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輕質掛板對于橋墩的抗爆性能研究

1、研究背景

橋梁在交通系統中發揮著重要作用，在恐怖襲擊和意外事故導致爆炸作用下發生損傷或垮塌的情況時有發生。橋梁設計雖然考慮了風載荷、地震載荷、車輛撞擊載荷等因素，但通常未考慮爆炸荷載作用下的響應和防護。隨著材料研究的發展，將輕質掛板安裝于結構表面降低結構在爆炸荷載作用下的損傷已成為一種新型防護方法，受到了越來越多的關注。此類掛板由面板和密度較低、易壓縮、吸能效率較高的多孔材料或輕質結構芯層構成，可吸收部分爆炸能量，降低傳遞到被保護結構的能量從而達到防護效果，在建筑結構爆炸防護領域得取得了一定成果，然而在橋梁爆炸防護領域未見報道。本研究使用非線性顯式有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，通過試驗驗證過的數值建模方法建立橋墩受爆炸載荷模型，對爆炸載荷作用下安裝掛板與否兩種情況下橋墩的損傷進行對比，并對影響掛板防護性能的重要因素進行參數分析，所得結論對掛板在橋墩爆炸防護中的應用具有一定指導意義。

2、材料模型

爆炸試驗數值模型中涉及的主要材料包括炸藥、空氣、混凝土和鋼

炸藥材料采用高能炸藥HIGE_EXPLOSIVE_BURN模型和Jones-Wilkins-Lee（JWL）狀態方程，等熵表達式為：

空氣采用空物質材料模型MAT_NULL和線性狀態方程LINEAR_POLYNOMINAL進行模擬，其線性多項式狀態方程為：

在爆炸沖擊等強動載作用下，混凝土需要考慮應變率效應。本模擬采用73號K&C模型（MAT_CONCRETE_DAMAGE）模擬混凝土材料，通過輸入動力增大系數（DIF）與應變率的曲線來考慮混凝土的應變率效應。混凝土抗壓強度動力增大系數可以通過以下公式計算：

鋼筋采用隨動塑性材料模型MAT_PLASTIC_KINEMATIC，通過Cowper-Symonds模型中的參數C和p來考慮應變率的影響，輸入的鋼筋材料模型參數如表4所示：

3、有限元模型

建立橋墩數值模型。為分析掛板的爆炸防護效果，需研究對比工況。建立的數值模型如圖2所示，其中藍色部分為炸藥，綠色部分為橋墩，紅色部分為輕質掛板。圖2（a）為無掛板防護橋墩受爆炸荷載作用模型示意圖，圖（b）為安裝掛板防護橋墩受爆炸荷載作用模型示意圖。輕質掛板由鋼面板和芯層組成,芯層采用可壓縮泡沫宏觀等效模型。炸藥質量為30kg，方形裝藥，炸藥中心距橋墩表面15.3cm，炸藥中心距地面100cm，炸藥和空氣參數同表1和表2。為實現爆炸沖擊波與橋墩的耦合，建立尺寸為328×860×318cm空氣域，空氣域未在圖中顯示。模型中鋼筋使用Beam161單元，其余使用Solid164單元，混凝土材料模型為73號K&C模型，抗壓強度為40MPa。鋼筋材料模型為MAT_PLASTIC_KINEMATIC，屈服強度為392MPa，其余參數與表4相同。空氣邊界為無反射邊界，考慮基礎對橋墩的約束作用，橋墩底部節點約束全部自由度，考慮橋墩上部結構對橋墩的約束作用，柱頭約束入射沖擊波方向的水平位移。

圖2 有無掛板兩種情況下橋墩受近爆作用數值模型

4、結果對比分析

4.1 無掛板防護

在無掛板防護作用的情況下，應力波在橋墩迎爆面的傳播過程如圖3所示。可以看出，在時，爆炸沖擊波開始作用于橋墩表面，正對炸藥的混凝土超過其極限抗壓強度而剝落，橋墩面板出現小的爆坑，混凝土包裹的鋼筋露出。爆炸沖擊波進入空心橋墩內部，并隨后作用于背爆面，沖擊波在空氣中的傳播過程如圖4所示（沿炸藥中心水平切面）。從圖4可以看出，爆炸沖擊波在橋墩面板處發生反射和繞射，并在橋墩面板出現爆坑之后進入空心橋墩內部繼續傳播，隨后到達橋墩背板，首先在背板中心處出現應力集中。沖擊波到達背板后向兩側繼續傳播，在背板和側板交界棱處出現應力集中并發生發射，隨后背板中心處出現第二次應力集中。橋墩的最終破壞情況如圖5，正對炸藥中心的混凝土破壞最嚴重，出現較大爆坑，混凝土基本全部剝離，且在爆坑周圍出現多條向四周延伸的裂紋。在橋墩側面，靠近迎爆面的部分混凝土剝離，混凝土破壞面呈弧形，也出現多條向四周延伸的裂紋。橋墩背爆面相對破壞較小，與炸藥同一高度處也出現了爆坑，中心混凝土剝離，內部鋼筋露出，裂紋向四周延伸。

圖3 應力波在橋墩迎爆面的傳播

圖4 沖擊波在空氣中傳播過程

圖5 無掛板橋墩破壞情況

4.2 有掛板防護

安裝掛板防護橋墩在受到爆炸荷載作用時，沖擊波首先作用于掛板面板，芯層吸收一部分能量后通過載荷傳遞將芯層壓縮力作用于橋墩。掛板面板為厚度為1cm的鋼板，芯層厚度10cm，為泡沫混凝土填充蜂窩，準靜態壓縮下其應力應變曲線如圖6所示。橋墩的破壞情況如圖7所示，對比圖4可以看出，在有掛板防護作用下，橋墩的損傷程度顯著降低。使用Measure對正對炸藥的橋墩爆坑面積進行測量。無掛板防護橋墩迎爆面混凝土剝落面積約為44200cm²，安裝掛板情況下，相同位置混凝土剝落面積約為22550cm²，面積減小了49%。掛板的防護機理為：爆炸沖擊波首先作用于掛板面板，面板獲得動能，隨后面板開始對泡沫芯層進行壓縮。在壓縮過程中，掛板傳遞給橋墩的荷載為芯層壓潰力，因而在掛板破壞前傳遞給橋墩的荷載較小。在近場爆炸荷載作用下，輕質掛板發生局部破壞，在破壞過程中，掛板通過鋼面板的塑性變形、斷裂和芯層壓縮吸收了大量能量，因而降低被保護橋墩的損傷。

圖6 芯層準靜態壓縮應力應變曲線

圖7 有掛板橋墩破壞情況

5、結論

應用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA建立數值模型，對比模擬結果與試驗結果驗證建模方式有效性與計算精度。采用已驗證建模方式建立橋墩抗爆數值模型，通過參數分析對面板厚度、芯層密度及芯層厚度對掛板抗爆性能的影響進行分析，得出以下主要結論：安裝掛板可有效減輕橋墩在爆炸荷載下的損傷；