不同打击方式对桥梁的毁伤效果研究

桥梁作为国民日常生活中的基础交通设施,随着我国道路交通的发展,城市高架桥和跨海大桥数量逐年增长,桥梁在交通运输网络中的作用愈发显著。战时桥梁可起到保障军备运输及协调战区间资源作用,作为重要的陆上运输咽喉,因其具备易损难以修复的特点,桥梁成为重点打击的固定目标,为切断敌方军备补给,针对桥梁的空袭成为战时交战双方重要战略手段[1-4]。早在2004年时我国在建的公路桥梁数量已位居世界前列,近年来随着杭州湾跨海大桥、丹昆特大桥和港珠澳大桥的建成,我国已建成的公路桥和铁路桥总数量超过百万座,成为世界第一桥梁大国,并创造出许多世界桥梁新纪录[5]。

工程结构的抗爆荷载是防护设计的主要考虑因素,研究桥梁爆炸冲击作用下破坏情况可对提高桥梁的安全性及防灾减灾能力提供一定的理论支持。院素静[1]和杨旭等[6]对缩比预应力混凝土连续桥梁墩柱和预制节段拼装桥墩进行LS-DYNA数值模拟和理论分析,分别总结出桥墩破坏机理,何铭华[2]研究了桥墩的破坏模式和能量吸收性能。郑鸿强[7]建立了斜拉桥简化模型,并通过数值仿真的方法分析混凝土结构桥梁的毁伤机理。陈义军等[8]以钢筋混凝土桥梁为研究对象,通过仿真分析建立了桥梁目标易损性模型。冯英骥[9]对比分析箱梁桥不同部位发生爆炸时冲击波与桥梁的作用机理及破坏形式。目前多是关于钢筋混凝土桥梁的破坏机理研究,主要分析桥墩的破坏程度,针对桥面板在爆炸冲击作用下的损伤情况研究较少,关于不同爆心位置对桥面板的破坏程度少有涉及。桥面板作为桥梁主要功能部件,暴露面积大目标明显,是桥梁最易被打击的部位,本研究中以T梁桥面板作为主要研究对象,研究爆心位置和破坏程度的关系,同时对不同工况桥梁剩余承载力进行对比分析。

1 研究内容

T型桥梁是我国道路工程中较广泛的一类桥梁[4],本文主要以T型桥梁的桥面板为研究对象,针对低空爆炸及配备瞬发引信和延时引信战斗部不同起爆时刻对桥面板目标的毁伤效果问题[10-12],首先开展120 kg TNT裸药静爆试验,依据试验结果调整数值模拟模型,获得可靠的仿真模型。其次在该计算模型基础上计算分析3种不同起爆高度的战斗部对桥梁的毁伤程度。各工况战斗部与桥面板相对位置见图1所示,工况1爆心位于桥面中心正上方0.6 m处,工况2爆心位于桥面正中心,工况3爆心位于桥面中心正下方0.6 m处,3种计算工况分别对应装配瞬发引信的目标上表面接触爆、装配延时引信的目标内部侵爆和目标下方侵彻后爆战斗部对桥梁毁伤情况的爆炸模拟。

1.1 数值计算模型

桥梁结构所用混凝土强度等级为C40,梁的跨径为40 m,宽跨比为0.35,普通钢筋均采用 HRB335热轧带肋钢筋,公称直径d=8 mm,预应力钢筋采用公称直径d=15.2 mm 的低松弛高强度钢绞线。计算模型包括T型桥梁、TNT炸药、空气域和地面,采用ALE流固耦合算法。数值计算模型如图2所示。

本研究中主要考虑爆炸对桥面板的毁伤,桥墩内部不建钢筋设为刚体,下部施加固支约束模拟桥梁实际情况。因3种工况均在桥梁中心部位,仅爆心高度不同,综合考虑模型计算时间及可靠性,在桥面中心部位长18.4 m宽6 m的部位建钢筋,钢筋间距为10 cm,混凝土网格尺寸为2 cm,钢筋网格尺寸为4 mm,混凝土钢筋网格划分及战斗部侵彻见图3所示。

混凝土采用 LS-DYNA中的HolmquistJohnson-Cook(HJC)模型,状态方程为 *MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE,材料参数见表1所示。方程表达式如下:

式(1)中: σ*为等效屈服强度; D为损伤程度;P*为归一化应力;ε为应变率的函数,C为应变率系数; BP(*N)为压力强化。

式(2)中: D为损伤程度; ΔμP为塑性体应变; P*为归一化应力; ΔεP为等效塑性应变,损伤程度由塑性应变累计得到。

纵筋和箍筋均采用双线性等效强化弹塑性模型[13-15]*MAT_PIECEWISE_KINEMATIC,通过 Cowper-Symonds 模型考虑钢筋的应变率效应[16-17],材料参数见表2所示。公式如下:

式(3)中:

为有效塑性应变; β为随动强化和等向强化的调整参数; EP为塑性硬化模量; P和C为应变率参数; σ0为钢筋屈服强度。

空气材料模型采用 *Mat_Null,理想气体状态方程为*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL,空气材料密度为1.23 kg/m3,绝热指数为1.4,比热容为2.1×1010 J/(kg·k),方程表达式为:

炸药采用材料模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和Jones-Wilkins-Lee(JWL)状态方程。表达式如下:

式(5)中: P为爆轰压力; E为初始单位体积比内能; R1、R2、ω、A和B为通过试验确定的材料常数。

地面假定理想反射面的刚性平面,有效模拟地面对冲击波的反射作用。

1.2 数值模拟结果与试验对比

国内关于桥梁的数值模拟分析研究较多,但对应试验开展的数量较少,数值方法模拟爆炸冲击对T梁结构的毁伤时,所选取的网格尺寸和材料参数对计算结果的精度有较大影响,本研究通过开展桥梁爆炸试验来验证有限元计算结果的可靠性。

对跨径40 m、宽度14 m的T型桥梁开展静爆试验,炸药为120 kg TNT当量的柱形装药的裸药,以桥面中心为圆心,以装药结构外径为直径于桥面做圆形标记,用以确定装药结构的水平放置位置,调整竖直高度使爆心距桥面板中心位置为0.6 m。在被试桥梁桥面各特征点位布设相关传感器,测量桥梁特征点位置的响应参数,试验后对桥梁结构的破坏情况进行测量。

试验实测爆后桥梁实际毁伤的形状尺寸结果与数值计算结果进行对比,验证计算的结果的准确性。具体桥梁损伤部位和形状结果对比见图4。

由图4可知,试验后的桥梁破坏部位主要集中在桥面板中心,试验与数值计算的桥面板破坏形状均为圆形开洞,数值模拟结果显示爆心正下方的梁肋及横隔板基本无损坏,这与试验情况一致。具体桥梁破坏情况数值计算与试验结果参数见表4。试验桥面板开洞直径为2 961 mm,数值计算结果开洞直径尺寸为2 543 mm,模型计算结果精度为85.8%,钢筋断裂数量及桥梁易损面积、体积等数值模拟准确度均高于70%,说明数值计算模拟采用的模型、网格尺寸和材料参数能够较好地反映T梁爆炸毁伤程度。

2 T梁爆炸冲击的数值模拟结果

主要针对桥梁的关键部位桥面板和T梁结构进行分析,3种工况的战斗部打击桥梁毁伤效果如图5所示。

工况1为桥面正上方空爆,爆心在桥面板上部0.6 m处,毁伤区域主要出现在桥面正中心。破坏形态主要表现为桥面被击穿现圆形凹坑,混凝土板破碎,钢筋断裂。图5(a)为工况1的具体变形云图,混凝土桥面板呈现圆形开洞,开洞直径为2 543 mm,主梁肋板跨中中心位置处有一定裂开,跨中桥底横隔板炸裂出现裂纹,桥内钢筋断裂52根,钢筋塑性损伤区域面积与混凝土一致,断裂处钢筋呈向下弯曲形态。

工况2为桥面板正中接触爆,爆心在桥面板正中心,桥梁破坏来自侵彻和爆炸两方面,毁伤形态为混凝土板呈现圆形贯穿开孔及内部钢筋断裂。图5(b)为工况2的具体变形云图,爆炸开孔直径为3 995 mm,混凝土面板及正中主梁肋完全贯穿,桥面出现大量横向裂纹,相邻的横隔板有一定的大变形但未脱落,桥面板贯穿部位的钢筋全部断裂,断裂纵筋数量为89根。爆心旁边两侧的未加钢筋的中梁肋板受到明显冲击,出现从爆心向外放射状的断裂痕迹,也在一定程度上反映了配筋率在钢筋混凝土结构中抗拉的作用。

工况3为侵彻后延时爆,爆心在桥面板正下方0.6 m处,桥面正中心因侵彻后爆炸出现明显的近似圆形毁伤区域。图5(c)为工况3的具体变形云图,桥面板、中间横隔板及底部梁肋板均被击穿形成出现凹坑,爆炸开孔直径为3 122 mm,桥面混凝土板破碎且裂缝明显。桥面板中钢筋呈向上弯曲的爆炸断裂情况,断裂面近似圆形与爆坑尺寸接近,断裂纵筋总数为70根。

3 桥梁竖向剩余承载力分析

对3种工况爆炸后桥梁结构的剩余承载力及桥梁通行能力进行分析讨论。以桥面板塑性损伤区域为基础,通过毁伤截面来评估桥面板剩余承载能力,量化桥梁的损伤程度,为后续桥梁修复工作提高参考。钢筋混凝土结构竖向承载力,可通过钢筋混凝土轴心抗压强度公式[18]获得:

式(6)中: fc为混凝土轴心抗压强度; fy为纵筋屈服强度;AG为桥面板混凝土截面面积;AS为纵筋总的截面面积。结构的损伤指标D由初始承载力和剩余承载力计算获得,具体见式(7)。表5给出2种工况下桥梁具体损伤数值对比。

通过对桥面板结构进行分析,计算出其竖向的初始承载力为236 718.99 kN。Park等[19]提出依据损伤指标划分毁伤等级,0.1～0.25之间属轻度毁伤,0.25以上属中等破坏,并将≥0.4[20]作为不可修的损伤界线。桥梁破坏程度等级划分依据Park[19]提出的损伤分类指标,工况1属轻度破坏,工况2和工况3属中等破坏,具体损伤指标见表6所示。工况1桥梁属轻度破坏程度,此时失效横截面积占整体截面面积的11.6%,面板有一定区域的破坏损伤,但仍具一定承载能力,塑性变形可在一定时间内修复。工况2属于中等破坏,失效截面面积率为18.1%,桥面板、中间横隔板、底部梁肋板及腹板整体被贯穿,桥梁毁伤程度为3种工况之最。工况3属于中等破坏,失效截面面积率为14.2%,桥面板及腹板整体被贯穿,承载能力受到相当程度的削弱。同种侵彻爆破战斗部爆心位置在桥面板正中时桥梁剩余承载力较爆心在桥面板上方时削弱8.2%,进一步说明爆心位置对打击效果的影响。

4 结论

通过数值计算对比分析了3种起爆位置的爆炸冲击对桥梁的破坏程度,并对桥梁的剩余承载力进行计算。结论如下:

1) 桥面板正上方爆和下方爆的桥梁开洞面积分别为中心爆的40.5%和61.1%,工况2中心爆对钢筋的破坏程度分别高于上方起爆和下方起爆的71.2%和27.1%。

2) 桥面板中心爆时对桥梁的肋梁和桥面板损伤最严重,桥面板、中间横隔板、底部梁肋板及腹板均被贯穿;上方爆时仅桥面板被击穿,紧挨桥面板的肋梁部位未被击穿;桥面板下方爆的桥面板受损伤程度低于中心爆。

3) 使用同种战斗部打击,爆心在桥面板中心的接触爆炸时桥梁破坏程度最明显,爆心在桥面下方的延时爆时桥梁毁伤效果次之,桥面板正上方的空爆毁伤效果最差。

4) 对桥梁类的目标,战斗部打击方式是影响打击效果的重要因素。使用装配延时引信的先侵彻后爆炸的打击方式可获得更显著的桥面板毁伤程度。

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