近场爆炸作用下空心板损伤状况及影响分析

曹思源 王继军 张华杰 阿布来提·卡德尔

（新疆交通规划勘察设计研究院有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

桥跨结构物在近场爆炸等偶然作用下表现的脆弱性逐渐受到关注，当结构承受爆炸荷载时，结构的安全冗余会大幅降低，会对交通路线造成严重损伤。

空心板结构是常见的桥跨结构物，由于其往往采用预制场批量制作，然后在施工现场进行进一步架设安装，且空心板预制样式有限，使这种桥跨结构存在一定相似性。在研究近场爆炸下结构物的响应时，出于经济性与安全性的考虑，对桥梁整桥进行爆炸作用的试验很难开展，而仅仅对整个桥跨结构物进行近场爆炸数值模拟并予以分析与预测又缺乏可信度，研究人员往往采用经正确性验证的数值分析方法，对近场爆炸下结构物的响应进行数值模拟与研究。国内外对桥跨结构的抗爆性能研究多集中在爆炸冲击下材料的本构模型研究及结构物的动力响应分析。

刘殿柱等[1]对混凝土RHT 本构模型的参数敏感性进行了研究，并将修正模型与试验结果进行对比，指出修正的混凝土RHT模型应力应变曲线与现场试验的结果曲线匹配程度较好；LI 等[2-4]对混凝土靶板进行了近场爆炸试验与数值模拟验证，指出RHT 本构模型可以模拟构件的响应与爆炸损伤状况；Yan 等[5]研究了爆炸冲击下的钢筋混凝土梁损伤机理，指出爆炸冲击产生的拉伸应力波是梁底开裂的主因，且由于泊松效应，梁体发生横向膨胀并导致部分混凝土脱落；吴亮等[6]对近场爆炸钢筋混凝土柱进行了损伤讨论及数值分析，指出钢筋混凝土柱的损伤状况与结构的抗爆性能影响因素，为近场爆炸桥跨结构的损伤状况研究提供了参考。通过阅读相关文献可知，现有对空心板构件损伤状况与破坏形式的研究仍显不足，有必要研究近场爆炸下空心板构件的损伤状况。

1 数值模拟及分析

1.1 数值模拟方法验证

炸药经化学反应产生大量的气体，在极短时间内将其内能转化为动能。爆炸时气体迅速膨胀产生超压冲击波并对外界做功，导致结构物在冲击波的影响下产生动力响应，并发生损伤。常用的近场爆炸数值模拟方法有经验公式法、冲击荷载法及任意拉格朗日-欧拉法（ALE）法，本文基于ALE 法，直接建立炸药实体单元并赋予相应材料，通过空气单元作为冲击波传播介质将爆炸作用于空心板上。选择RHT本构模型作为混凝土材料的近场爆炸本构模型[2,4]；对于钢筋单元，采用塑性随动本构模型描述其应力－应变关系。

数值模拟中，材料本构模型的正确性是分析研究的基础。本文以钢筋混凝土靶板近场爆炸试验[4]为依据，建立近场爆炸钢筋混凝土靶板有限元模型，其中钢筋混凝土靶板边长1.25m，爆炸TNT 当量640g，靶板厚度5cm，爆距0.5m，靶板的一对边采用压板固定，靶板的现场试验结果及数值模拟结果如图1和图2所示。

图1 靶板迎爆面损伤对比

图2 靶板背爆面损伤对比

对比可知，对象靶板迎爆面产生局部混凝土压碎，靶板的中心产生一条明显的平行于压条约束边的裂缝，并伴有环形开裂与斜向裂缝；靶板背爆面产生大量拉伸裂缝，靶板背爆面的损伤面积较迎爆面严重，裂缝密集，并伴有靶板内钢筋的裸露。对比相关文献的现场试验结果与数值模拟损伤云图可以看出，两者损伤位置与裂缝产生位置基本匹配，可以认为RHT 混凝土本构模型能够很好地处理钢筋与混凝土的协调受力的关系，本文所采用的近场爆炸数值模拟方法、材料的本构模型及相关材料参数的处理方式可信度较高，能够较真实反映近场爆炸下结构物的损伤状况与动力响应。

1.2 研究对象

取两片钢筋混凝土空心板为主体结构，两块空心板通过铰缝进行横向连接；空心板长1000cm，单板宽100cm，板厚为50cm，考虑铺装为单层钢筋网构造；在LS-DYNA 数值模拟中，铺装层与空心板顶面的接触定义为绑定接触，考虑结构的对称性简化数值模型，定义经过原点的X-Z、Y-Z平面为对称面，并将空心板的一侧面域释放X向平动与全部转动约束；考虑模型空气域尺寸为75cm×50cm×200cm，空气域中除对称面外的其他边界面定义为无反射边界；选择初始近场爆炸高度为1.5m，炸心位于空心板构件水平中心正上方，定义炸药单元尺寸为25cm×25cm×25cm，并与空气域组成流体组，建立炸药、空气域以及空心板的1/4 有限元模型，研究对象数值模型如图3所示。

图3 近场爆炸空心板1/4有限元模型

2 影响因素分析

2.1 炸药当量

分析研究不同炸药当量下空心板构件的损伤状况，当t=0.1ms 时，爆炸产生的冲击波抵达空心板顶面，应力波以炸心正下方混凝土单元为中心逐渐向四周扩散，当t=0.4ms 时板底部单元的最大主应力较大，可能发生损坏；随着时间推移，应力波逐渐由空心板的跨中区域向其约束端传播，空心板各混凝土单元的最大主应力逐渐降低并趋于平稳。考虑到t=5ms 时空心板构件的损伤状况趋于稳定，对比当t=5ms时不同炸药下空心板损伤状况与破坏形式，具体如图4所示。由图4可知，当炸药当量为1kg 时，空心板的损伤范围主要集中于炸心正下方的局部区域，迎爆面炸点正下方的铺装层在压缩应力波作用下损伤状况较轻，铺装层与空心板顶面出现局部混凝土压碎，板底产生少量沿纵筋与箍筋的裂缝，构件有弯曲破坏的特征。

图4 近场爆炸下当t=5ms时不同炸药当量空心板跨中截面损伤示意

当炸药当量为2kg时，炸点正下方发生部分混凝土受压失效，损伤面积增大；在拉伸应力波的作用下空心板底产生部分拉伸裂缝，板底面损伤范围有一定程度的增加，底部产生沿纵向钢筋与箍筋的少量裂缝，空心板有弯曲与冲剪耦合破坏的特征。

当炸药当量为10kg 时，迎爆面炸点正下方板顶发生不同程度的混凝土压碎，混凝土失效面积较大；在拉伸应力波的作用下空心板底面产生大量拉伸裂缝，板底面损伤范围有一定程度的增加，底部产生沿纵向钢筋与箍筋的裂缝，纵向裂缝最大长度达到1/2空心板跨径；空心板于约束面处出现部分纵向裂缝，空心板底钢筋网发生弯曲并部分裸露，空心板构件表现为弯曲与冲剪耦合破坏。

通过观察可以看出当爆炸发生后，炸心正下方板顶局部区域发生不同程度的混凝土压碎，当炸药当量较小时，空心板表现为弯曲破坏，随着炸药当量的增加，炸心正下方铺装层与空心板顶面混凝土压碎区域逐渐增大，表现为弯曲与冲剪耦合破坏。

考虑将模型与无铺装层空心板模型的板顶超压峰值与板底竖向位移峰值进行对比，起爆高度均为1.5m，对比结果如图5和图6所示。

图5 不同炸药当量下空心板顶超压峰值

图6 不同炸药当量下空心板底竖向位移峰值

由图5 可知，在不同炸药当量下无铺装层的板顶超压峰值与板底竖向位移均明显高于有铺装层空心板，其中当炸药当量为10.0kg 时，无铺装空心板超压峰值为137.8MPa，较有铺装空心板提高了19.8%，随着炸药当量的减小，两者的偏差也逐渐减小；无铺装层空心板竖向位移峰值为-7.4cm，较有铺装空心板提高了42.0%，而随着炸药当量减小，两者的偏差亦逐渐减小。可以得出近场爆炸下空心板的超压与竖向位移峰值均与炸药当量成正相关，相比于不考虑铺装层的空心板模型，随着炸药当量的增加两者的板顶超压与板底竖向位移峰值偏差逐渐增大。

2.2 铰缝状态

对于使用中的空心板桥结构，随着空心板的在役年限增长、交通量及重型车量的增多，空心板逐渐产生病害，铰缝位置往往发生损伤并导致其传递荷载的能力逐渐下降，直接影响交通路网的安全运营；同样在近场爆炸下，由于在役空心板间横向联系铰缝的状态往往存在区别，导致爆炸作用下不同铰缝状况的空心板损伤状况也存在差异。为探究近场爆炸下不同铰缝状态空心板的损伤状况，通过在LS-DYNA 软件关键字中定义铰缝混凝土单元与空心板单元接触面的粘结模拟两者间的接触[7],建立铰缝固接、铰缝铰接及铰缝完全失效的不同空心板模型如图7 所示，损伤面积计算结果如图8所示。

图7 不同铰缝状态下空心板损伤状况示意

图8 近场爆炸下不同铰缝状态空心板损伤状况示意

由图7、图8 可知，随着铰缝的状态由固接向失效发展，近场爆炸对空心板造成的损伤面积逐渐增大，其中当铰缝失效时，空心板顶面损伤面积约为4.47m2，较铰缝固接时增加了17%；底面损伤面积约为4.62m2，较铰缝固接时增加了约5%。当铰缝固接时，板底开裂范围较大，爆炸产生的纵向开裂范围接近整个板长，随着铰缝损伤状况逐渐变差，铰缝的传力性能变低，空心板顶面及底面的损伤面积逐渐提升，而板底开裂范围明显减小。在近场爆炸数值模拟时考虑空心板铰缝的状态对描述构件的损伤状况是有必要的。

3 结束语

本文通过有限元软件LS-DYNA，基于流固耦合数值模拟方法对近场爆炸下混凝土材料的本构模型进行了验证，通过与已有爆炸试验结果进行比较，指出采用本文的材料模型与模拟方法能够模拟近场爆炸结构物的损伤状况。在正确性验证的基础上，对不同炸药当量下空心板构件的损伤状况进行了讨论，并对不同铰缝状况的空心板构件进行了损伤状况分析。通过研究分析可以发现，空心板构件在爆炸冲击波的影响下，炸心正下方铺装层及空心板顶面混凝土出现局部压缩破坏，空心板挖空处及背爆面的混凝土出现沿钢筋方向的拉伸破坏；随着炸药当量的增加，爆炸作用下空心板构件的破坏形式表现为由弯曲破坏向弯曲-冲剪耦合破坏发展，同时，铰缝的状态影响空心板构件的损伤状况，在数值模拟中应考虑铰缝的损伤状况。