爆炸作用下预应力混凝土梁桥毁伤特性与加固方案探讨

发布时间:2022-04-15 19:53:10 论文编辑:vicky

本文是一篇工程硕士论文,本文通过梁桥抗爆加固优化设计得到的二次多项回归方程与响应面,方程矫正系数 R2 在 0.9894 到 0.9986 之间,响应面预测的最大相对误差在 5%以内,可靠性较高,可用做预测试验或有限元结果。


第 1 章 绪论


1.1 研究背景及意义

交通运输是国民经济发展的强大动力和前提,在军事后勤任务中,同样起着重要作用。桥作为运输的重要据点,在国民经济和军事后勤中发挥着重要作用,虽然在使用过程中可能会受到各种各样的爆炸影响,但是现在的桥在设计施工中通常不考虑桥梁的抗爆性能。目前十分缺乏评估桥梁抗爆性能的理论与方法,因此,有必要开展对桥梁结构爆炸毁伤破坏机理及加固技术方面的研究,为桥梁抗爆提供理论参考及仿真技术手段。

现今世界上也频繁发生战争和恐怖活动引发的爆炸。1999 年,北约空袭南斯拉夫时,50 多座桥受到严重损害,南斯拉夫交通瘫痪,严重影响了南斯拉夫居民的日常生活[1](如图 1-1)。2007 年 4 月,位于伊拉克首都巴格达的萨拉耶大桥被汽车炸弹袭击,被分成了三段[2](如图 1-2)。

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1.2 国内外研究现状

1.2.1 爆炸荷载作用下混凝土梁桥的动态性能研究现状

在爆炸发生时,作用于建筑结构上的爆炸荷载及其分布受结构形式、构件截面形式及尺寸、炸药位置以及冲击波与结构的相互作用等诸多因素的影响,桥梁作为公共基础设施,常处于较空旷的环境中,造成空间尺度相对较大。与传统结构相比,爆炸荷载还具备如下特征:(1)不确定性极高;(2)改变结构受力特性;(3)反射放大效应。随着对混凝土梁桥在爆炸荷载下的相关研究逐渐成熟,国内外学者取得了一些研究成果,其中主要包括三个方面:理论研究、爆炸试验和数值模拟。

(1)理论研究

在理论研究方面,Maazoun[4]开展了全尺寸预应力 T 梁的爆炸试验,分别进行了梁上和梁下爆炸试验。试验结果表明:两种情况的主要失效模式是局部混凝土的橡胶化和剪切破坏,导致整体结构的不稳定和崩溃。陈善江等[5]建立了混凝土结构单元应力平衡关系,并通过混凝土模型破坏试验和工程实例,分析了混凝土结构高应变率的极限破坏形式。发现混凝土模型在快速加载的条件下,结构的破坏承载能力远大于静载作用下的极限承载能力,并借助相似试验的试验结果,推断爆破荷载下混凝土结构的破碎断裂情况。

(2)试验研究

在试验研究方面,高琴等[6]通过压电主动传感技术,分析得到了与混凝土材料损伤程度相对应的损伤指数。研究发现:在爆炸荷载下梁桥上出现的裂纹主要为纵向,适当提高筋率能够减少纵向裂纹的产生。娄凡[7]对预应力混凝土连续 T梁桥进行了桥面上爆炸试验研究。试验结果表明:超压力沿着纵(横)桥显示非线性分布,爆炸中心正下方的超压力峰值最大,周围逐渐衰减。当爆心高度恒定时,随着比例距离的减少,整个桥梁承受的爆炸荷载急剧上升。比例距离恒定时,随着 TNT 当量的增加,超压峰除了桥面爆炸中心正下方没有显著变化外,其他位置均会显著增大。


第 2 章 爆炸荷载及毁伤效应与有限元分析方法


2.1 空气中爆炸冲击理论

2.1.1 爆炸与爆炸荷载

爆炸是指在系统中突然释放物理或化学能量的过程。在这个过程中,系统中的能量(压力能、化学能、原子能等)迅速转化为机械能,并伴有声音、光、热效应。根据爆炸的起因,爆炸分为:物理爆炸、化学爆炸与核爆炸。物理爆炸是爆炸前后爆炸产物的化学成分未变化,仅为物理状态的变化。化学爆炸是物理状态及化学成分均发生改变。核爆炸是一种能量释放极大的爆炸,其压力达到 108-109Mpa 量级,温度达到 106-107K,同时有强光、热、各种粒子辐射。

爆炸荷载的共同点可用短脉冲强载荷来概括,即爆炸荷载作用强度高,速度快,在片刻到达峰值后极速衰减。在爆炸荷载作用下,各种介质相互影响制约,爆炸荷载使介质变形、运动、甚至破坏,而介质变形、运动又影响着爆炸荷载的强度、波形等,这与静荷载显著不同。爆炸荷载对桥梁影响因素主要体现在:(1)炸药属性,如炸药类型、形状及重量;(2)桥梁距起爆点的相对位置;(3)爆炸产生的冲击波与地面、桥梁间的相互影响。

2.1.2 空气中爆炸的特征

根据爆炸现象发生时所处的介质不同,常见爆炸现象分为:空气中爆炸、水中爆炸、岩浆介质中爆炸等。根据炸药约束条件的不同,空气中的爆炸分为:有约束爆炸与无约束。本文主要研究了空气中无约束爆炸的情况。

炸药在空气中起爆后,生成的高压高温爆炸产物瞬间向外扩张,产生的冲击波使四周空气压力和温度飞速提升。如图 2-1 所示,展示了球形炸药冲击波前后的压力分布。中心区域是爆炸前的位置,最外侧为冲击波阵面,其压力 p1 为峰值压力,而阵面内侧的压缩区压力衰减极快,在爆轰产物区外侧产生了一段负压区,压力低于未扰动介质压力 p0,此刻从爆炸产物中分离的冲击波并单独向外传播。随着空气冲击波向外传播,受压缩空气层的厚度越来越大,波阵面压力和传播速度都迅速下降。

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2.2 爆炸对结构的毁伤效应

2.2.1 材料应变率效应

材料在受到高频加载时会产生应变率效应,材料的一些特性会表现出不同程度的提高,如图 2-4 所示,材料的应变率在不同荷载类型下,有着明显的差异。当材料受到爆炸荷载作用时,应变率可达到 102s-1~104s-1 甚至更高,此时应变率效应对材料的特性(如强度、刚度等)的增强作用十分明显。有关数据表明,对于钢筋混凝土结构在受到高频荷载作用时,随着应变率增大,钢筋强度提升约为50%,混凝土抗拉强度与抗压分别提升 4 倍和 2 倍[54]。

2.2.2 爆炸荷载下结构的动态响应

针对结构受到爆炸荷载后,对动态响应的影响因素主要分为以下三个方面:

(1)构件的截面形式与几何尺寸

不同截面形式或几何尺寸会使迎爆面的荷载分布(如圆形截面和矩形截面)、截面的惯性矩和截面的刚度有所改变,导致各个方向的强度不同,同时在不同位置爆炸时,结构中的局部响应也会产生差异。

(2)结构使用的材料

本文梁桥所用的材料为钢筋与混凝土,混凝土自身为脆性材料,动态性能很差,但与钢筋合理的组合使用就使结构具有一定的延性,从而能更好的吸收爆炸产生的冲击能量。并且不同强度的钢筋混凝土和不同的配筋率也会对结构有不同程度的影响。

(3)预应力效应

由于预应力梁桥内施加了初始预应力,因此会改变结构的刚度与自振周期,在一定范围内合理的配置预应力有助于提高梁桥的动态响应,但关于在爆炸荷载作用下预应力效应对梁桥的影响的研究尚且不足,还需通过数值模拟或试验对其研究。


第3章 有限元数值模型与验证...............................21

3.1 有限元模型及数值分析方法.................................21

3.1.1 有限元模型......................21

3.1.2 数值分析方法.........................21

第4章 近爆下预应力混凝土梁桥的动态响应及毁伤分析............................31

4.1 数值模型与计算工况.................................31

4.2 不同影响因素下的毁伤形态分析..............................32

4.3 不同影响因素下的动态响应分析.................................36

第5章 聚脲、BFRP板加固梁桥近爆下的抗爆性能分析............................ 47

5.1 数值模型与计算工况............................47

5.2 毁伤形态......................................49


第 6 章 预应力混凝土梁桥抗爆加固优化设计


6.1 抗爆优化设计理论依据

6.1.1 抗爆性指标

聚脲与纤维作为防护材料,在梁桥受到爆炸冲击载荷时能够起到缓冲吸能的作用,以减少梁桥的损伤。通常梁桥有最大设计挠度的限制,因而要求梁桥在受到冲击时,梁桥的位移或者变形量要尽可能小。由此,最大位移和最终变形量直接表现了梁桥抵抗变形的能力,也都一定程度上反映了抗爆防护材料受到爆炸载荷时对结构的防护能力,均适合用于分析梁桥抗爆性的评价指标。本文选取最大瞬时挠度(Maximum Instantaneous Deflection, MID),作为一个抗爆性指标。另外,综合考虑纤维板与聚脲涂层的吸能能力和轻量化要求,比吸能(Specific EnergyAbsorption, SEA)和面比吸能(Areal Specific Energy Absorption, ASEA)均可作为另一指标评价抗爆材料的吸能特性。比吸能,即单位质量的吸能,可用于结构质量变化较小而总面积保持不变的情况。面比吸能,即单位面密度的总吸能,可用于结构面积和质量均有变化的情况。

6.1.2 多目标优化模型

在结构设计阶段,设计者往往期望各目标性能均能达到最理想状态以确保其在实际应用中发挥最大作用,但是在实际工程中特定工况和约束条件下,各个目标性能之间总是相互遏制并难以同步改进,若改进其中一个目标性能,往往会不可避免地减弱其他目标性能,这就是多目标优化问题。


结论与展望


结论

本文以预应力混凝土梁桥作为研究对象,建立数值计算模型,并针对文献中的试验结果与理论公式同仿真结果进行了对比,验证了数值模拟的合理性与准确性。对不同工况下的梁桥进行了数值模拟,分析其毁伤机理,同时对玄武岩纤维板及聚脲涂层加固后的梁桥进行了仿真模拟,研究了单一及联合材料加固对梁桥抗爆性能的影响。主要得到了以下结论:

(1)梁桥预应力张拉强度的增加可提高整体刚度,破坏模式从弯剪破坏转为弯曲破坏,有效提升了梁桥的整体抗爆能力,减小爆炸荷载下的最大挠度,平均张拉强度每提升 25%,最大挠度下降 36.22%。随着炸药当量的增加,梁桥的破坏模式与振动周期会发生转变,梁桥由弯曲破坏转变为弯剪破坏,梁桥由周期性的摆动转变为丧失周期性,最大挠度达到 179.6mm。在不同起爆位置中,跨中位置下部爆炸影响最为严重,与预应力筋的预拱出现不利于抗爆的叠加效应,较上部爆炸产生了更大的损伤和动态响应。

(2)爆炸发生初期,在梁桥内部产生的应力波主要以初始压缩波为主,在顶部形成大面积的压缩区域,造成梁桥的上部混凝土压溃和钢筋挠曲。当初始压缩波遇到梁桥下部边界时会发生转变,向梁桥支座方向传播,并沿着纵向扩展逐步衰减为稀疏波作用在梁内。由反射作用形成拉伸波向上传播,在底部形成拉伸集中区,造成梁桥下部与侧壁的部分混凝土剥落。

(3)BFRP 加固梁桥,能够减小梁桥背爆面的塑性应变及混凝土剥落程度,条带加固下梁桥的挠度最小且吸能最多,提高了材料的利用率,且纤维厚度越厚破口越小。聚脲加固梁桥,主要减小了梁桥的迎爆面的破口尺寸,改变了破坏模式,吸能效果要优于单一的纤维加固,但阻裂效果不明显。在不同配比厚度的聚脲与 BFRP 板对梁桥进行背爆面的联合加固时,较未加固前动能及内能最大降低了 21.96%、33.15%,聚脲与 BFRP 两种材料各自发挥了材料的自身特性,同时又相互弥补了特性上的不足。

参考文献(略)

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