轻质挂板对桥墩抗爆性能影响的研究

1、研究背景

桥梁在交通系统中发挥着重要作用，在恐怖袭击和意外事故导致爆炸作用下发生损伤或垮塌的情况时有发生。桥梁设计虽然考虑了风载荷、地震载荷、车辆撞击载荷等因素，但通常未考虑爆炸荷载作用下的响应和防护。随着材料研究的发展，将轻质挂板安装于结构表面降低结构在爆炸荷载作用下的损伤已成为一种新型防护方法，受到了越来越多的关注。此类挂板由面板和密度较低、易压缩、吸能效率较高的多孔材料或轻质结构芯层构成，可吸收部分爆炸能量，降低传递到被保护结构的能量从而达到防护效果，在建筑结构爆炸防护领域得取得了一定成果，然而在桥梁爆炸防护领域未见报道。本研究使用非线性显式有限元软件ANSYS/LS-DYNA，通过试验验证过的数值建模方法建立桥墩受爆炸载荷模型，对爆炸载荷作用下安装挂板与否两种情况下桥墩的损伤进行对比，并对影响挂板防护性能的重要因素进行参数分析，所得结论对挂板在桥墩爆炸防护中的应用具有一定指导意义。

2、材料模型

爆炸试验数值模型中涉及的主要材料包括炸药、空气、混凝土和钢

炸药材料采用高能炸药HIGE_EXPLOSIVE_BURN模型和Jones-Wilkins-Lee（JWL）状态方程，等熵表达式为：

空气采用空物质材料模型MAT_NULL和线性状态方程LINEAR_POLYNOMINAL进行模拟，其线性多项式状态方程为：

在爆炸冲击等强动载作用下，混凝土需要考虑应变率效应。本模拟采用73号K&C模型（MAT_CONCRETE_DAMAGE）模拟混凝土材料，通过输入动力增大系数（DIF）与应变率的曲线来考虑混凝土的应变率效应。混凝土抗压强度动力增大系数可以通过以下公式计算：

钢筋采用随动塑性材料模型MAT_PLASTIC_KINEMATIC，通过Cowper-Symonds模型中的参数C和p来考虑应变率的影响，输入的钢筋材料模型参数如表4所示：

3、有限元模型

建立桥墩数值模型。为分析挂板的爆炸防护效果，需研究对比工况。建立的数值模型如图2所示，其中蓝色部分为炸药，绿色部分为桥墩，红色部分为轻质挂板。图2（a）为无挂板防护桥墩受爆炸荷载作用模型示意图，图（b）为安装挂板防护桥墩受爆炸荷载作用模型示意图。轻质挂板由钢面板和芯层组成,芯层采用可压缩泡沫宏观等效模型。炸药质量为30kg，方形装药，炸药中心距桥墩表面15.3cm，炸药中心距地面100cm，炸药和空气参数同表1和表2。为实现爆炸冲击波与桥墩的耦合，建立尺寸为328×860×318cm空气域，空气域未在图中显示。模型中钢筋使用Beam161单元，其余使用Solid164单元，混凝土材料模型为73号K&C模型，抗压强度为40MPa。钢筋材料模型为MAT_PLASTIC_KINEMATIC，屈服强度为392MPa，其余参数与表4相同。空气边界为无反射边界，考虑基础对桥墩的约束作用，桥墩底部节点约束全部自由度，考虑桥墩上部结构对桥墩的约束作用，柱头约束入射冲击波方向的水平位移。

图2 有无挂板两种情况下桥墩受近爆作用数值模型

4、结果对比分析

4.1 无挂板防护

在无挂板防护作用的情况下，应力波在桥墩迎爆面的传播过程如图3所示。可以看出，在时，爆炸冲击波开始作用于桥墩表面，正对炸药的混凝土超过其极限抗压强度而剥落，桥墩面板出现小的爆坑，混凝土包裹的钢筋露出。爆炸冲击波进入空心桥墩内部，并随后作用于背爆面，冲击波在空气中的传播过程如图4所示（沿炸药中心水平切面）。从图4可以看出，爆炸冲击波在桥墩面板处发生反射和绕射，并在桥墩面板出现爆坑之后进入空心桥墩内部继续传播，随后到达桥墩背板，首先在背板中心处出现应力集中。冲击波到达背板后向两侧继续传播，在背板和侧板交界棱处出现应力集中并发生发射，随后背板中心处出现第二次应力集中。桥墩的最终破坏情况如图5，正对炸药中心的混凝土破坏最严重，出现较大爆坑，混凝土基本全部剥离，且在爆坑周围出现多条向四周延伸的裂纹。在桥墩侧面，靠近迎爆面的部分混凝土剥离，混凝土破坏面呈弧形，也出现多条向四周延伸的裂纹。桥墩背爆面相对破坏较小，与炸药同一高度处也出现了爆坑，中心混凝土剥离，内部钢筋露出，裂纹向四周延伸。

图3 应力波在桥墩迎爆面的传播

图4 冲击波在空气中传播过程

图5 无挂板桥墩破坏情况

4.2 有挂板防护

安装挂板防护桥墩在受到爆炸荷载作用时，冲击波首先作用于挂板面板，芯层吸收一部分能量后通过载荷传递将芯层压缩力作用于桥墩。挂板面板为厚度为1cm的钢板，芯层厚度10cm，为泡沫混凝土填充蜂窝，准静态压缩下其应力应变曲线如图6所示。桥墩的破坏情况如图7所示，对比图4可以看出，在有挂板防护作用下，桥墩的损伤程度显著降低。使用Measure对正对炸药的桥墩爆坑面积进行测量。无挂板防护桥墩迎爆面混凝土剥落面积约为44200cm²，安装挂板情况下，相同位置混凝土剥落面积约为22550cm²，面积减小了49%。挂板的防护机理为：爆炸冲击波首先作用于挂板面板，面板获得动能，随后面板开始对泡沫芯层进行压缩。在压缩过程中，挂板传递给桥墩的荷载为芯层压溃力，因而在挂板破坏前传递给桥墩的荷载较小。在近场爆炸荷载作用下，轻质挂板发生局部破坏，在破坏过程中，挂板通过钢面板的塑性变形、断裂和芯层压缩吸收了大量能量，因而降低被保护桥墩的损伤。

图6 芯层准静态压缩应力应变曲线

图7 有挂板桥墩破坏情况

5、结论

应用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立数值模型，对比模拟结果与试验结果验证建模方式有效性与计算精度。采用已验证建模方式建立桥墩抗爆数值模型，通过参数分析对面板厚度、芯层密度及芯层厚度对挂板抗爆性能的影响进行分析，得出以下主要结论：安装挂板可有效减轻桥墩在爆炸荷载下的损伤；

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