爆炸冲击作用下混凝土T梁的动态响应.pdf

2 0 1 6年 第 2期 (总 第 3 1 6期 ) Nu mb e r 2 i n 2 0 1 6 ( T o t a l N o 3 1 6) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEoRETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 6 0 2 0 0 7 爆炸冲击作用下混凝 土 T梁 的动态响应 姜天华 ， 杨云锋 ， 龚杰 ，蔡路军 ，朱红兵 ( 武汉科技大学 a 城市建设学院； b 理学院， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ) 摘要： 基于爆炸基本理论， 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炸药量下的动态响应。 同时应用 A N S Y S L S D Y N A软件仿真分析了简支 T梁模 型的动态响应 ， 并与试验结果进行 了对 比分析。 研究结果表明， 爆炸冲击作用下， 混凝土 T梁结构的动态响应对爆炸高度更敏 感， 翼缘板 比梁肋等其他部位 的动态响应要大， 更容易损毁。 所以， 对于梁式桥， 顶板和翼缘板部位的加强有助于桥梁的防爆抗 爆 。 关键词： 爆炸试验 ； 简支 T梁； 动态响应； 仿真分析 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 6 ) 0 2 0 0 2 6 0 3 Dy n a mi c r e s p o n s e o f c o n c r e t e T s e c t i on b e a m u n d e r e x p l o s i v e i m p a c t J I ANG T i a n h u a ， Y ANG Y u n f e n g ， GONG t i e ， C A1 L u j u n ， Z HU Ho n g b i n ( a Co l l e g e o f Ur b a n C o n s t r u c t i o n ；b C o l l e g e o f S c i e n c e ， Wu h a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 0， C h i n a ) Abs t r a ct ： Ba s e d o n t h e b a s i c the o r y o f e x p l os i o n， i t d e s i g n e d a n d ma d e the s i mp l ys u p p o rte d T be a m mo d e l o f c o n c r e t e， a n d s t u d i e d t h e e x p l o s i o n e x p e r i me n t tha t c o mb i n e d d i f f e r e n t e x p l o s i o n h e i g h t a n d d i f f e r e n t e x p l o s i v e a mou n t ， a n a l y s e d the d y n a mi c r e s p o n s e o f s i mp l ys u p p o r t e d T b e a m mo d e l that u n d e r the d i f f e r e n t e x p l o s i o n h e i g h t a n d d i f f e r e n t e x p l o s i v e a mo u n t At t h e s a me t i me， t h e d y n a m i c r e s p o n s e o f s i m p l y s u p p o r t e d T b e a m mo d e l wa s a n a l yz e d b y u s i n g AN S YS LS DYNA s o f t wa r e， a n d the r e s u l t s we r e c o mp a r e d wi th t h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s Th e r e s e a r c h r e s u l t s s h o w tha t u n d e r the a c t i o n o f e x p l o s i o n s h o c k， the d yn a mi c r e s po n s e o f c o n c r e t e T be a m s t r uc t u r e i s m o r e s e n s i t i v e t O e x p l o d i n g h e i g h t ， a n d t h e fla n g e p l a t e s d y n a m i c r e s p o n s e i s l ar g e r tha n r i b b e a m a n d o t h e r p a rts ，S O i t i s mo r e e a s i l y d a ma g e d The r e f o r e， s t r e n g t h e n the fla n g e p l a t e a n d t o p pl a t e c a n h e l p g i r d e r b r i dg es ，a n t i k n o c k e x p l o s i o np r o o f Key wor ds： e x pl o s i o n e x p e r i me nt； s i mp l ys up po r t e d T b e a m ； d y n a mi c r e s p o ns e； s i mul a t i o n a n a l y s i s 近年来桥梁结构 的恐怖袭击 和生产生活 中的意外爆 炸事故” ， 严重影响了桥梁 的正常使用和人民的生命财产 安全。 但是桥梁工程师在设计过程中并没有考虑桥梁 的抗 爆安全性 ， 桥梁 设计 中有抗震 、 抗风 、 桥 墩 防撞 等 明文规 范 ， 但是并没有桥梁结构抗爆方面 的设计规范 。 桥梁结构 在爆炸荷载作用下的结构特性与静力荷载 作用下的结构 特性很多地方都不一样 。 爆 炸冲击荷 载的特殊性 、 混凝土 材料瞬间发生大变形以及结构 的动力 响应 等 ， 这些都 使我们不能采用常用 的静力学计算方法 。 因此 ， 研究爆炸 冲击荷 载作用下桥梁的动态响应特性 ， 从 中探 索出一些减 小爆炸荷载对桥梁危害的措施 ， 可 以为 以后的研究提供参 考 和依据。 1 试 验 研 究 1 1 试 验 模 型 本次试验 以义 昌大桥为原型制作 了 6片长 1 2 m、 宽 0 3 5 I l l 、 高 0 3 7 2 m 的缩尺混凝土 简支 T梁模型。 由于单 片 T梁模型放置本来就缺乏稳定性 ， 在爆炸冲击荷载作用 下更容易倒坍而影响数据的测量， 所以本次试验的模型采 用 的是连接在一起的两片 T梁 ， 接缝采用湿接法 ， 为增 强 模型的横 向稳定性 ， 模拟原桥设 置了横隔板。 试验模 型如 图 1和图 2所示 。 图 1 T梁横断面图( 单位： c m) 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 1 0 c m， 药量每次增加爆破装 药量 2 0 g 。 爆 破测试方案见表 1 。 收稿 日期： 2 0 1 5 0 3 0 5 基 金项 目： 湖北省 自然科学基金项 目( 2 0 1 4 C F B 8 2 2 ， 2 0 1 4 C F B 8 2 3 ) ； 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 2 7 8 3 9 1 ) 2 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 2 T梁俯 视图 ( 单位 ： c m) 表 1 爆破测试方案 1 3试 验 结 果 在本试验所 选用 的炸药作用 下 ， 从起爆 时刻开始 计 时， 大约经过 0 1 S ， 应变迅速达到最大值 ， 之后峰值相对平 缓下降， 逐步进入平稳阶段 。 提取 4次试验 的所有 曲线 的峰值 ， 得到左 、 右 侧翼缘 板和梁 肋 的最 大应 变值表 ， 如 表 2 、 3所示。 表 2 翼缘板应变值 L L 表 3 梁肋 应变 值 s 由表 2 、 3 对 比分析可知 ， 左 、 右两侧梁肋 的应变值很 接近 ， 但是 比翼缘板 的应变值小 了将近一个数 量级 ， 这说 明翼缘板确实将爆炸冲击荷载进行 了分散 ， 一定程度上解 释 了翼缘板 的竖 向应变不显著的现象。 为了让结果更加直观 ， 将数据做成 曲线 图， 如图 3 - 6 所示。 试 验编号 图 3左侧 梁肋应 变 测量值 曲线 由图 3和图 4对 比分析 可知 ， 左 、 右侧 梁肋水平方 向 和竖直方 向的应变变化 曲线非常一致 ， 都随着爆炸高度的 i 制 试验 编号 图 4 右侧梁肋应变测量值曲线 试验编 号 图 5左侧 翼缘 板应 变测量 值 曲线 1 0 OO 8 O O 6 00 4 0 0 嘣 2 00 试 验 编 号 图 6 右侧翼缘板应变测量值 曲线 增大和药量 的增加而递增 。 其 中水平 方向的应变值略大 于 竖直方向的应变值 。 由图 5和图 6对比分析可知， 由于翼缘板直 接承受爆 炸荷载的冲击 ， 然后将 承受的冲击荷载在翼缘板 内沿水平 方 向进行分散 ， 梁肋受 到的荷 载是经过翼缘板的缓冲和分 散作用以后传递而来 ， 所 以翼缘板在爆炸冲击荷 载作用下 的动态响应更加显著。 2 数值分析 2 1 模型建立 采用 A N S Y S L SD Y N A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。 用三维实体单元划 分网格 ： 其 中沿梁的长度方向划分为 4 8等份 ， 沿梁 的宽度 方 向划分为 2 8等份 ； 沿梁高方 向划分为 1 4等 份 ， 其 中翼 缘板部分划分为 4等份 ， 梁肋 部分划 分为 1 0等份 。 如图 7 所示 ， 为 划 分 好 网格 的 混凝 土 T梁 模 型 ， 模 型 共 划 分 1 0 9 4 4 个单元 。 2 2 分析 结果 ( 1 ) 应力波的传播 图 8 - 1 1 所示为不同时刻 T梁 中的应 力波分布情况 ， 由此可 以观察 出爆炸 冲击波在 T梁中的传播规律 。 2 7 枷姗咖 枷猢o 州 略 们 加 呈 、 州 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 大学 ， 2 0 0 3 1 2 林震宇 圆钢管 R P C轴压柱受力性能研究 D 福州 ： 福州大 学， 2 0 0 4 1 3 冯建文 钢管 R P C柱 的力学性能研究 D 北京： 清华大学 ， 2 0 08 1 4 罗华 圆钢管 R P C短柱轴压受力性能研究 D 北京 ： 北京交 通大学 ， 2 0 1 1 1 5 杨国静 冈 管R P C D 匕 京交通大学 ， 2 0 1 3 1 6 闰志刚， 张武奇， 安明酯 圆钢管R P C短柱轴心受压极限承载 力分析 J 北京工业大学学报， 2 0 1 1 ， 3 7 ( 3 ) ： 3 6 1 3 6 7 1 7 林震宇， 张静， 吴炎海， 等 冈 管R P c短柱轴心受压试验研究 J 福 建建筑 ， 2 0 0 3 ( 3 ) ： 2 8 3 O 1 8 吴炎海， 林震宇 钢管 R P C轴压短柱受力性能试验研究 J 中 国公路学报 ， 2 0 0 5 ， 1 8 ( 1 ) ： 6 1 6 6 1 9 林震宇， 吴炎海， 沈祖炎 圆钢管 R P C轴压力学性能研究 J 建筑结构学报 ， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 4 ) ： 5 2 5 7 2 O 田志敏 ， 张想柏， 冯建文 ， 等 冈 管超高性能 R P C短柱的轴压特 性研究 J 地震工程与工程振动 ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 1 ) ： 9 9 1 0 7 2 1 朱倩， 赵均海， 王娟， 等 基于统一强度理论的钢管 R P C短柱承 载力分析r J 工业建筑 ， 2 0 1 2 ， 4 2 ( 1 1 ) ： 1 2 0 ， 1 2 7 1 3 0 2 2 罗华， 季文玉， 闫志刚， 等 加载方式对钢管R P C短柱抗压性能 影响的研究 J 铁道学报， 2 0 1 4 ， 3 6 ( 9 ) ： 1 0 5 1 1 0 2 3 田志敏， 吴平安， 杜修力 钢管R P C短柱的抗轴向冲击性能 J 北 京工业大学学报 ， 2 0 1 0 ， 3 6 ( 4 ) ： 4 8 2 4 8 9 2 4 姚良云 圆钢管 R P C短柱偏压及长柱轴压受力性能研究 D 福州： 福州大学 ， 2 0 0 5 2 5 姚良云 钢管R P C长柱轴压受力性能试验研究 J 福建建设 科技 ， 2 0 0 7 ( 6 ) ： 1 51 6 ， 1 8 上接第 2 8页 值上相差较大 ， 但是 H j 线趋势是一致 的。 翼缘板 的最大应 变值增长要 比梁肋快很 多， 这一规律和试验得 到的曲线 比 较一致 ， 这说 明在桥梁上方 的爆炸荷载作用下 ， 翼 缘板 比 梁肋等其他部位 的动态响应要大 ， 更容易损毁 。 所以对梁 式桥的翼缘板和顶板加强有助于桥梁的防爆抗爆 。 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 西 安： 长安大学， 2 0 0 9 2 张秀华， 段忠东， 张春巍 爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动 力响应和破坏过程分析 J 东北林业 大学学报 ， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 5 O 一5 3 3 李巧燕 爆炸荷载1 乍 用下考虑损伤时的混凝土构件响应分析 D 西安 ： 长安大学， 2 0 0 7 r 4 D A K HA K H N I W W， ME K K Y W F ， C H A N G I Z S H V u l n e r a b i l i t y s c r e e n i n g a n d c a pa c i t y a s s e s s me n t o f r e i n f o r c e d c o n c r e te c o l U lT m S s u b j e c t e d t O b l a s t J J o u r n a l o f P e r f o r m a n c e o f C o n s t r u c t e d F a c i l i t i e s ， 2 0 0 9 ， 2 3 ( 5 ) ： 3 5 3 3 6 5 5 匡志平， 杨秋华， 崔满 爆炸荷载下钢筋混凝土粱的试验研究 和破坏形态 J 同济大 学学报 ( 自然 科学 版) ， 2 0 0 9 ( 9 ) ： 2 6 吴炎海， 姚良云 圆钢管 R P C轴压长柱的受力性能试验研究 J 建筑结构 ， 2 0 0 9 ， 3 9 ( S 1 ) ： 8 2 1 8 2 3 2 7 季文玉， 罗华， 杨国静 钢管 R P C长柱轴压性能试验研究 J 中国铁道科学， 2 0 1 4 ， 3 5 ( 1 ) ： 2 8 3 3 2 8 杨骏 钢管 R P C长柱轴心受压J l生能研究 D 北京： 北京交通 大学 ， 2 0 1 3 2 9 杨骏， 闰志刚， 罗华 圆钢管 R P C长柱轴心受压承载力分析 J 铁 道建筑， 2 0 1 3 ， 4 3 ( 1 0 ) ： 1 3 6 1 3 9 3 0 姚良云， 吴炎海 ， 林清 钢管 R P C短柱偏心受压受力性能试验 研究 J 福建建筑， 2 0 0 5 ( 3 ) ： 2 1 2 3 3 1 姚良云 钢管 R P C短柱偏压 的变形分析 J 福建建设科技 ， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 2 4 2 5 ， 2 9 3 2 吴炎海， 曾建仙 圆钢管R P C偏压长柱的受力性能试验研究 c 工程力学 ， 2 0 0 8 ： 1 5 8 1 6 2 3 3 闫志刚， 罗华 ， 安明酯 钢管 R P C柱界面黏结性能研究 J 土 木工程学报， 2 0 1 0 ， 4 3 ( 8 ) ： 5 7 6 2 3 4 闰志刚 ， 安明酷， 吴捧捧 ， 等 钢管 R P C界面黏结强度试验研 究 J 中国铁道科学， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 6 ) ： 71 1 3 5 李占辉 圆钢管约束下活性粉末混凝土本构模型有限元分析 D 北京 ： 北京交通大学 ， 2 0 1 2 3 6 曹思琦 圆钢管 R P C柱受压极限承载力的有限元分析 D 北 京 ： 北京交通大学 ， 2 0 1 4 第一作者 联 系地址 联 系 电话 邹慧辉( 1 9 9 3一) ， 男 ， 硕士研究生 ， 主要从事结构抗冲 击爆炸作用研究。 江苏省南京市秦淮区光华路海福巷 1 号 解放军理工 大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室( 2 1 0 0 0 7 ) 1 5 2 9 8 3 7 96 4 0 1 1 5 3 1 1 56， 1 21 6 6 常凯 竖向爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁l生能的有限元分析 D 长春 ： 吉林建筑工程学院 ， 2 0 1 2 7 J O N E S J ， wu C ， O E H L E R S D J ， e t a 1 F i n i te d i f f e r e n c e a n a l y s i s o f s i m p l y s u p p o r t e d R C s l a b s f o r b l a s t l o a d i n g s r J E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s ， 2 0 0 9， 31： 2 8 2 528 3 2 8 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， 2 0 1 3 9 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 ) ， 2 0 1 1 ( 6 ) ： 1 5 1 9 + 9 7 1 0 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， 2 0 1 0 ( 6 ) ： 1 6 第一作者： 姜天华( 1 9 7 1 一) ， 男， 博士， 教授， 主要从事道桥方向 的教学与科研。 联系地址 ： 湖北省武汉市武 昌区雄楚大街 1 9 9 号 武汉科技大学 1 7 号信箱( 4 3 0 0 7 0 ) 联系电话 ： 1 8 9 7 1 2 5 0 7 4 0 33 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m