混凝土T梁在爆炸作用下的損傷分析

姜天華，楊云鋒，龔　杰，蔡路軍

(1.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，武漢 430065；2. 武漢科技大學(xué)理學(xué)院，武漢 430065)

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混凝土T梁在爆炸作用下的損傷分析

姜天華1，楊云鋒1，龔杰1，蔡路軍2

(1.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，武漢 430065；2. 武漢科技大學(xué)理學(xué)院，武漢 430065)

摘要：以義昌大橋?yàn)樵?，設(shè)計(jì)制作了混凝土簡(jiǎn)支T梁模型，并對(duì)其進(jìn)行了不同爆炸高度和炸藥藥量組合下的爆炸試驗(yàn)研究，分析了簡(jiǎn)支T梁模型在不同爆炸高度和不同藥量下的損傷特性。同時(shí)應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA軟件仿真分析了簡(jiǎn)支T梁模型的位移與加速度變化。研究結(jié)果表明，在爆炸作用下，混凝土T梁結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)對(duì)爆炸高度更敏感，而且混凝土超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)于爆炸荷載作用下模型損傷程度的定量分析有很大的幫助。

關(guān)鍵詞：簡(jiǎn)支T梁；損傷特性；仿真分析；超聲波檢測(cè)

2013年2月連霍高速澠池段一輛載滿煙花爆竹的貨車發(fā)生爆炸，引起義昌大橋橋面斷裂，造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。為了研究爆炸荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，該文以義昌大橋?yàn)樵椭谱髁嗽囼?yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)行了爆炸試驗(yàn)，并通過(guò)軟件仿真分析了爆炸荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷影響。

1試驗(yàn)研究

1.1　試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

試驗(yàn)以義昌大橋?yàn)樵椭谱髁?片長(zhǎng)1.2 m、寬0.35 m、高0.372 m的縮尺混凝土簡(jiǎn)支T梁模型。為了便于數(shù)據(jù)采集，每?jī)善琓梁之間采用濕接法連接成整體，設(shè)置了端橫隔板和翼緣板濕接縫。在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕铣瞬贾脩?yīng)變片和加速度傳感器試驗(yàn)來(lái)測(cè)試爆炸荷載引起的振動(dòng)加速度和應(yīng)變外，還應(yīng)用了智能超聲波檢測(cè)儀對(duì)爆炸前后的混凝土試件進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

混凝土超聲波檢測(cè)是目前混凝土無(wú)損檢測(cè)最常用的技術(shù)。試驗(yàn)采用智能超聲波檢測(cè)儀對(duì)爆炸前后的混凝土試件進(jìn)行測(cè)試和數(shù)據(jù)采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，用超聲波在混凝土中波速的變化反映混凝土在爆炸荷載作用下的損傷程度[1,2]。

1.2　試驗(yàn)方案

考慮在不同爆炸高度和藥量下橋梁的爆炸響應(yīng)，爆炸高度每次變化10 cm，藥量每次增加爆破裝藥量20 g。爆破測(cè)試方案見表1。在爆炸試驗(yàn)的前后在T梁上選取4個(gè)測(cè)量切面(梁長(zhǎng)度方向的1/4處和1/2處，梁寬的1/4處和1/2處)作為智能超聲波檢測(cè)儀測(cè)試點(diǎn)， 4個(gè)測(cè)點(diǎn)的波速值V(m/s)如表2所示。

表1　爆破測(cè)試方案

表2　波速測(cè)試值V　/(m·s-1)

1.3　試驗(yàn)結(jié)果

為了讓結(jié)果更直觀，將每個(gè)測(cè)點(diǎn)波速的變化情況做成曲線圖，如圖2所示。

由表2及圖3可知，試驗(yàn)前每個(gè)測(cè)點(diǎn)的波速測(cè)試值不完全一致，原因是混凝土配制、振搗不均勻，但是數(shù)值上差距不大，均在3 800 m/s左右。第1次爆破之后，四個(gè)測(cè)點(diǎn)的波速值均有不同程度的降低，這說(shuō)明第1次爆破之后，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)了細(xì)微裂紋，導(dǎo)致了超聲波的傳播速度減慢。第2次爆炸之后，4個(gè)測(cè)點(diǎn)的波速也均有減少，從圖中可以觀察到減少程度比較一致，這說(shuō)明第2次爆炸之后沒(méi)有產(chǎn)生新的集中裂紋，只是之前的裂紋有一定程度的發(fā)展。第3次爆炸之后，4個(gè)測(cè)點(diǎn)的波速也均有不同程度的減少，其中測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3降低比較明顯，說(shuō)明測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3截面相交的位置出現(xiàn)了新的集中裂紋，這正好印證了第3次試驗(yàn)的爆炸位置正好對(duì)應(yīng)的這個(gè)位置。第四次爆炸之后，4個(gè)測(cè)點(diǎn)的波速均有很大幅度的下降，比之前3次試驗(yàn)降低幅度大得多。這說(shuō)明第四次試驗(yàn)當(dāng)爆炸距離減少為零時(shí)，T梁受到了很大的損害。

2數(shù)值分析

2.1　模型建立

采用ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)簡(jiǎn)支T梁模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行仿真分析時(shí)，應(yīng)考慮該結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性的特點(diǎn)，建模時(shí)只建立兩片梁進(jìn)行計(jì)算[3-5]。用三維實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格：其中沿梁的長(zhǎng)度方向劃分為48等份，沿梁的寬度方向劃分為28等份；沿梁高方向劃分為14等份，其中翼緣板部分劃分為4等份，梁肋部分劃分為10等份。如圖3所示，模型共劃分10 944個(gè)單元。

2.2　位移分析

采用LS-PREPOST讀入結(jié)果數(shù)據(jù)文件，得到7號(hào)單元的位移最大最明顯，故取用7號(hào)單元來(lái)研究爆炸荷載作用下T梁的位移。提取9次加載之后的7號(hào)單元的位移時(shí)程曲線和最大位移值，如表3和圖4所示。

表3　最大位移值

由圖4可知，在爆炸距離逐漸變小和炸藥藥量逐漸增大時(shí)，T梁?jiǎn)卧淖畲笪灰埔仓饾u變大，前6種荷載是在爆炸高度20 cm和10 cm下，藥量從20 g增加到60 g，可以發(fā)現(xiàn)，最大位移值增長(zhǎng)得比較緩慢，當(dāng)爆炸高度降低為零時(shí)，20 g藥量的爆炸荷載比60 g炸藥在10 cm爆炸高度的荷載要大得多，藥量從20 g到40 g變化時(shí)，最大位移值迅速增大，但是增大的趨勢(shì)在減小，而爆炸高度變化時(shí)曲線斜率都會(huì)有一個(gè)很大的突變，這說(shuō)明混凝土T梁模型的位移響應(yīng)對(duì)爆炸高度的敏感性要明顯高于炸藥藥量。

2.3　加速度分析

采用LS-PREPOST讀入結(jié)果數(shù)據(jù)文件，翼緣板位置選取877號(hào)節(jié)點(diǎn)，梁肋選取5 573號(hào)單元的最大加速度來(lái)分析9種荷載作用下T梁翼緣板和梁肋的加速度響應(yīng)。將翼緣板和梁肋在同一荷載作用下的最大加速度值放在一起進(jìn)行對(duì)比分析，其數(shù)值模擬[6]結(jié)果如表4和圖5所示。

表4　翼緣板和梁肋最大加速度值

由表4和圖5可以看出，梁肋最大加速度值曲線和翼緣板最大加速度值曲線十分接近，特別是在前6次荷載作用下，曲線是幾乎重合的，說(shuō)明最大加速度值非常接近，在爆炸高度降低為零時(shí)，翼緣板和梁肋的最大加速度值都發(fā)生了很大的突變，這說(shuō)明混凝土T梁模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)爆炸高度的敏感性要明顯高于炸藥藥量。從曲線可以看出在爆炸高度為零的三個(gè)荷載作用下，最大加速度的增長(zhǎng)趨勢(shì)是接近的，但是數(shù)值上已經(jīng)區(qū)分開來(lái)了，翼緣板比梁肋要高出許多。

3結(jié)論

a.混凝土超聲波檢測(cè)技術(shù)的采用取得了比較好的效果，可以推廣作為爆炸試驗(yàn)研究中比較有效實(shí)用的手段。通過(guò)檢測(cè)波速值的改變來(lái)反映試驗(yàn)中我們?nèi)庋劭床坏降幕炷两Y(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷，由此來(lái)對(duì)爆炸荷載作用下模型的損傷程度進(jìn)行定量分析。

b.混凝土T梁模型的位移響應(yīng)對(duì)爆炸高度的敏感性要明顯高于炸藥藥量。當(dāng)炸藥藥量增加時(shí)，位移值會(huì)迅速增大，但與高度降低時(shí)位移值的增加相比，有很大差距。

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Damage Analysis of Concrete T-section Beam Under Explosive Impact

JIANGTian-hua1，YANGYun-feng1，GONGJie1，CAILu-jun2

(1.School of Urban Construction, Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065, China；

2.College of science, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, China)

Abstract:Based on the prototype of Yichang Bridge, this paper designed and made the simply-supported T beam model of concrete, and studied the explosion experiment that combined different explosion height and different explosive amount, analysed the damage characteristics of simply-supported T beam model that under the different explosion height and different explosive amount. At the same time, by using ANSYS/LS-DYNA software we did the simulation analysis of the variation of displacement and acceleration for simply-supported T beam model. The research results show that under the action of explosion, the displacement response of concrete T beam structure is more sensitive to the exploding height, and the technology of testing concrete by ultrasonic has a lot of help for the quantitative analysis of the model’s damage degree under the action of explosion load.

Key words:simply-supported T beam;damage characteristics;simulation analysis;testing by ultrasonic

作者簡(jiǎn)介：姜天華(1971-)，教授.E-mail:wustjth@sohu.com

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014CFB822，2014CFB823)和國(guó)家自然科學(xué)基金(51278391).

收稿日期：2015-10-19.

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.06.011