爆炸荷载作用下简支转连续T梁桥损伤及剩余承载力研究

付佳欣

（北京工业大学，北京 100124）

0 引言

我国是交通大国，桥梁作为交通线路建设中的关键工程，既是平时保障交通线路正常运行的控制性路段，也是战争中重点争夺和控制的对象[1-2]。军事战争以及日常事故引起的爆炸荷载都会对桥梁造成严重的破坏[3-5]，不仅会造成巨大的经济损失，还会严重威胁交通通行的安全。基于此，以某三跨预应力混凝土简支转连续T梁桥为例，利用LS-DYNA和MIDAS软件对预应力混凝土简支转连续T梁进行爆炸荷载作用下破坏损伤和剩余承载力的模拟研究，对桥梁毁伤前后的桥梁承载力进行对比分析。

1 工程概况

某桥梁工程为（3×34.5）m的三跨预应力混凝土简支转连续T梁桥，桥宽20m，T梁截面高度2.4m。桥梁上部结构采用C50混凝土，预应力钢束采用φs15.2低松弛钢绞线，Ep=1.95×105 MPa,抗拉强度标准值1860MPa，预应力张拉控制应力1395MPa。预应力孔道采用预埋塑料波纹管，k=0.0015，μ=0.17。桥梁的平面图如图1所示，预应力钢筋布置分别如图2所示。

图1 桥梁平面示意图

图2 T梁预应力钢筋布置图

2 爆炸荷载作用下简支转连续T梁损伤分析

2.1 模型建立

为了提高计算效率，节省计算时间，利用LS-DYNA软件选取等截面三跨预应力简支转连续T梁桥的一跨来分析，建立与原型桥一致的模型，模拟桥梁在爆炸作用下的损伤。混凝土单元采用solid164单元，钢筋与预应力钢束均采用beam161单元。钢筋和预应力钢束网格尺寸横向与纵向均为5cm，跨中混凝土网格尺寸横向与纵向均为5cm，靠近两侧支座的混凝土横向网格尺寸为5cm，纵向网格尺寸为10cm。全桥混凝土单元数量3565200，钢筋单元数量为865400，预应力钢束单元数量为31200。有限元模型如图3所示。

图3 预应力钢筋混凝土T梁有限元模型

钢筋材料使用塑性随动模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型[6]，钢筋材料参数如表1所示。

表1 钢筋材料参数表

混凝土材料模型采用*MAT_CONCRETE_DAMAGE_REL3模型[6]，混凝土参数如表2所示。

表2 混凝土材料参数表

2.2 T梁损伤分析

利用LS-DNYA软件共模拟了5种典型工况[7]，分别为：（1）桥面板100kg炸药当量爆炸；（2）桥面板200kg炸药当量爆炸；（3）桥面板300kg炸药当量爆炸；（4）桥面板400kg炸药当量爆炸；（5）桥面板500kg炸药当量爆炸。由于爆炸工况复杂，下面以300kg炸药当量爆炸为例，说明在T梁跨中桥面板上爆炸时的损伤情况。

工况3炸药当量为300kg，在T梁跨中桥面板上爆炸，损伤云图如图4所示。

图4 300kg炸药当量爆炸情况下T梁损伤云图

从图4中可以看出，在T梁跨中桥面板发生爆炸后，T梁的桥面板被炸出孔洞，孔洞类似长方形，长为3.0m，宽为2.0m。洞口周围的混凝土虽未完全破坏，但与周围相邻的混凝土已失去可靠粘结，洞口内的箍筋与纵向钢筋均已断裂。在洞口周围，出现了明显的混凝土环形压碎区，在压碎区边缘处形成了多条30～45°的斜向裂缝，并向四周开展。桥梁形成了多条贯穿全桥的纵向裂缝。从图4中也可以看出，当炸药当量为300kg的炸药在桥面板爆炸时，爆炸荷载对腹板也造成了损伤，爆心所在截面的两侧相邻4片T梁的腹板被炸断。

将所有工况的损伤整理见表3。

表3 各工况桥梁损伤表

3 损伤后T梁剩余承载力分析

3.1 模型建立

建立MIDAS原桥模型，为了方便模拟损伤后的桥梁，使用梁格法建立全桥模型。定义主梁混凝土，纵向预应力筋，普通钢筋这些材料，建立节点和梁单元并赋予其已经定义的材料类型，输入截面的具体尺寸。通过定义时间依存材料，控制混凝土材料的收缩徐变。桥梁模型如图5所示。

图5 预应力钢筋混凝土T梁有限元模型

两端桥台和1#桥墩处采用滑动支座，约束y、z方向的移动和x、z方向的转动；2#桥墩处采用固定支座，约束x、y、z方向的移动和x、z方向的转动。

定义好桥梁的恒荷载、预应力荷载、温度荷载、和移动荷载。

3.2 T梁损伤模拟结果分析

以LS-DYNA计算模拟损伤结果表3为依据，在有限元软件MIDAS里，将各个工况损伤后的混凝土单元和钢筋对应删除，对爆心周围没有被删除的混凝土单元进行刚度折减，研究不同炸药当量对桥梁整体承载力的影响。

等截面三跨预应力简支转连续T梁，考虑到对称性，爆炸荷载位置选取桥梁5个典型位置：位置A，第一跨靠近0#桥台支点处；位置B，第一跨跨中；位置C，靠近1#桥墩左侧支点处；位置D，靠近1#桥墩右侧支点处；位置E，第二跨跨中处，如图6所示。分别在这5个典型位置施加100kg、200kg、300kg、400kg和500kg当量的炸药。选取T梁9个典型位置截面，分析其在不同爆炸荷载作用下的承载力，如图7所示。

图6 爆炸典型位置

图7 典型位置观测截面

1～9位置在成桥正常使用阶段未发生破坏时截面在最小荷载组合作用下，如表4所示。

表4 正常使用阶段预应力简支转连续T梁典型截面弯矩表

将A、B、C、D、E五个截面在100～500kg炸药当量下所有工况进行模拟，计算整理在最小荷载组合作用下截面的弯矩，计算结果汇总至图8。

图8 截面弯矩图

由图8可知，在同一个爆炸位置时，随着炸药当量的增加，爆炸影响范围也随之增加，对截面的弯矩和正截面抗弯承载力的影响也越来越大。爆炸只对所在跨径的结构有影响，对其他跨径的桥梁结构影响很小。当爆炸位置在第一跨靠近0#桥台支点处和第一跨跨中处时，在9个截面中对截面1的影响最大，其最大弯矩相较于破损前桥梁截面弯矩增大了51.46%和86.46%；当爆炸位置在靠近1#桥墩左侧支点处时，在9个截面中对截面1和截面2都有较大影响，其中对截面2影响最大，最大弯矩相较于破损前桥梁截面弯矩增长了162.89%；当爆炸位置在靠近1#桥墩右侧支点处时，在9个截面中对截面4、截面5和截面6都有较大影响，其中对截面4的影响最大，最大弯矩相较于破损前桥梁截面弯矩增长了118.68%；当爆炸位置在第二跨跨中处时，在9个截面中对截面4、截面5和截面6都有较大影响，其中对截面5的影响最大，最大弯矩相较于破损前桥梁截面弯矩增长了115.58%。

综合分析各个工况的弯矩图，本文研究的简支转连续T梁桥两个支点处（截面3和截面7）的弯矩始终都没有超过最大承载力；当爆炸荷载作用于T梁跨中位置时，对桥梁整体承载力的影响最显著。

4 结束语

本文以预应力简支转连续T梁桥为研究对象，建立了LS-DYNA有限元分析模型，探究了爆炸当量和爆炸位置对连续T梁桥的损伤影响，进而结合MIDAS软件模拟了相应的爆炸损伤对桥梁整体承载力的影响。得出以下结论：

（1）当爆炸荷载作用在简支转连续T梁桥面板上时，形成了类似长方形孔洞，孔洞面积随着炸药当量的增加而变大。腹板的损伤程度会随着炸药的增加而增加，腹板损伤数量也会随之增多。且当炸药当量为100～500kg时，T梁桥横截面都没被炸断，T梁桥的结构体系并未发生改变。

（2）当爆炸荷载作用在简支转连续T梁桥面板上时，当爆炸位置相同时，随着炸药当量增加，爆炸对桥梁的正常使用性能和正常使用极限状态（承载能力）影响增大，且爆炸影响的范围逐步增大，但爆炸只对所在跨径结构弯矩的影响大，对其他跨径弯矩的影响很小；当炸药当量相同时，在跨中处爆炸对简支转连续T梁桥弯矩和正截面抗弯承载力的影响比在靠近支座处爆炸时影响大。