付佳欣

（北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124）

0 引言

我國是交通大國，橋梁作為交通線路建設(shè)中的關(guān)鍵工程，既是平時(shí)保障交通線路正常運(yùn)行的控制性路段，也是戰(zhàn)爭中重點(diǎn)爭奪和控制的對象[1-2]。軍事戰(zhàn)爭以及日常事故引起的爆炸荷載都會對橋梁造成嚴(yán)重的破壞[3-5]，不僅會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會嚴(yán)重威脅交通通行的安全?；诖?，以某三跨預(yù)應(yīng)力混凝土簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁橋?yàn)槔?，利用LS-DYNA和MIDAS軟件對預(yù)應(yīng)力混凝土簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁進(jìn)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(jìn)行對比分析。

1 工程概況

某橋梁工程為（3×34.5）m的三跨預(yù)應(yīng)力混凝土簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁橋，橋?qū)?0m，T梁截面高度2.4m。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用C50混凝土，預(yù)應(yīng)力鋼束采用φs15.2低松弛鋼絞線，Ep=1.95×105 MPa,抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1860MPa，預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力1395MPa。預(yù)應(yīng)力孔道采用預(yù)埋塑料波紋管，k=0.0015，μ=0.17。橋梁的平面圖如圖1所示，預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼筋布置圖

2 爆炸荷載作用下簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁損傷分析

2.1 模型建立

為了提高計(jì)算效率，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，利用LS-DYNA軟件選取等截面三跨預(yù)應(yīng)力簡支轉(zhuǎn)連續(xù)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?；炷羻卧捎胹olid164單元，鋼筋與預(yù)應(yīng)力鋼束均采用beam161單元。鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼束網(wǎng)格尺寸橫向與縱向均為5cm，跨中混凝土網(wǎng)格尺寸橫向與縱向均為5cm，靠近兩側(cè)支座的混凝土橫向網(wǎng)格尺寸為5cm，縱向網(wǎng)格尺寸為10cm。全橋混凝土單元數(shù)量3565200，鋼筋單元數(shù)量為865400，預(yù)應(yīng)力鋼束單元數(shù)量為31200。有限元模型如圖3所示。

圖3 預(yù)應(yīng)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(shù)如表1所示。

表1 鋼筋材料參數(shù)表

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

表2 混凝土材料參數(shù)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(dāng)量爆炸；（2）橋面板200kg炸藥當(dāng)量爆炸；（3）橋面板300kg炸藥當(dāng)量爆炸；（4）橋面板400kg炸藥當(dāng)量爆炸；（5）橋面板500kg炸藥當(dāng)量爆炸。由于爆炸工況復(fù)雜，下面以300kg炸藥當(dāng)量爆炸為例，說明在T梁跨中橋面板上爆炸時(shí)的損傷情況。

工況3炸藥當(dāng)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(dāng)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(fā)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(jié)，洞口內(nèi)的箍筋與縱向鋼筋均已斷裂。在洞口周圍，出現(xiàn)了明顯的混凝土環(huán)形壓碎區(qū)，在壓碎區(qū)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(dāng)炸藥當(dāng)量為300kg的炸藥在橋面板爆炸時(shí)，爆炸荷載對腹板也造成了損傷，爆心所在截面的兩側(cè)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(yù)應(yīng)力筋，普通鋼筋這些材料，建立節(jié)點(diǎn)和梁單元并賦予其已經(jīng)定義的材料類型，輸入截面的具體尺寸。通過定義時(shí)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(yù)應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動。

定義好橋梁的恒荷載、預(yù)應(yīng)力荷載、溫度荷載、和移動荷載。

3.2 T梁損傷模擬結(jié)果分析

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

等截面三跨預(yù)應(yīng)力簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁，考慮到對稱性，爆炸荷載位置選取橋梁5個(gè)典型位置：位置A，第一跨靠近0#橋臺支點(diǎn)處；位置B，第一跨跨中；位置C，靠近1#橋墩左側(cè)支點(diǎn)處；位置D，靠近1#橋墩右側(cè)支點(diǎn)處；位置E，第二跨跨中處，如圖6所示。分別在這5個(gè)典型位置施加100kg、200kg、300kg、400kg和500kg當(dāng)量的炸藥。選取T梁9個(gè)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(fā)生破壞時(shí)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(yù)應(yīng)力簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁典型截面彎矩表

將A、B、C、D、E五個(gè)截面在100～500kg炸藥當(dāng)量下所有工況進(jìn)行模擬，計(jì)算整理在最小荷載組合作用下截面的彎矩，計(jì)算結(jié)果匯總至圖8。

圖8 截面彎矩圖

由圖8可知，在同一個(gè)爆炸位置時(shí)，隨著炸藥當(dāng)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(jié)構(gòu)有影響，對其他跨徑的橋梁結(jié)構(gòu)影響很小。當(dāng)爆炸位置在第一跨靠近0#橋臺支點(diǎn)處和第一跨跨中處時(shí)，在9個(gè)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(dāng)爆炸位置在靠近1#橋墩左側(cè)支點(diǎn)處時(shí)，在9個(gè)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(dāng)爆炸位置在靠近1#橋墩右側(cè)支點(diǎn)處時(shí)，在9個(gè)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(dāng)爆炸位置在第二跨跨中處時(shí)，在9個(gè)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(gè)工況的彎矩圖，本文研究的簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁橋兩個(gè)支點(diǎn)處（截面3和截面7）的彎矩始終都沒有超過最大承載力；當(dāng)爆炸荷載作用于T梁跨中位置時(shí)，對橋梁整體承載力的影響最顯著。

4 結(jié)束語

本文以預(yù)應(yīng)力簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁橋?yàn)檠芯繉ο?，建立了LS-DYNA有限元分析模型，探究了爆炸當(dāng)量和爆炸位置對連續(xù)T梁橋的損傷影響，進(jìn)而結(jié)合MIDAS軟件模擬了相應(yīng)的爆炸損傷對橋梁整體承載力的影響。得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)爆炸荷載作用在簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁橋面板上時(shí)，形成了類似長方形孔洞，孔洞面積隨著炸藥當(dāng)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(shù)量也會隨之增多。且當(dāng)炸藥當(dāng)量為100～500kg時(shí)，T梁橋橫截面都沒被炸斷，T梁橋的結(jié)構(gòu)體系并未發(fā)生改變。

（2）當(dāng)爆炸荷載作用在簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T梁橋面板上時(shí)，當(dāng)爆炸位置相同時(shí)，隨著炸藥當(dāng)量增加，爆炸對橋梁的正常使用性能和正常使用極限狀態(tài)（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(jié)構(gòu)彎矩的影響大，對其他跨徑彎矩的影響很小；當(dāng)炸藥當(dāng)量相同時(shí)，在跨中處爆炸對簡支轉(zhuǎn)連續(xù)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(shí)影響大。