隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源交換的需求量隨之增大，裝載運(yùn)輸“燃、汽、爆、化”的危化品槽車日益增加。由車輛導(dǎo)致的爆炸層出不窮，作為城市群或區(qū)域協(xié)同交通網(wǎng)中最重要的節(jié)點(diǎn)工程，橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)安全受到嚴(yán)重威脅，橋梁抗爆是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者高度關(guān)注和亟需解決的熱點(diǎn)問題。
當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在橋梁抗爆研究方面，主要圍繞爆炸沖擊荷載試驗(yàn)與數(shù)值模擬方法、橋梁抗爆性能及劣化機(jī)理、橋梁抗爆安全評(píng)估方法等方面進(jìn)行了深入系統(tǒng)的探索，取得了卓有成效的成果。
數(shù)值模擬為爆炸沖擊荷載提供有效參數(shù)
在抗爆研究的試驗(yàn)中，對(duì)于全焊接鋼柱節(jié)點(diǎn)在靜、動(dòng)沖擊載荷作用下的受力性能試驗(yàn)和數(shù)值模擬，從沖擊載荷作用下的截面內(nèi)力和能量吸收兩方面，研究了局部焊接細(xì)節(jié)對(duì)連接行為的影響，并建立了連接件塑性旋轉(zhuǎn)與輸入沖擊能量之間的簡(jiǎn)化關(guān)系，如圖1所示。
通過對(duì)爆炸荷載作用下預(yù)應(yīng)力混凝土柱動(dòng)力特性的數(shù)值研究，模擬了爆炸荷載引起的應(yīng)力波在柱截面內(nèi)、柱高方向的傳播，以及鋼管在爆炸荷載作用下的防護(hù)效果，如圖2所示。結(jié)果表明，柱截面在爆炸荷載作用下的變形主要分為兩個(gè)階段，即壓縮階段和膨脹階段，其中混凝土節(jié)段的破壞主要發(fā)生在后一階段。
通過全尺寸爆破試驗(yàn)研究，測(cè)試混凝土基復(fù)合橋面在近距離爆破荷載作用下的抗爆能力，分析近距離爆炸對(duì)試樣造成的損傷，所有受試復(fù)合材料試樣均出現(xiàn)明顯分層，層狀復(fù)合材料的非均勻性將內(nèi)部回彈引起的爆炸損傷轉(zhuǎn)化為分層損傷。針對(duì)橋面恐怖爆炸事故進(jìn)行的三組預(yù)應(yīng)力t梁模型試驗(yàn)，隨著爆炸當(dāng)量的增加，預(yù)應(yīng)力鋼筋的破壞程度加劇，錨固脫落次數(shù)增加，普通鋼筋由破壞演變?yōu)閿嗔眩A(yù)應(yīng)力t梁腹板的破壞形態(tài)為“x”，腹板兩側(cè)的破壞形態(tài)大致為“i”形。混凝土裂縫數(shù)量增多，裂縫深度增大，裂縫尺寸增大，預(yù)應(yīng)力t梁的局部破壞模式由地震倒塌演變?yōu)榇┩钙茐?，剩余承載力逐漸降低，如圖3所示。
采用碳纖維增強(qiáng)聚合物（cfrp）對(duì)接觸爆炸作用下的鋼筋混凝土橋墩進(jìn)行防護(hù)，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了爆炸試驗(yàn)，分析了鋼筋混凝土橋墩的損傷發(fā)展及cfrp防護(hù)效果，所有試件在接觸爆炸下均發(fā)生局部破壞。通過接觸爆炸下超高性能膠凝復(fù)合鋼管試件的殘余軸向承載力試驗(yàn)研究，進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬。分析了鋼管厚度和強(qiáng)度、芯混凝土抗壓強(qiáng)度、柱直徑等相關(guān)參數(shù)，對(duì)接觸爆轟下的超高性能膠凝復(fù)合鋼管試件局部炸坑深度、爆炸后殘余軸向承載力，以及相應(yīng)的損傷指標(biāo)的影響，可為接觸爆炸條件下超高性能膠凝復(fù)合鋼管試件的爆炸后性能評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)提供有益參考。在抗爆數(shù)值模擬技術(shù)與方法方面，基于等效單自由度模型理論，改進(jìn)了鋼筋混凝土梁抗爆分析的直剪單自由度方法，提出直剪、彎剪聯(lián)合破壞的判定準(zhǔn)則，給出了兩種破壞模式下鋼筋混凝土梁動(dòng)態(tài)響應(yīng)的計(jì)算方法。并考慮爆炸荷載作用下鋼筋混凝土梁的彎曲破壞、直剪破壞和彎剪聯(lián)合破壞，提出鋼筋混凝土梁式構(gòu)件抗爆分析的改進(jìn)等效單自由度方法。通過研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)載荷作用相比，爆炸沖擊載荷作用下的鋼板—混凝土組合結(jié)構(gòu)（spccs）力學(xué)特性與劣化過程存在顯著差異?；跀?shù)值模擬方法對(duì)爆炸作用下鋼板和加勁鋼板的動(dòng)力響應(yīng)和破壞模式進(jìn)行研究，分析了不同工況下頂板、板肋及u肋在爆炸荷載下的動(dòng)力響應(yīng)和破壞模式。結(jié)果表明，u肋抗爆性能更好，加勁板的破壞程度與加勁肋數(shù)量密切相關(guān)，增加u肋端頭隔板有利于提高鋼板的抗扭性能。
通過非線性有限元軟件ansys/lsdyna模擬預(yù)應(yīng)力混凝土板的爆炸試驗(yàn)和炸藥驅(qū)動(dòng)預(yù)制破片試驗(yàn)，研究爆炸波、破片荷載及二者復(fù)合作用下預(yù)應(yīng)力空心板梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)差異。同時(shí)，運(yùn)用參數(shù)化分析方法，研究張拉控制應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力損失水平、混凝土強(qiáng)度、普通鋼筋縱筋配筋率、箍筋間距對(duì)空心板梁動(dòng)力響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，構(gòu)件的抗爆性能隨著張拉控制應(yīng)力增大而增強(qiáng)；在相同張拉控制應(yīng)力作用下，即使構(gòu)件有不同水平的應(yīng)力損失，其抗爆性能也基本相同；提高混凝土強(qiáng)度對(duì)構(gòu)件的抗爆性能作用并不明顯；普通鋼筋縱筋配筋率的提升在一定范圍內(nèi)可小幅度提高構(gòu)件抗爆性能；隨著箍筋間距增加，構(gòu)件的抗爆性能明顯減弱。
通過對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于爆炸荷載緩解研究的系統(tǒng)化總結(jié)，發(fā)現(xiàn)提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和延展性,減少甚至防止碎片飛揚(yáng)，所有應(yīng)用方法都具有很高的潛力。通過對(duì)沖擊荷載和爆炸荷載作用下的鋼筋混凝土(rc)結(jié)構(gòu)的研究,提出的基于鋼筋混凝土梁剩余抗彎承載力的損傷指標(biāo)，評(píng)估其在沖擊荷載和爆炸荷載共同作用下，不同鋼筋混凝土梁的易損性，隨梁深、跨長(zhǎng)和鋼筋配置等重要結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化。如圖4所示。
橋梁抗爆性能與劣化機(jī)理
為研究近爆荷載作用下混凝土橋的受力及破壞特征，采用ale流固耦合分析理論，基于autodyn分析模型，開展不同炸藥當(dāng)量、橋面跨中位置爆炸、支點(diǎn)位置爆炸等近爆荷載作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)，及破壞特征研究。為研究爆炸荷載作用下斜拉橋斜拉索的動(dòng)力響應(yīng)，開展近爆作用下斜拉索的抗爆性能分析，對(duì)斜拉索應(yīng)力和損傷進(jìn)行分析，進(jìn)一步就不同比例距離展開參數(shù)化分析。分析表明，近場(chǎng)爆炸荷載下，斜拉索不會(huì)出現(xiàn)斷裂，其破壞形式表現(xiàn)為應(yīng)力超過屈服應(yīng)力帶來的失效，斜拉索最薄弱的位置是索梁錨固區(qū)，保持斜拉索不失效的安全比例距離為0.287m/kg1/3。將薄壁方管置于爆炸場(chǎng)中進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，并利用非線性動(dòng)力有限元程序ls-dyna完全重啟功能及流體與固體耦合算法，對(duì)薄壁方管在單次爆炸和重復(fù)爆炸載荷下的非線性動(dòng)力響應(yīng)過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬。
為研究彈藥接觸爆炸條件下鋼筋混凝土板的動(dòng)力響應(yīng)及毀傷模式，基于量綱分析得到了接觸爆炸條件下鋼筋混凝土板破壞特征量（正面破壞區(qū)直徑、貫穿區(qū)直徑和背面震塌區(qū)直徑）與柱形裝藥直徑、長(zhǎng)徑比之間的無量綱關(guān)系。在大量的數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上總結(jié)出了裝藥直徑、長(zhǎng)徑比與鋼筋混凝土板破壞特征量關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，以其為重要建筑物、橋梁和防護(hù)結(jié)構(gòu)的毀傷評(píng)估提供一定的參考。通過現(xiàn)場(chǎng)接觸爆轟試驗(yàn)和隨后的軸向壓縮試驗(yàn)研究，表明軸壓下完整柱和爆炸損傷柱均表現(xiàn)為斜剪破壞。在研究新型隔震隔聲材料，三元局部共振超材料（lrm）在土木工程中的應(yīng)用時(shí)，采用解析推導(dǎo)和數(shù)值模擬的方法，分析了爆炸荷載作用下三元lrc結(jié)構(gòu)的機(jī)理和性能，不同材料（天然骨料和鉛）、不同彈性模量和軟涂層厚度對(duì)三元lrc結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。并發(fā)現(xiàn)三元lrc可有效降低爆炸載荷作用下自身結(jié)構(gòu)的損傷。
在研究鋼管混凝土節(jié)段柱的爆破性能時(shí)，通過鋼管混凝土節(jié)段柱現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)，和節(jié)段柱室內(nèi)沖擊試驗(yàn)的分析，將鋼管混凝土節(jié)段柱與傳統(tǒng)的整體柱、預(yù)應(yīng)力整體柱的抗爆性能進(jìn)行比較和參數(shù)化分析，探究了填充混凝土強(qiáng)度、鋼皮厚度、預(yù)應(yīng)力比、節(jié)段數(shù)等因素對(duì)節(jié)段柱抗爆性能的影響。增加鋼板厚度可有效提高鋼管混凝土節(jié)段柱的抗爆性能，同時(shí)提高混凝土強(qiáng)度、預(yù)應(yīng)力和節(jié)段數(shù)，鋼管混凝土節(jié)段柱的抗沖擊承載力。如圖5所示。
采用基于完全耦合拉格朗日模型和歐拉模型的多歐拉域方法，利用商用軟件autodyn，探究汽車爆炸作用下的鋼—混凝土組合橋損傷機(jī)理。結(jié)果表明，爆炸荷載作用下，橋梁破壞經(jīng)歷了彈塑性、塑性和全截面塑性鉸三階段。但支座發(fā)生爆炸時(shí)，鋼梁在彎曲破壞前發(fā)生剪切破壞，兩者作為控制因素決定了結(jié)構(gòu)的抗爆能力。通過對(duì)不同碳纖維布強(qiáng)化比的四種鋼管拱在沖擊荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)提高碳纖維布強(qiáng)化比和混凝土強(qiáng)度可提高管拱抗爆性能，如圖6所示。在此基礎(chǔ)上，建立拱殘余承載力與損傷度之間的聯(lián)系，提出并討論了簡(jiǎn)化理論模型，可用于預(yù)測(cè)拱的極限承載能力。
通過對(duì)于不同截面形狀的鋼筋混凝土柱在接觸和近距離空氣爆炸作用下的損傷特性和動(dòng)力響應(yīng)，以及不同截面形狀的鋼筋混凝土柱，在水下爆炸荷載作用下的抗爆性能進(jìn)行研究，對(duì)比了接觸爆炸和近距離爆炸作用下鋼筋混凝土柱的非線性動(dòng)力響應(yīng)特性和損傷機(jī)理。無論是空氣爆炸還是水下爆炸，截面形狀對(duì)柱的抗爆性能都有顯著影響，采用圓形截面可以有效地提高柱的抗爆性能，如圖7所示。
通過試驗(yàn)得出簡(jiǎn)支邊界小箱梁橋的爆破性能和破壞機(jī)理，研究表明梁上發(fā)生爆炸時(shí)，可導(dǎo)致嚴(yán)重的混凝土剝落和鋼筋斷裂。由于損傷板釋放的能量，橋面以上爆炸時(shí)，局部損傷和耗散振動(dòng)有限。因此，增加梁間距，引導(dǎo)爆炸車輛路徑，可有效降低橋梁倒塌風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)超高性能水泥基復(fù)合鋼管試件接觸爆炸后的剩余抗震性能進(jìn)行研究，并從理論上分析了沖擊荷載和爆炸荷載共同作用下中高層建筑鋼筋混凝土柱的破壞和動(dòng)力響應(yīng)，如圖8所示。通過計(jì)算時(shí)滯參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)在沖擊力達(dá)到峰值時(shí)，連續(xù)爆轟作用下，柱體可受到較大剪切力和較嚴(yán)重整體損傷。此外，在組合荷載情況下，荷載作用于柱中部高度，損傷指數(shù)對(duì)軸壓比和沖擊速度參數(shù)敏感性閾值與單獨(dú)沖擊和爆炸荷載下計(jì)算閾值存在差異。
針對(duì)普通方形鋼筋混凝土橋墩和方形預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩進(jìn)行底部爆炸試驗(yàn)，分析近距離爆炸荷載作用下，預(yù)制節(jié)段鋼筋混凝土橋墩動(dòng)力響應(yīng)和破壞機(jī)理。預(yù)制節(jié)段鋼筋混凝土橋墩在底部爆炸區(qū)出現(xiàn)局部節(jié)段破壞，并因混凝土擠壓應(yīng)力在爆炸區(qū)上方其他節(jié)段部位產(chǎn)生豎向裂縫和混凝土擠壓，節(jié)段界面阻礙了爆炸導(dǎo)致的應(yīng)力流傳播。通過對(duì)鋼筋混凝土柱進(jìn)行試驗(yàn)，探討了橫向鋼筋用量較大細(xì)部設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，采用細(xì)部設(shè)計(jì)可提高柱的抗爆性能，從而減少柱中高度的最大位移和殘余位移，更好地控制裂縫，并能承受較大的爆炸荷載，如圖9所示。
通過材料損傷、斷裂和分離的非線性有限元方法，對(duì)典型鋼筋混凝土橋墩柱抗爆性能進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)爆破承載力與混凝土強(qiáng)度和配筋率基本呈線性關(guān)系，其中配筋率對(duì)爆破承載力的影響最大。單層鋼纖維混凝土適度提高了抗爆性，但額外的鋼纖維混凝土層提供的抗爆效應(yīng)甚微。
多種評(píng)估方法預(yù)判爆炸沖擊下的橋梁安全性
運(yùn)用基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)頻率變化的鋼筋混凝土柱爆炸損傷快速評(píng)估方法，通過研究矩形鋼筋混凝土柱箍筋配箍率、縱筋配筋率和長(zhǎng)細(xì)比，對(duì)爆炸荷載作用前后鋼筋混凝土柱頻率變化的影響規(guī)律，擬合出柱損傷程度與頻率變化之間的關(guān)系公式，建立了在爆炸現(xiàn)場(chǎng)通過頻率測(cè)試，對(duì)矩形鋼筋混凝土柱爆炸損傷程度的快速評(píng)估方法。通過試驗(yàn)提出基于性能鋼筋混凝土構(gòu)件抗沖擊設(shè)計(jì)方法框架。以鋼筋混凝土立柱抗爆設(shè)計(jì)為例，通過非線性有限元分析，得出設(shè)計(jì)構(gòu)件的抗沖擊性能狀態(tài)，并對(duì)不滿足設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到滿足三標(biāo)準(zhǔn)抗爆設(shè)防目標(biāo)的立柱設(shè)計(jì)參數(shù)。
為研究爆炸沖擊作用下節(jié)段拼裝橋墩破壞模式和損傷評(píng)估方法，采用ansys/ls-dyna建立了方形截面整體式橋墩和節(jié)段拼裝橋墩受爆的三維實(shí)體分離式模型。通過改變爆炸tnt當(dāng)量和爆炸距離，對(duì)比分析了不同超壓作用下，整體式橋墩與節(jié)段拼裝橋墩的應(yīng)力變化、破壞模式與損傷機(jī)理，并提出了基于截面損傷與墩身側(cè)移的橋墩受爆損傷評(píng)估方法。提出基于jaya和樹種子算法（tsa）的混合群智能結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法，考慮測(cè)量和有限元建模中的高度不確定性。將結(jié)構(gòu)損傷模擬為單元?jiǎng)偠鹊恼蹨p，將結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別描述為優(yōu)化問題。識(shí)別結(jié)果表明，所開發(fā)的c-jaya-tsa與非概率區(qū)間分析方法相結(jié)合，可準(zhǔn)確地識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷，如圖10所示。
基于數(shù)值分析的結(jié)構(gòu)抗爆性能評(píng)估方法建議的程序包括：（1）選擇嚴(yán)重影響整體結(jié)構(gòu)行為的主要結(jié)構(gòu)部件；（2）設(shè)置由不同爆炸級(jí)別和位置組成的爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)景；（3）使用數(shù)值爆炸模擬評(píng)估部件。通過實(shí)例評(píng)估，可確定每個(gè)部件的臨界爆破水平，并找到對(duì)考慮部件影響最嚴(yán)重的爆破位置，基于情景的評(píng)估方法，將有助于評(píng)估現(xiàn)有橋梁和未來設(shè)計(jì)中橋梁結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下的性能。
抗爆研究是橋梁防災(zāi)減災(zāi)的重要交叉領(lǐng)域，也是近年來國(guó)內(nèi)外工程界高度關(guān)注的熱點(diǎn)話題。在系統(tǒng)研究基礎(chǔ)上構(gòu)建橋梁運(yùn)維安全保障體系，確保特殊條件下的安全性，是運(yùn)維保障體系的重中之重。當(dāng)前抗爆研究主要是以數(shù)值模擬為主，理論分析和試驗(yàn)研究相對(duì)較少，研究對(duì)象大部分針對(duì)橋墩，而理論分析尚不能充分考慮抗剪連接件對(duì)結(jié)構(gòu)的作用。爆炸試驗(yàn)難度較大，對(duì)設(shè)備要求高，數(shù)據(jù)采集不夠完善，缺乏基礎(chǔ)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，相關(guān)試驗(yàn)和測(cè)試技術(shù)仍是下一階段的重點(diǎn)難點(diǎn)。