爆炸荷载作用下铁路高墩毁伤有限元模型研究

管 晔，羊 勇，常春伟，王 玮

(1.军事交通学院 国防交通系，天津 300161； 2.郑州战略投送基地，郑州 450000)

● 基础科学与技术 Basic Science & Technology

爆炸荷载作用下铁路高墩毁伤有限元模型研究

管 晔1，羊 勇2，常春伟1，王 玮1

(1.军事交通学院 国防交通系，天津 300161； 2.郑州战略投送基地，郑州 450000)

为研究爆炸荷载作用下铁路高墩桥毁伤机理，探寻影响铁路高墩战场生存能力的因素及规律，考虑自由空气爆炸荷载作用，利用显示动力有限元计算程序Ansys/LS-DYNA，建立铁路高墩毁伤模型，分析高墩整体毁伤情况，分离出主要毁伤区域，建立高墩局部仿真模型。通过仿真计算分析，并与整体高墩模型结果进行比较得出，墩身毁伤的形态分布和变化规律均较一致，采用铁路高墩局部仿真方法对其进行毁伤研究合理有效。

铁路高墩；爆炸荷载；高墩整体模型；高墩局部模型

铁路桥梁在铁路运输网中比重大，是跨越地形障碍的主要方式[1]。铁路高墩作为铁路桥梁中的支撑结构和重要部分，多采用经济且具有良好力学性能的薄壁空心形式，战时易遭受精确制导武器打击破坏，抢修抢建难度大，破坏后短期不易恢复。因此，对爆炸荷载作用下铁路高墩毁伤机理进行研究，有助于理清影响铁路高墩战场生存能力的影响因素及规律，对铁路高墩抗爆设计有很强的理论意义，是铁路桥梁建设贯彻国防要求和铁路桥梁抢修技术研究的基础，对铁路桥梁战时防护和快速修复有重要的应用价值。

1 铁路高墩有限元模型的建立

1.1 某铁路高墩概况

某铁路高墩结构形式为钢筋混凝土空心板壳结构，墩身高30 m，截面形式为空心矩形，截面尺寸为500 cm×250 cm，壁厚60 cm，墩身上下等截面，混凝土标号C40，混凝土保护层厚度5 cm，纵筋为Φ20HPB235，钢筋间距为10 cm。矩形截面尺寸及配筋分布如图1所示，铁路高墩实体模型如图2所示。

图1 矩形空心截面尺寸及配筋示意(单位：cm)

图2 矩形空心高墩

1.2 单元的选择

本文采用分离式共节点方法建立铁路高墩有限元模型，钢筋采用三维梁单元BEAM161，混凝土采用三维显式实体单元SOLID164，综合考虑模型规模和计算精度，网格尺寸取5 cm，高墩底部采用固定约束，顶部采用滑移支座约束。

1.3 高墩结构材料模型选取

钢筋采用双线性弹塑性模型，应变率效应对材料强度及失效应变的影响是通过Cowper-Symonds模型进行考虑的[2-4]，见式(1)：

(1)

混凝土采用混凝土损伤模型，使用初始屈服面、极限强度面和软化强度面3个强度破坏面描述混凝土材料的塑性性能，见式(2)～式(4)，考虑了混凝土材料的弹性断裂能、应变率效应、约束效应等混凝土材料特性。

最大失效面：

(2)

残余失效面：

(3)

初始屈服失效面：

(4)

式中：p为压力；a0、a1、a2、a1f、a2f、a0y、a1y、a2y为材料常数，由单轴抗压试验和三轴受压试验确定。

钢筋材料参数：密度为7 830 kg·m-3；E为2.06×105MPa；泊松比为0.28；屈服极限为395 MPa；切线模量为6.18×103MPa；β为0；C为40 s-1；P为5；失效应变为0.05。混凝土材料参数：密度为2 550 kg·m-3；泊松比为0.20；轴心抗压强度为26.8 MPa。

1.4 爆炸荷载的施加

本文只考虑爆炸冲击波对铁路高墩的毁伤效应，忽略爆炸碎片、爆炸地震及爆炸引起的次生灾害等对高墩的毁伤，因此采用Conwep程序计算爆炸荷载，并加载到结构物迎爆面。Conwep程序依据的是美国陆军技术手册TM5-855-1提供的经验公式和爆炸荷载曲线，此算法可模拟空气爆炸和地面爆炸，考虑了爆炸的入射角、入射压力和反射压力的影响[5]：

F=Frcos2θ+Fi(1+cos2θ-2cosθ)

(5)

式中：F为爆炸荷载压力；Fr和Fi分别为反射压力和入射压力；θ为起爆点到加载点连线与迎爆面法线方向的夹角。

2 典型工况下铁路高墩爆炸毁伤仿真分析

铁路高墩迎爆面为矩形截面长边对应的面，起爆点在墩身竖向对称面上，距迎爆面垂直距离3 m(即爆炸距离)，爆炸当量400 kg，自由空气爆炸的起爆点高度为15 m，炸药与高墩的相对位置如图3所示。

图3 自由空气爆炸下炸药与高墩的相对位置

图4给出了自由空气爆炸下铁路高墩毁伤的有效塑性应变云图。高墩迎爆面中心区域成弯剪破坏，混凝土结构损伤严重，局部产生塑性变形，墩身中心区域大量混凝土单元因为损伤而退出工作，出现近似椭圆毁伤区，并在墩身迎爆面与侧面连接处出现上下贯穿的纵向裂纹。墩身背面成弯曲破坏，分布少量塑性区，墩身中心区毁伤较为明显，存在多条上下贯穿的纵向裂纹。墩身侧面中心区域塑性区分布由迎爆面至背爆面逐渐缩小，分布较多局部纵向裂纹，主要是受到拉伸破坏，且分布情况与反射拉伸波的波形相似。

(a)正面 (b)背面 (c)侧面图4 自由空气爆炸下铁路高墩毁伤有效塑性应变云图

总体上看，以爆炸位置所在水平面为中心，墩身中心毁伤最严重，纵向表现为由中心向上下两端逐渐减弱，横向表现为由墩身正面向背面逐渐减弱，数值仿真的毁伤结果与应力波的传播和作用过程相符合，铁路高墩毁伤数值仿真模型较好地模拟了爆炸荷载作用下铁路高墩的毁伤现象。

从铁路高墩墩身整体毁伤情况来看，铁路高墩毁伤主要集中在爆炸位置所在水平面的中心区域，其余部分毁伤较小。因此，此区域的毁伤结果是铁路高墩毁伤的研究重点，是探索毁伤规律的关键区域。为解决网格尺寸、计算规模和计算精度的问题，本文建立在爆炸荷载作用下铁路高墩中心区域局部模型，并验证其合理性。

3 铁路高墩爆炸毁伤局部细化仿真分析

3.1 局部细化仿真模型

由上述铁路高墩整体模型仿真结果可见，取爆心水平位置上下5 m处区域进行局部细化仿真。主要建模方法及参数设置同整体仿真模型，并根据结构毁伤的对称性，局部仿真模型设置对称面约束，建立对称模型，减小计算模型规模。因墩身中心区域占总体的比例较小，上下两端可近似认为是无限长，不考虑应力波在上下边界的反射作用，上下两端设置为无反射边界，铁路高墩局部细化仿真的实体模型如图5。

(a)墩身局部

(b)混凝土

(c)钢筋图5 铁路高墩毁伤局部细化仿真实体模型

3.2 墩身毁伤比例

本文定义墩身毁伤比例是指爆炸荷载作用下墩身的毁伤程度，考虑到铁路高墩是以受压为主的构件，可以使用竖向剩余承载力作为评估墩身毁伤程度的破坏准则，且墩身最小横截面的面积对墩身竖向剩余承载力的评估影响最大，因此本文使用铁路高墩最小横截面的面积毁伤比例来衡量爆炸荷载作用下铁路高墩的毁伤情况。起爆点所在平面的墩身横截面(以下简称中心截面)是最小横截面，以此平面的毁伤比例为墩身毁伤比例。定义墩身毁伤比例为

D=1-A剩余/A0

(6)

式中：A剩余为墩身毁伤最大处横截面的剩余面积(即中心截面剩余面积)，可以从仿真结果中计算得出；A0为墩身横截面初始面积。

3.3 局部细化模型与整墩模型仿真结果对比

为验证局部细化仿真的准确性和有效性，取网格尺寸5 cm，进行铁路高墩毁伤效应局部细化仿真计算，并与整体的仿真计算结果进行对比分析(如图6～图8所示)。

(a)整体仿真墩身正面

(b)局部细化仿真墩身正面

(c)整体仿真墩身中心截面

(d)局部细化仿真墩身中心截面图6 整体仿真与局部细化仿真的毁伤效果对比

(a)整体仿真墩身正面

(b)局部细化仿真墩身正面

(c)整体仿真墩身中心截面

(d)局部细化仿真墩身中心截面图7 整体仿真与局部细化仿真的墩身中心位移云图对比

(a)整体仿真

(b)局部细化仿真图8 整体仿真与局部细化仿真的毁伤比例时程曲线

局部细化仿真和整体仿真的结果相比，裂纹、有效塑性应变、位移的分布情况和墩身截面毁伤形态都较为相似，墩身毁伤比例时程曲线的变化规律和计算结果比较接近。局部细化仿真能够较好地模拟墩身中心区域的毁伤形态和相关规律，相比整墩仿真计算规模更小，可采用更小的网格尺寸用以获得更高的计算精度。因此，采用铁路高墩局部细化仿真方法对铁路高墩毁伤进行研究合理、有效。

4 结 论

本文考虑自由空气爆炸荷载作用，利用显示动力有限元计算程序Ansys/LS-DYNA，分别建立整体铁路高墩模型和局部铁路高墩模型，并进行仿真计算，通过分析比较两者的毁伤分布规律，得出以下结论：

(1)建立在爆炸荷载作用下合理的铁路高墩有限元模型，通过对典型工况下铁路高墩的毁伤进行数值仿真，可见以爆炸位置所在水平面为中心，墩身中心毁伤最严重，纵向表现为由中心向上下两端逐渐减弱，横向表现为由墩身正面向背面逐渐减弱，毁伤结果与应力波的传播和作用过程相符合，铁路高墩毁伤数值仿真模型较好地模拟了爆炸荷载作用下铁路高墩的毁伤现象。

(2)依据铁路高墩整体模型分析的结果，建立局部毁伤重点区域的有限元模型，并与整体仿真的结果对比，墩身毁伤的形态分布和变化规律均较一致。因此，采用铁路高墩局部细化仿真方法对铁路高墩毁伤进行研究是合理有效的，相比整墩仿真计算规模更小，为采用更小网格尺寸的高精度计算分析奠定了基础。

(3)对铁路高墩采用局部高有限元数值仿真分析，有助于进一步细化和进行高精度计算，理清了影响铁路高墩战场生存能力的影响因素及规律，是铁路桥梁建设贯彻国防要求研究和铁路桥梁抢修技术研究的基础，对高墩战时防护和快速修复有重要的应用价值。

[1] 伍建强．大跨连续刚构桥抗导弹冲击能力分析及抢修技术初步研究[D]．成都：西南交通大学，2006．

[2] ISLAM AKMA，YAZDANI N．Performance of AASHTO girder bridges under blast loading[J]．Engineering Structures，2008，30(7):1922-1937．

[3] 杨喻淇，曾祥国，韩荣辉，等．爆炸荷载作用桥梁动力响应及损伤的数值模拟[J]．四川建筑科学研究，2012，38(5)：19-23．

[4] 李天华．爆炸荷载下钢筋混凝土板的动态响应及损伤评估[D]．西安：长安大学，2012．

[5] 羊勇，常春伟，管晔，等.基于conwep方法的钢筋混凝土板毁伤研究[J]．军事交通学院学报，2015，17(12):74-78．

(编辑：史海英)

Finite Element Model of Railway High Pier Damage Under Explosive Load

GUAN Ye1, YANG Yong2, CHANG Chunwei1, WANG Wei1

(1.National Defense Traffic Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.Zhengzhou Strategic Projection Base, Zhengzhou 450000, China)

To study the damage mechanism of railway high pier under explosive load and seek the factors and rules influencing battlefield viability of railway high pier, considering the explosive loading of free air, the paper firstly establishes railway high pier damage model with Ansys/LS-DYNA software. Then, it analyzes the damage state of the high pier and isolates the main damage area, and establishes local simulation model of high pier. By simulating calculating and comparing with the result of the whole model, it shows that the species distribution agrees with change rule and local simulation method of railway high pier is reasonable and effective for damage research.

railway high pier; explosive load; whole model of high pier; local model of high pier

2016-11-02；

2017-02-16． 作者简介： 管 晔(1981—)，女，博士，讲师．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.07.021

TU311.3

A

1674-2192(2017)07- 0090- 05