混凝土T梁在爆炸作用下的损伤分析

姜天华，杨云锋，龚　杰，蔡路军

(1.武汉科技大学城市建设学院，武汉 430065；2. 武汉科技大学理学院，武汉 430065)



混凝土T梁在爆炸作用下的损伤分析

姜天华1，杨云锋1，龚杰1，蔡路军2

(1.武汉科技大学城市建设学院，武汉 430065；2. 武汉科技大学理学院，武汉 430065)

摘要：以义昌大桥为原型，设计制作了混凝土简支T梁模型，并对其进行了不同爆炸高度和炸药药量组合下的爆炸试验研究，分析了简支T梁模型在不同爆炸高度和不同药量下的损伤特性。同时应用ANSYS/LS-DYNA软件仿真分析了简支T梁模型的位移与加速度变化。研究结果表明，在爆炸作用下，混凝土T梁结构的位移响应对爆炸高度更敏感，而且混凝土超声波检测技术对于爆炸荷载作用下模型损伤程度的定量分析有很大的帮助。

关键词：简支T梁；损伤特性；仿真分析；超声波检测

2013年2月连霍高速渑池段一辆载满烟花爆竹的货车发生爆炸，引起义昌大桥桥面断裂，造成巨大的人员伤亡和财产损失。为了研究爆炸荷载对桥梁结构的影响，该文以义昌大桥为原型制作了试验模型，进行了爆炸试验，并通过软件仿真分析了爆炸荷载对结构的损伤影响。

1试验研究

1.1　试验模型

试验以义昌大桥为原型制作了6片长1.2 m、宽0.35 m、高0.372 m的缩尺混凝土简支T梁模型。为了便于数据采集，每两片T梁之间采用湿接法连接成整体，设置了端横隔板和翼缘板湿接缝。在试验模型上除了布置应变片和加速度传感器试验来测试爆炸荷载引起的振动加速度和应变外，还应用了智能超声波检测仪对爆炸前后的混凝土试件进行测试。试验模型如图1所示。

混凝土超声波检测是目前混凝土无损检测最常用的技术。试验采用智能超声波检测仪对爆炸前后的混凝土试件进行测试和数据采集，并对数据进行分析，用超声波在混凝土中波速的变化反映混凝土在爆炸荷载作用下的损伤程度[1,2]。

1.2　试验方案

考虑在不同爆炸高度和药量下桥梁的爆炸响应，爆炸高度每次变化10 cm，药量每次增加爆破装药量20 g。爆破测试方案见表1。在爆炸试验的前后在T梁上选取4个测量切面(梁长度方向的1/4处和1/2处，梁宽的1/4处和1/2处)作为智能超声波检测仪测试点， 4个测点的波速值V(m/s)如表2所示。

表1　爆破测试方案

表2　波速测试值V　/(m·s-1)

1.3　试验结果

为了让结果更直观，将每个测点波速的变化情况做成曲线图，如图2所示。

由表2及图3可知，试验前每个测点的波速测试值不完全一致，原因是混凝土配制、振捣不均匀，但是数值上差距不大，均在3 800 m/s左右。第1次爆破之后，四个测点的波速值均有不同程度的降低，这说明第1次爆破之后，混凝土内部出现了细微裂纹，导致了超声波的传播速度减慢。第2次爆炸之后，4个测点的波速也均有减少，从图中可以观察到减少程度比较一致，这说明第2次爆炸之后没有产生新的集中裂纹，只是之前的裂纹有一定程度的发展。第3次爆炸之后，4个测点的波速也均有不同程度的减少，其中测点1和测点3降低比较明显，说明测点1和测点3截面相交的位置出现了新的集中裂纹，这正好印证了第3次试验的爆炸位置正好对应的这个位置。第四次爆炸之后，4个测点的波速均有很大幅度的下降，比之前3次试验降低幅度大得多。这说明第四次试验当爆炸距离减少为零时，T梁受到了很大的损害。

2数值分析

2.1　模型建立

采用ANSYS/LS-DYNA软件对简支T梁模型的动态响应进行仿真分析时，应考虑该结构具有对称性的特点，建模时只建立两片梁进行计算[3-5]。用三维实体单元划分网格：其中沿梁的长度方向划分为48等份，沿梁的宽度方向划分为28等份；沿梁高方向划分为14等份，其中翼缘板部分划分为4等份，梁肋部分划分为10等份。如图3所示，模型共划分10 944个单元。

2.2　位移分析

采用LS-PREPOST读入结果数据文件，得到7号单元的位移最大最明显，故取用7号单元来研究爆炸荷载作用下T梁的位移。提取9次加载之后的7号单元的位移时程曲线和最大位移值，如表3和图4所示。

表3　最大位移值

由图4可知，在爆炸距离逐渐变小和炸药药量逐渐增大时，T梁单元的最大位移也逐渐变大，前6种荷载是在爆炸高度20 cm和10 cm下，药量从20 g增加到60 g，可以发现，最大位移值增长得比较缓慢，当爆炸高度降低为零时，20 g药量的爆炸荷载比60 g炸药在10 cm爆炸高度的荷载要大得多，药量从20 g到40 g变化时，最大位移值迅速增大，但是增大的趋势在减小，而爆炸高度变化时曲线斜率都会有一个很大的突变，这说明混凝土T梁模型的位移响应对爆炸高度的敏感性要明显高于炸药药量。

2.3　加速度分析

采用LS-PREPOST读入结果数据文件，翼缘板位置选取877号节点，梁肋选取5 573号单元的最大加速度来分析9种荷载作用下T梁翼缘板和梁肋的加速度响应。将翼缘板和梁肋在同一荷载作用下的最大加速度值放在一起进行对比分析，其数值模拟[6]结果如表4和图5所示。

表4　翼缘板和梁肋最大加速度值

由表4和图5可以看出，梁肋最大加速度值曲线和翼缘板最大加速度值曲线十分接近，特别是在前6次荷载作用下，曲线是几乎重合的，说明最大加速度值非常接近，在爆炸高度降低为零时，翼缘板和梁肋的最大加速度值都发生了很大的突变，这说明混凝土T梁模型的动态响应对爆炸高度的敏感性要明显高于炸药药量。从曲线可以看出在爆炸高度为零的三个荷载作用下，最大加速度的增长趋势是接近的，但是数值上已经区分开来了，翼缘板比梁肋要高出许多。

3结论

a.混凝土超声波检测技术的采用取得了比较好的效果，可以推广作为爆炸试验研究中比较有效实用的手段。通过检测波速值的改变来反映试验中我们肉眼看不到的混凝土结构的内部损伤，由此来对爆炸荷载作用下模型的损伤程度进行定量分析。

b.混凝土T梁模型的位移响应对爆炸高度的敏感性要明显高于炸药药量。当炸药药量增加时，位移值会迅速增大，但与高度降低时位移值的增加相比，有很大差距。

参考文献

[1]张开金. 爆炸荷载作用下混凝土桥梁的损伤特性研究[D].长安大学,2009.

[2]Dakhakhni W W, Mekky W F, Changiz S H. Vulnerability Screening and Capacity Assessment of Reinforced Concrete Columns Subjected to Blast[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities, 2009, 23(5): 353-365.

[3]卢文波,赖世骤,舒大强. 关于爆破震动速度和加速度等效性问题的讨论[J].爆破，2000, 17(增刊): 11-14.

[4]左清林,刘西拉. 爆炸荷载作用下钢筋混凝土构件动力响应的数值模拟[J]. 四川建筑科学研究,2010(6):1-6.

[5]陈华燕,曾祥国,朱文吉,等.爆炸荷载作用下桥梁动态响应及其损毁过程的数值模拟[J]. 四川大学学报(工程科学版),2011(6):15-19,97.

[6]胡世高. 爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动力响应及数值模拟[D].武汉：武汉科技大学,2013.

Damage Analysis of Concrete T-section Beam Under Explosive Impact

JIANGTian-hua1，YANGYun-feng1，GONGJie1，CAILu-jun2

(1.School of Urban Construction, Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065, China；

2.College of science, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, China)

Abstract:Based on the prototype of Yichang Bridge, this paper designed and made the simply-supported T beam model of concrete, and studied the explosion experiment that combined different explosion height and different explosive amount, analysed the damage characteristics of simply-supported T beam model that under the different explosion height and different explosive amount. At the same time, by using ANSYS/LS-DYNA software we did the simulation analysis of the variation of displacement and acceleration for simply-supported T beam model. The research results show that under the action of explosion, the displacement response of concrete T beam structure is more sensitive to the exploding height, and the technology of testing concrete by ultrasonic has a lot of help for the quantitative analysis of the model’s damage degree under the action of explosion load.

Key words:simply-supported T beam;damage characteristics;simulation analysis;testing by ultrasonic

作者简介：姜天华(1971-)，教授.E-mail:wustjth@sohu.com

基金项目：湖北省自然科学基金项目(2014CFB822，2014CFB823)和国家自然科学基金(51278391).

收稿日期：2015-10-19.

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.06.011