)模型研究及結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力響應(yīng)分析。

劉殿柱等[1]對混凝土RHT 本構(gòu)模型的參數(shù)敏感性進(jìn)行了研究，并將修正模型與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，指出修正的混凝土RHT模型應(yīng)力應(yīng)變曲線與現(xiàn)場試驗(yàn)的結(jié)果曲線匹配程度較好；LI 等[2-4]對混凝土靶板進(jìn)行了近場爆炸試驗(yàn)與數(shù)值模擬驗(yàn)證，指出RHT 本構(gòu)模型可以模擬構(gòu)件的響應(yīng)與爆炸損傷狀況；Yan 等[5]研究了爆炸沖擊下的鋼筋混凝土梁損傷機(jī)理，指出爆炸沖擊產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力波是梁底開裂的主因，且由于泊松效應(yīng)，梁體發(fā)生橫向膨脹并導(dǎo)致部分混凝土脫落；吳亮等[6]對近場爆炸鋼筋混凝土柱進(jìn)行了損傷討論及數(shù)值分析，指出鋼筋混凝土柱的損傷狀況與結(jié)構(gòu)的抗爆性能影響因素，為近場爆炸橋跨結(jié)構(gòu)的損傷狀況研究提供了參考。通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)可知，現(xiàn)有對空心板構(gòu)件損傷狀況與破壞形式的研究仍顯不足，有必要研究近場爆炸下空心板構(gòu)件的損傷狀況。

1 數(shù)值模擬及分析

1.1 數(shù)值模擬方法驗(yàn)證

炸藥經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量的氣體，在極短時(shí)間內(nèi)將其內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。爆炸時(shí)氣體迅速膨脹產(chǎn)生超壓沖擊波并對外界做功，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物在沖擊波的影響下產(chǎn)生動(dòng)力響應(yīng)，并發(fā)生損傷。常用的近場爆炸數(shù)值模擬方法有經(jīng)驗(yàn)公式法、沖擊荷載法及任意拉格朗日-歐拉法（ALE）法，本文基于ALE 法，直接建立炸藥實(shí)體單元并賦予相應(yīng)材料，通過空氣單元作為沖擊波傳播介質(zhì)將爆炸作用于空心板上。選擇RHT本構(gòu)模型作為混凝土材料的近場爆炸本構(gòu)模型[2,4]；對于鋼筋單元，采用塑性隨動(dòng)本構(gòu)模型描述其應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系。

數(shù)值模擬中，材料本構(gòu)模型的正確性是分析研究的基礎(chǔ)。本文以鋼筋混凝土靶板近場爆炸試驗(yàn)[4]為依據(jù)，建立近場爆炸鋼筋混凝土靶板有限元模型，其中鋼筋混凝土靶板邊長1.25m，爆炸TNT 當(dāng)量640g，靶板厚度5cm，爆距0.5m，靶板的一對邊采用壓板固定，靶板的現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)值模擬結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 靶板迎爆面損傷對比

圖2 靶板背爆面損傷對比

對比可知，對象靶板迎爆面產(chǎn)生局部混凝土壓碎，靶板的中心產(chǎn)生一條明顯的平行于壓條約束邊的裂縫，并伴有環(huán)形開裂與斜向裂縫；靶板背爆面產(chǎn)生大量拉伸裂縫，靶板背爆面的損傷面積較迎爆面嚴(yán)重，裂縫密集，并伴有靶板內(nèi)鋼筋的裸露。對比相關(guān)文獻(xiàn)的現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬損傷云圖可以看出，兩者損傷位置與裂縫產(chǎn)生位置基本匹配，可以認(rèn)為RHT 混凝土本構(gòu)模型能夠很好地處理鋼筋與混凝土的協(xié)調(diào)受力的關(guān)系，本文所采用的近場爆炸數(shù)值模擬方法、材料的本構(gòu)模型及相關(guān)材料參數(shù)的處理方式可信度較高，能夠較真實(shí)反映近場爆炸下結(jié)構(gòu)物的損傷狀況與動(dòng)力響應(yīng)。

1.2 研究對象

取兩片鋼筋混凝土空心板為主體結(jié)構(gòu)，兩塊空心板通過鉸縫進(jìn)行橫向連接；空心板長1000cm，單板寬100cm，板厚為50cm，考慮鋪裝為單層鋼筋網(wǎng)構(gòu)造；在LS-DYNA 數(shù)值模擬中，鋪裝層與空心板頂面的接觸定義為綁定接觸，考慮結(jié)構(gòu)的對稱性簡化數(shù)值模型，定義經(jīng)過原點(diǎn)的X-Z、Y-Z平面為對稱面，并將空心板的一側(cè)面域釋放X向平動(dòng)與全部轉(zhuǎn)動(dòng)約束；考慮模型空氣域尺寸為75cm×50cm×200cm，空氣域中除對稱面外的其他邊界面定義為無反射邊界；選擇初始近場爆炸高度為1.5m，炸心位于空心板構(gòu)件水平中心正上方，定義炸藥單元尺寸為25cm×25cm×25cm，并與空氣域組成流體組，建立炸藥、空氣域以及空心板的1/4 有限元模型，研究對象數(shù)值模型如圖3所示。

圖3 近場爆炸空心板1/4有限元模型

2 影響因素分析

2.1 炸藥當(dāng)量

分析研究不同炸藥當(dāng)量下空心板構(gòu)件的損傷狀況，當(dāng)t=0.1ms 時(shí)，爆炸產(chǎn)生的沖擊波抵達(dá)空心板頂面，應(yīng)力波以炸心正下方混凝土單元為中心逐漸向四周擴(kuò)散，當(dāng)t=0.4ms 時(shí)板底部單元的最大主應(yīng)力較大，可能發(fā)生損壞；隨著時(shí)間推移，應(yīng)力波逐漸由空心板的跨中區(qū)域向其約束端傳播，空心板各混凝土單元的最大主應(yīng)力逐漸降低并趨于平穩(wěn)。考慮到t=5ms 時(shí)空心板構(gòu)件的損傷狀況趨于穩(wěn)定，對比當(dāng)t=5ms時(shí)不同炸藥下空心板損傷狀況與破壞形式，具體如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)炸藥當(dāng)量為1kg 時(shí)，空心板的損傷范圍主要集中于炸心正下方的局部區(qū)域，迎爆面炸點(diǎn)正下方的鋪裝層在壓縮應(yīng)力波作用下?lián)p傷狀況較輕，鋪裝層與空心板頂面出現(xiàn)局部混凝土壓碎，板底產(chǎn)生少量沿縱筋與箍筋的裂縫，構(gòu)件有彎曲破壞的特征。

圖4 近場爆炸下當(dāng)t=5ms時(shí)不同炸藥當(dāng)量空心板跨中截面損傷示意

當(dāng)炸藥當(dāng)量為2kg時(shí)，炸點(diǎn)正下方發(fā)生部分混凝土受壓失效，損傷面積增大；在拉伸應(yīng)力波的作用下空心板底產(chǎn)生部分拉伸裂縫，板底面損傷范圍有一定程度的增加，底部產(chǎn)生沿縱向鋼筋與箍筋的少量裂縫，空心板有彎曲與沖剪耦合破壞的特征。

當(dāng)炸藥當(dāng)量為10kg 時(shí)，迎爆面炸點(diǎn)正下方板頂發(fā)生不同程度的混凝土壓碎，混凝土失效面積較大；在拉伸應(yīng)力波的作用下空心板底面產(chǎn)生大量拉伸裂縫，板底面損傷范圍有一定程度的增加，底部產(chǎn)生沿縱向鋼筋與箍筋的裂縫，縱向裂縫最大長度達(dá)到1/2空心板跨徑；空心板于約束面處出現(xiàn)部分縱向裂縫，空心板底鋼筋網(wǎng)發(fā)生彎曲并部分裸露，空心板構(gòu)件表現(xiàn)為彎曲與沖剪耦合破壞。

通過觀察可以看出當(dāng)爆炸發(fā)生后，炸心正下方板頂局部區(qū)域發(fā)生不同程度的混凝土壓碎，當(dāng)炸藥當(dāng)量較小時(shí)，空心板表現(xiàn)為彎曲破壞，隨著炸藥當(dāng)量的增加，炸心正下方鋪裝層與空心板頂面混凝土壓碎區(qū)域逐漸增大，表現(xiàn)為彎曲與沖剪耦合破壞。

考慮將模型與無鋪裝層空心板模型的板頂超壓峰值與板底豎向位移峰值進(jìn)行對比，起爆高度均為1.5m，對比結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 不同炸藥當(dāng)量下空心板頂超壓峰值

圖6 不同炸藥當(dāng)量下空心板底豎向位移峰值

由圖5 可知，在不同炸藥當(dāng)量下無鋪裝層的板頂超壓峰值與板底豎向位移均明顯高于有鋪裝層空心板，其中當(dāng)炸藥當(dāng)量為10.0kg 時(shí)，無鋪裝空心板超壓峰值為137.8MPa，較有鋪裝空心板提高了19.8%，隨著炸藥當(dāng)量的減小，兩者的偏差也逐漸減小；無鋪裝層空心板豎向位移峰值為-7.4cm，較有鋪裝空心板提高了42.0%，而隨著炸藥當(dāng)量減小，兩者的偏差亦逐漸減小。可以得出近場爆炸下空心板的超壓與豎向位移峰值均與炸藥當(dāng)量成正相關(guān)，相比于不考慮鋪裝層的空心板模型，隨著炸藥當(dāng)量的增加兩者的板頂超壓與板底豎向位移峰值偏差逐漸增大。

2.2 鉸縫狀態(tài)

對于使用中的空心板橋結(jié)構(gòu)，隨著空心板的在役年限增長、交通量及重型車量的增多，空心板逐漸產(chǎn)生病害，鉸縫位置往往發(fā)生損傷并導(dǎo)致其傳遞荷載的能力逐漸下降，直接影響交通路網(wǎng)的安全運(yùn)營；同樣在近場爆炸下，由于在役空心板間橫向聯(lián)系鉸縫的狀態(tài)往往存在區(qū)別，導(dǎo)致爆炸作用下不同鉸縫狀況的空心板損傷狀況也存在差異。為探究近場爆炸下不同鉸縫狀態(tài)空心板的損傷狀況，通過在LS-DYNA 軟件關(guān)鍵字中定義鉸縫混凝土單元與空心板單元接觸面的粘結(jié)模擬兩者間的接觸[7],建立鉸縫固接、鉸縫鉸接及鉸縫完全失效的不同空心板模型如圖7 所示，損傷面積計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖7 不同鉸縫狀態(tài)下空心板損傷狀況示意

圖8 近場爆炸下不同鉸縫狀態(tài)空心板損傷狀況示意

由圖7、圖8 可知，隨著鉸縫的狀態(tài)由固接向失效發(fā)展，近場爆炸對空心板造成的損傷面積逐漸增大，其中當(dāng)鉸縫失效時(shí)，空心板頂面損傷面積約為4.47m2，較鉸縫固接時(shí)增加了17%；底面損傷面積約為4.62m2，較鉸縫固接時(shí)增加了約5%。當(dāng)鉸縫固接時(shí)，板底開裂范圍較大，爆炸產(chǎn)生的縱向開裂范圍接近整個(gè)板長，隨著鉸縫損傷狀況逐漸變差，鉸縫的傳力性能變低，空心板頂面及底面的損傷面積逐漸提升，而板底開裂范圍明顯減小。在近場爆炸數(shù)值模擬時(shí)考慮空心板鉸縫的狀態(tài)對描述構(gòu)件的損傷狀況是有必要的。

3 結(jié)束語

本文通過有限元軟件LS-DYNA，基于流固耦合數(shù)值模擬方法對近場爆炸下混凝土材料的本構(gòu)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，通過與已有爆炸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，指出采用本文的材料模型與模擬方法能夠模擬近場爆炸結(jié)構(gòu)物的損傷狀況。在正確性驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，對不同炸藥當(dāng)量下空心板構(gòu)件的損傷狀況進(jìn)行了討論，并對不同鉸縫狀況的空心板構(gòu)件進(jìn)行了損傷狀況分析。通過研究分析可以發(fā)現(xiàn)，空心板構(gòu)件在爆炸沖擊波的影響下，炸心正下方鋪裝層及空心板頂面混凝土出現(xiàn)局部壓縮破壞，空心板挖空處及背爆面的混凝土出現(xiàn)沿鋼筋方向的拉伸破壞；隨著炸藥當(dāng)量的增加，爆炸作用下空心板構(gòu)件的破壞形式表現(xiàn)為由彎曲破壞向彎曲-沖剪耦合破壞發(fā)展，同時(shí)，鉸縫的狀態(tài)影響空心板構(gòu)件的損傷狀況，在數(shù)值模擬中應(yīng)考慮鉸縫的損傷狀況。