爆炸载荷下典型桥梁表面应变测试及分析

张 灿, 张春燕, 孔德仁, 薛超阳, 徐春冬

(南京理工大学 机械工程学院,江苏 南京 210094)

桥梁在使用寿命内会面临着意外爆炸和恐怖袭击等潜在威胁,爆炸载荷作用下桥梁结构表面应变是评价桥梁易损性的基础支撑,准确测量桥梁表面应变对桥梁防护设计、易损性评价及毁伤评估具有重要的工程意义。部分学者基于仿真分析对桥梁进行研究[1-3],但是仿真结果的准确性与多种因素相关,所以试验测试在桥梁研究中是必不可少的环节,而应变作为衡量桥梁形变的重要指标,引起了大量学者的关注。

院素静[4]对T梁桥开展墩柱近场爆炸试验,结果表明桥底近场爆炸下墩柱中大部分钢筋瞬时动应变超过其屈服强度,墩底纵筋和箍筋均出现明显屈服;闫国华[5]对小箱梁桥开展了不同爆心位置、不同当量的爆炸试验,研究了箱梁桥内部和表面应变变化规律;蔡路军等[6]基于简易T梁桥爆炸试验,研究了翼板和腹板应变变化规律,结果表明翼板横向应变大于纵向应变,腹板纵向应变大于横向应变。由于大型桥梁试验花费巨大的人力物力,所以部分学者针对单独的混凝土梁部件进行研究。李猛深等[7]通过爆炸压力模拟器研究了混凝土简支梁在爆炸冲击中的变形,应变曲线和仿真结果基本吻合;许凯等[8]通过应变片监测了爆炸环境下钢筋混凝土梁的动态响应,结果表明爆炸载荷下梁底的应变峰值远大于梁侧的应变峰值。众多学者对爆炸载荷下桥梁不同部位进行了研究,但是对于大型桥梁表面接触爆炸工况下横隔板位置处翼板和腹板的变形情况的研究相对较少。

文章选取典型T梁桥为研究对象,以桥梁表面应变测试和分析为出发点,首先通过仿真分析解决桥梁表面应变测点布设和应变片选型问题,然后设计了桥梁表面应变测试系统,采取了必要的补偿和抗干扰措施,最后开展了桥梁表面接触爆炸试验并对测试结果进行分析,以期为桥梁表面应变测试和桥梁抗爆设计提供参考。

1 桥梁结构表面应变有限元仿真分析

试验模型为一跨五梁式T梁桥,桥梁跨中横截面尺寸如图1所示,桥梁长10 000 mm,宽3 500 mm高2 300 mm,T梁高度为610 mm。

图1 桥梁跨中横截面尺寸

1.1 有限元仿真模型

试验工况为30 kg TNT在桥面板中间位置接触爆炸,仿真模型为试验模型的1/10,混凝土和钢筋分别采用拉格朗日实体单元和梁单元建模,不考虑钢筋与混凝土间的粘结滑移,单元之间通过共节点连接[7],空气域使用欧拉算法,尺寸为460 mm×600 mm×170 mm,沿桥梁纵向包裹半段桥梁,混凝土和空气网格尺寸统一为10 mm,根据爆炸相似律[4],仿真模型中TNT当量应为30 g,炸药采用立方体装药方式通过填充放置在桥梁上表面跨中位置,起爆点设置在炸药中心位置,炸药尺寸为30 mm×30 mm×20 mm,相应的TNT当量为29.34 g,采用ALE多物质流固耦合的方式施加爆炸载荷,以减少单元网格畸变现象[9]。选用强度为C35的混凝土材料和带损伤破坏的RHT材料模型,炸药选择能较好地表征爆轰产物膨胀做功的JWL(Jones-Wilkins-Lee)状态方程,文献[3]表明接触爆炸工况下剪切破坏产生于T梁1/4横隔板位置。所以仿真中高斯点位置布设如图2所示,用符号G1～G6表示。

图2 高斯点位置示意图

1.2 仿真结果分析

仿真得到的G1、G3、G5高斯点位置纵向(y方向)和横向(x、z方向)的应变峰值如表 1所列。

表1 测点位置应变峰值

从表 1中可以看出翼板和腹板上纵向与横向均有较大应变峰值,而腹板底部位置横向相对纵向应变峰值较小,所以在应变测试中翼板和腹板上应变片需沿横向和纵向粘贴,腹板底部应变片沿纵向粘贴。

选取高斯点位置应变信号进行能量谱分析,由于仿真时采样频率为100 kHz,根据奈奎斯特采样定理,信号的最高频率为50 kHz,而仿真得到的应变信号不包含噪声干扰,所以根据合成信号占比原信号能量的99%选取应变信号的频率上限,各高斯点位置纵向、横向频率上限如表2所示。

表2 测点位置应变频率上限 单位:kHz

从表 2中可以看出,高斯点位置纵向和横向应变信号的频率上限均在4 kHz左右,最大值在G3位置,频率上限是4.493 kHz。对比主梁和边梁的相同测点位置可以发现,主梁应变信号频率上限均大于边梁应变信号。所以通过分析可以得出,应变测试中应变片的最高工作频率大于5 kHz即可满足测试需求。

2 桥梁表面应变测试及结果分析

2.1 桥梁表面应变测试方法

测试系统构建的原则为:测试系统幅值上限应至少大于被测信号的20%,频率上限应至少为被测信号的5～10倍以上。根据此原则设计应变测试系统[10],如图3所示,应变测试系统由应变片、温度补偿片、同步触发器、数据采集系统和上位机5部分组成,桥梁结构在爆炸瞬间产生的应变由应变片转换成电阻变化,经过数据采集系统的电桥电路转换成电压信号,并进一步根据应变片灵敏度转换成应变信号,经上位机显示后,存于上位机中。同步触发器和数据采集系统之间通过双芯线进行连接,用于提供爆炸零点,数据采集系统和上位机之间通过网线连接,用于数据传输和参数设置。

图3 应变测试系统

环境温度变化对应变测量结果的准确度影响较大,针对温度影响,对应变片进行温度补偿。工作片和温度补偿片通过半桥三线制接入数据采集系统,工作桥路如图4(a)所示,图中r为长导线电阻,试验中将温度补偿片粘贴在混凝土块上,如图4(b)所示,放置在桥梁附近不受爆炸冲击波影响的位置,由于工作片和温度补偿片采用相同的应变片,所以当环境温度变化相同时两者电阻变化值相同,即ΔR1=ΔR2,而工作片和补偿片接入相邻桥臂中,根据电桥的加减特性,两者电阻变化值相互抵消,所以将补偿片接入工作应变片的相邻桥臂可以实现温度补偿。而当工作片不受力时,输出uAD=uCD=uo/2,uout=uAD-uCD=0,此时长导线电阻不会给测量系统的调平衡产生影响,所以采用此种接线方式一方面可以补偿环境温度的影响,另一方面又可以解决长导线电阻引入的测试系统调平衡问题。

图4 桥路补偿示意图

应变测试系统的静态标定采用电标的方法,在测量电桥桥臂并联标准电阻,通过数据采集系统的校正标定装置产生标准电信号模拟标准应变值,然后对标定结果进行记录。

爆炸载荷下桥梁结构的应变测试是在高温、高应变率下进行的,应变信号在传输、放大和记录过程中很容易从外部或内部混入其他干扰信号,严重影响爆炸载荷下桥梁应变的成功测试,所以必须在应变测量时采用抗干扰措施:① 测量导线采用三芯屏蔽电缆,测量线的外层为厚度较大的铜金属屏蔽层,测试中尽可能地缩短测量线的长度;② 对信号采用一点接地的方式,即仪器的外壳和屏蔽线在同一点接地;③ 在应变片表面粘贴铝箔纸,用于减小爆炸产生的电磁干扰;④ 在试验时采用必要的前置滤波,将除应变信号外的其他干扰信号滤除,并且针对特定的干扰源采取屏蔽和接地措施。

2.2 爆炸载荷试验及结果分析

试验工况为30 kg TNT在T梁桥横向和纵向跨中上表面接触爆炸,试验中应变粘贴位置与图2高斯点位置相同。根据仿真结果,翼板位置应变片沿横向(x方向)和纵向(y方向)两个方向粘贴,腹板上应变片沿横向(z方向)和纵向(y方向)两个方向粘贴,腹板底部沿纵向(y方向)粘贴。

2.2.1 试验结果预处理

野外试验干扰因素较多,测量信号中往往包含很多高频干扰信号,这些干扰可能是由测量线的震动、爆炸产生的电磁干扰,以及连接线屏蔽层没能完全覆盖等诸多因素造成,有效地剔除干扰信号能够准确地读取应变值,便于后续分析。当有限频带[wl,wh]内谐波分量合成信号能量与原信号能量之比W*/W≥95%时,即可认为信号的有效频带为[wl,wh],选取G3y测点应变信号,对其进行能量谱分析,并选取滤波截止频率为3.933 kHz,对其进行低通滤波处理,结果如图5所示。

图5 应变信号滤波前后对比

从图5中可以看出,采用低通滤波处理后信号中的高频干扰部分得以有效滤除,信号波形与滤波前保持一致。滤波前后压应变减小111.3 με,拉应变减小473.9 με,所以在信号分析之前有必要对数据进行预处理。

2.2.2 试验结果分析

试验中得到的G1、G3、G5位置纵向应变曲线如图6所示。从图6中可以看出,爆炸发生后应力波在极短时间内到达高斯点位置,图中应变曲线均在出现多个来回振荡的峰之后才逐渐衰减,曲线的震荡是由应力波在T梁间反射、T梁和空气界面处的反射以及爆炸载荷下桥梁整体振荡引起的,应变曲线最后没有回零,表明爆炸载荷下桥梁产生一定程度的挠度变形。G1y测点位置应变幅值主要在零刻度以上,表明爆炸载荷下翼板位置主要受拉应力作用;G3y测点位置前期应变幅值在零刻度以下,表明腹板位置主要受压应力作用,随着时间推移应变幅值大于零,表明在桥梁后期振荡过程中腹板位置主要受拉应力作用;G5y测点位置应变幅值主要在零刻度以下,表明爆炸载荷下腹板底部位置纵向主要受压应力作用。

图6 主梁纵向应变测试曲线

试验所得主梁和边梁测点位置应变峰值如图7所示。从图7(a)中可以看出,主梁应变最大位置在测点G5y,表现为压应变,峰值为994.7 με,应变最小位置在测点G1y,表现为压应变,峰值为166.2 με,所以主梁腹板底部位置变形最大,翼板底部位置变形最小。腹板底部应变较大是因为桥梁为两端简支,在爆炸载荷下梁底部受力最大,所以应变最大,翼板位置应变较小的原因可能是由于横隔板的存在限制了爆炸载荷对T梁翼板的破坏作用;对比测点G1x、G1y,翼板位置横向压应变峰值为559.2 με,大于拉应变峰值,纵向拉应变峰值为456.7 με,大于压应变峰值,所以翼板横向主要表现为压缩破坏,纵向表现为拉伸破坏,且横向应变大于纵向应变;对比测点G3z和G3y,腹板横向压应变峰值为362.1 με大于拉应变峰值,纵向压应变峰值为921.9 με,大于拉应变峰值,横向和纵向均表现为压应变峰值大于拉应变峰值,且纵向应变峰值大于横向应变峰值。

图7 测点位置应变峰值

从图7(b)中可以看出,应变最大位置在测点G6y,表现为压应变,峰值为569 με,应变最小位置在测点G2x,表现为拉应变,峰值为193.3 με,所以边梁腹板底部位置变形最大,翼板底部位置变形最小;对比测点G2x、G2y,翼板位置横向压应变峰值为340.9 με,大于拉应变峰值;纵向拉应变峰值为309.1 με,大于压应变峰值,所以翼板横向主要表现为压缩破坏,纵向表现为拉伸破坏且横向应变大于纵向应变;对比测点G4z和G4y,腹板横向压应变峰值为295.4 με,大于拉应变峰值;纵向拉应变峰值为486.7 με,大于压应变峰值,且纵向应变峰值大于横向。

对比图7(a)、图7(b)可以发现,主梁应变峰值大于边梁应变峰值,主梁和边梁表现的相同点为应变最大位置在T梁底部,最小位置在翼板位置,翼板横向应变峰值大于纵向应变峰值。翼板横向主要受压缩破坏,纵向主要受拉伸破坏,腹板中纵向应变大于横向,腹板底部主要受压缩破坏。不同点为腹板位置,纵向主梁腹板表现为压应变大于拉应变,边梁腹板表现为拉应变大于压应变,原因可能由于横隔板的存在影响应力波的传播,使横隔板后的腹板位置受力较为复杂。

3 结论

通过有限元仿真、测试方法研究、桥梁表面接触爆炸试验和结果分析等工作,得出了以下结论。

① 通过构建爆炸载荷下桥梁表面应变测试系统,选择适合桥梁表面高频应变信号测量的应变片,针对测试中应变信号易受干扰的问题采取有效的抗干扰措施,成功测得了爆炸载荷下桥梁表面应变信号。

② 数值模拟结果表明,爆炸载荷下钢筋混凝土T梁桥表面应变信号频率上限为4 kHz左右,应变片最高工作频率需满足测试需求,应变测试时翼板和腹板需测量横向和纵向应变、腹板底部需测量纵向应变。仿真结果可为爆炸载荷下桥梁应变测试提供参考。

③ 通过对应变信号处理和分析后得出,桥梁表面应变变化规律为测点位置主梁应变大于边梁应变,T梁底部应变最大,翼板应变最小,翼板横向应变大于纵向应变,腹板纵向应变大于横向应变。合理安排T梁中纵筋和箍筋的配置可以有效减小爆炸载荷对T梁桥产生的影响。