爆炸載荷下典型橋梁表面應(yīng)變測試及分析

張 燦, 張春燕, 孔德仁, 薛超陽, 徐春冬

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

橋梁在使用壽命內(nèi)會面臨著意外爆炸和恐怖襲擊等潛在威脅,爆炸載荷作用下橋梁結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變是評價橋梁易損性的基礎(chǔ)支撐,準確測量橋梁表面應(yīng)變對橋梁防護設(shè)計、易損性評價及毀傷評估具有重要的工程意義。部分學(xué)者基于仿真分析對橋梁進行研究[1-3],但是仿真結(jié)果的準確性與多種因素相關(guān),所以試驗測試在橋梁研究中是必不可少的環(huán)節(jié),而應(yīng)變作為衡量橋梁形變的重要指標,引起了大量學(xué)者的關(guān)注。

院素靜[4]對T梁橋開展墩柱近場爆炸試驗,結(jié)果表明橋底近場爆炸下墩柱中大部分鋼筋瞬時動應(yīng)變超過其屈服強度,墩底縱筋和箍筋均出現(xiàn)明顯屈服;閆國華[5]對小箱梁橋開展了不同爆心位置、不同當(dāng)量的爆炸試驗,研究了箱梁橋內(nèi)部和表面應(yīng)變變化規(guī)律;蔡路軍等[6]基于簡易T梁橋爆炸試驗,研究了翼板和腹板應(yīng)變變化規(guī)律,結(jié)果表明翼板橫向應(yīng)變大于縱向應(yīng)變,腹板縱向應(yīng)變大于橫向應(yīng)變。由于大型橋梁試驗花費巨大的人力物力,所以部分學(xué)者針對單獨的混凝土梁部件進行研究。李猛深等[7]通過爆炸壓力模擬器研究了混凝土簡支梁在爆炸沖擊中的變形,應(yīng)變曲線和仿真結(jié)果基本吻合;許凱等[8]通過應(yīng)變片監(jiān)測了爆炸環(huán)境下鋼筋混凝土梁的動態(tài)響應(yīng),結(jié)果表明爆炸載荷下梁底的應(yīng)變峰值遠大于梁側(cè)的應(yīng)變峰值。眾多學(xué)者對爆炸載荷下橋梁不同部位進行了研究,但是對于大型橋梁表面接觸爆炸工況下橫隔板位置處翼板和腹板的變形情況的研究相對較少。

文章選取典型T梁橋為研究對象,以橋梁表面應(yīng)變測試和分析為出發(fā)點,首先通過仿真分析解決橋梁表面應(yīng)變測點布設(shè)和應(yīng)變片選型問題,然后設(shè)計了橋梁表面應(yīng)變測試系統(tǒng),采取了必要的補償和抗干擾措施,最后開展了橋梁表面接觸爆炸試驗并對測試結(jié)果進行分析,以期為橋梁表面應(yīng)變測試和橋梁抗爆設(shè)計提供參考。

1 橋梁結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變有限元仿真分析

試驗?zāi)Ｐ蜑橐豢缥辶菏絋梁橋,橋梁跨中橫截面尺寸如圖1所示,橋梁長10 000 mm,寬3 500 mm高2 300 mm,T梁高度為610 mm。

圖1 橋梁跨中橫截面尺寸

1.1 有限元仿真模型

試驗工況為30 kg TNT在橋面板中間位置接觸爆炸,仿真模型為試驗?zāi)Ｐ偷?/10,混凝土和鋼筋分別采用拉格朗日實體單元和梁單元建模,不考慮鋼筋與混凝土間的粘結(jié)滑移,單元之間通過共節(jié)點連接[7],空氣域使用歐拉算法,尺寸為460 mm×600 mm×170 mm,沿橋梁縱向包裹半段橋梁,混凝土和空氣網(wǎng)格尺寸統(tǒng)一為10 mm,根據(jù)爆炸相似律[4],仿真模型中TNT當(dāng)量應(yīng)為30 g,炸藥采用立方體裝藥方式通過填充放置在橋梁上表面跨中位置,起爆點設(shè)置在炸藥中心位置,炸藥尺寸為30 mm×30 mm×20 mm,相應(yīng)的TNT當(dāng)量為29.34 g,采用ALE多物質(zhì)流固耦合的方式施加爆炸載荷,以減少單元網(wǎng)格畸變現(xiàn)象[9]。選用強度為C35的混凝土材料和帶損傷破壞的RHT材料模型,炸藥選擇能較好地表征爆轟產(chǎn)物膨脹做功的JWL(Jones-Wilkins-Lee)狀態(tài)方程,文獻[3]表明接觸爆炸工況下剪切破壞產(chǎn)生于T梁1/4橫隔板位置。所以仿真中高斯點位置布設(shè)如圖2所示,用符號G1～G6表示。

圖2 高斯點位置示意圖

1.2 仿真結(jié)果分析

仿真得到的G1、G3、G5高斯點位置縱向(y方向)和橫向(x、z方向)的應(yīng)變峰值如表 1所列。

表1 測點位置應(yīng)變峰值

從表 1中可以看出翼板和腹板上縱向與橫向均有較大應(yīng)變峰值,而腹板底部位置橫向相對縱向應(yīng)變峰值較小,所以在應(yīng)變測試中翼板和腹板上應(yīng)變片需沿橫向和縱向粘貼,腹板底部應(yīng)變片沿縱向粘貼。

選取高斯點位置應(yīng)變信號進行能量譜分析,由于仿真時采樣頻率為100 kHz,根據(jù)奈奎斯特采樣定理,信號的最高頻率為50 kHz,而仿真得到的應(yīng)變信號不包含噪聲干擾,所以根據(jù)合成信號占比原信號能量的99%選取應(yīng)變信號的頻率上限,各高斯點位置縱向、橫向頻率上限如表2所示。

表2 測點位置應(yīng)變頻率上限 單位:kHz

從表 2中可以看出,高斯點位置縱向和橫向應(yīng)變信號的頻率上限均在4 kHz左右,最大值在G3位置,頻率上限是4.493 kHz。對比主梁和邊梁的相同測點位置可以發(fā)現(xiàn),主梁應(yīng)變信號頻率上限均大于邊梁應(yīng)變信號。所以通過分析可以得出,應(yīng)變測試中應(yīng)變片的最高工作頻率大于5 kHz即可滿足測試需求。

2 橋梁表面應(yīng)變測試及結(jié)果分析

2.1 橋梁表面應(yīng)變測試方法

測試系統(tǒng)構(gòu)建的原則為:測試系統(tǒng)幅值上限應(yīng)至少大于被測信號的20%,頻率上限應(yīng)至少為被測信號的5～10倍以上。根據(jù)此原則設(shè)計應(yīng)變測試系統(tǒng)[10],如圖3所示,應(yīng)變測試系統(tǒng)由應(yīng)變片、溫度補償片、同步觸發(fā)器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機5部分組成,橋梁結(jié)構(gòu)在爆炸瞬間產(chǎn)生的應(yīng)變由應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成電阻變化,經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓信號,并進一步根據(jù)應(yīng)變片靈敏度轉(zhuǎn)換成應(yīng)變信號,經(jīng)上位機顯示后,存于上位機中。同步觸發(fā)器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間通過雙芯線進行連接,用于提供爆炸零點,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機之間通過網(wǎng)線連接,用于數(shù)據(jù)傳輸和參數(shù)設(shè)置。

圖3 應(yīng)變測試系統(tǒng)

環(huán)境溫度變化對應(yīng)變測量結(jié)果的準確度影響較大,針對溫度影響,對應(yīng)變片進行溫度補償。工作片和溫度補償片通過半橋三線制接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),工作橋路如圖4(a)所示,圖中r為長導(dǎo)線電阻,試驗中將溫度補償片粘貼在混凝土塊上,如圖4(b)所示,放置在橋梁附近不受爆炸沖擊波影響的位置,由于工作片和溫度補償片采用相同的應(yīng)變片,所以當(dāng)環(huán)境溫度變化相同時兩者電阻變化值相同,即ΔR1=ΔR2,而工作片和補償片接入相鄰橋臂中,根據(jù)電橋的加減特性,兩者電阻變化值相互抵消,所以將補償片接入工作應(yīng)變片的相鄰橋臂可以實現(xiàn)溫度補償。而當(dāng)工作片不受力時,輸出uAD=uCD=uo/2,uout=uAD-uCD=0,此時長導(dǎo)線電阻不會給測量系統(tǒng)的調(diào)平衡產(chǎn)生影響,所以采用此種接線方式一方面可以補償環(huán)境溫度的影響,另一方面又可以解決長導(dǎo)線電阻引入的測試系統(tǒng)調(diào)平衡問題。

圖4 橋路補償示意圖

應(yīng)變測試系統(tǒng)的靜態(tài)標定采用電標的方法,在測量電橋橋臂并聯(lián)標準電阻,通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的校正標定裝置產(chǎn)生標準電信號模擬標準應(yīng)變值,然后對標定結(jié)果進行記錄。

爆炸載荷下橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變測試是在高溫、高應(yīng)變率下進行的,應(yīng)變信號在傳輸、放大和記錄過程中很容易從外部或內(nèi)部混入其他干擾信號,嚴重影響爆炸載荷下橋梁應(yīng)變的成功測試,所以必須在應(yīng)變測量時采用抗干擾措施:① 測量導(dǎo)線采用三芯屏蔽電纜,測量線的外層為厚度較大的銅金屬屏蔽層,測試中盡可能地縮短測量線的長度;② 對信號采用一點接地的方式,即儀器的外殼和屏蔽線在同一點接地;③ 在應(yīng)變片表面粘貼鋁箔紙,用于減小爆炸產(chǎn)生的電磁干擾;④ 在試驗時采用必要的前置濾波,將除應(yīng)變信號外的其他干擾信號濾除,并且針對特定的干擾源采取屏蔽和接地措施。

2.2 爆炸載荷試驗及結(jié)果分析

試驗工況為30 kg TNT在T梁橋橫向和縱向跨中上表面接觸爆炸,試驗中應(yīng)變粘貼位置與圖2高斯點位置相同。根據(jù)仿真結(jié)果,翼板位置應(yīng)變片沿橫向(x方向)和縱向(y方向)兩個方向粘貼,腹板上應(yīng)變片沿橫向(z方向)和縱向(y方向)兩個方向粘貼,腹板底部沿縱向(y方向)粘貼。

2.2.1 試驗結(jié)果預(yù)處理

野外試驗干擾因素較多,測量信號中往往包含很多高頻干擾信號,這些干擾可能是由測量線的震動、爆炸產(chǎn)生的電磁干擾,以及連接線屏蔽層沒能完全覆蓋等諸多因素造成,有效地剔除干擾信號能夠準確地讀取應(yīng)變值,便于后續(xù)分析。當(dāng)有限頻帶[wl,wh]內(nèi)諧波分量合成信號能量與原信號能量之比W*/W≥95%時,即可認為信號的有效頻帶為[wl,wh],選取G3y測點應(yīng)變信號,對其進行能量譜分析,并選取濾波截止頻率為3.933 kHz,對其進行低通濾波處理,結(jié)果如圖5所示。

圖5 應(yīng)變信號濾波前后對比

從圖5中可以看出,采用低通濾波處理后信號中的高頻干擾部分得以有效濾除,信號波形與濾波前保持一致。濾波前后壓應(yīng)變減小111.3 με,拉應(yīng)變減小473.9 με,所以在信號分析之前有必要對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。

2.2.2 試驗結(jié)果分析

試驗中得到的G1、G3、G5位置縱向應(yīng)變曲線如圖6所示。從圖6中可以看出,爆炸發(fā)生后應(yīng)力波在極短時間內(nèi)到達高斯點位置,圖中應(yīng)變曲線均在出現(xiàn)多個來回振蕩的峰之后才逐漸衰減,曲線的震蕩是由應(yīng)力波在T梁間反射、T梁和空氣界面處的反射以及爆炸載荷下橋梁整體振蕩引起的,應(yīng)變曲線最后沒有回零,表明爆炸載荷下橋梁產(chǎn)生一定程度的撓度變形。G1y測點位置應(yīng)變幅值主要在零刻度以上,表明爆炸載荷下翼板位置主要受拉應(yīng)力作用;G3y測點位置前期應(yīng)變幅值在零刻度以下,表明腹板位置主要受壓應(yīng)力作用,隨著時間推移應(yīng)變幅值大于零,表明在橋梁后期振蕩過程中腹板位置主要受拉應(yīng)力作用;G5y測點位置應(yīng)變幅值主要在零刻度以下,表明爆炸載荷下腹板底部位置縱向主要受壓應(yīng)力作用。

圖6 主梁縱向應(yīng)變測試曲線

試驗所得主梁和邊梁測點位置應(yīng)變峰值如圖7所示。從圖7(a)中可以看出,主梁應(yīng)變最大位置在測點G5y,表現(xiàn)為壓應(yīng)變,峰值為994.7 με,應(yīng)變最小位置在測點G1y,表現(xiàn)為壓應(yīng)變,峰值為166.2 με,所以主梁腹板底部位置變形最大,翼板底部位置變形最小。腹板底部應(yīng)變較大是因為橋梁為兩端簡支,在爆炸載荷下梁底部受力最大,所以應(yīng)變最大,翼板位置應(yīng)變較小的原因可能是由于橫隔板的存在限制了爆炸載荷對T梁翼板的破壞作用;對比測點G1x、G1y,翼板位置橫向壓應(yīng)變峰值為559.2 με,大于拉應(yīng)變峰值,縱向拉應(yīng)變峰值為456.7 με,大于壓應(yīng)變峰值,所以翼板橫向主要表現(xiàn)為壓縮破壞,縱向表現(xiàn)為拉伸破壞,且橫向應(yīng)變大于縱向應(yīng)變;對比測點G3z和G3y,腹板橫向壓應(yīng)變峰值為362.1 με大于拉應(yīng)變峰值,縱向壓應(yīng)變峰值為921.9 με,大于拉應(yīng)變峰值,橫向和縱向均表現(xiàn)為壓應(yīng)變峰值大于拉應(yīng)變峰值,且縱向應(yīng)變峰值大于橫向應(yīng)變峰值。

圖7 測點位置應(yīng)變峰值

從圖7(b)中可以看出,應(yīng)變最大位置在測點G6y,表現(xiàn)為壓應(yīng)變,峰值為569 με,應(yīng)變最小位置在測點G2x,表現(xiàn)為拉應(yīng)變,峰值為193.3 με,所以邊梁腹板底部位置變形最大,翼板底部位置變形最小;對比測點G2x、G2y,翼板位置橫向壓應(yīng)變峰值為340.9 με,大于拉應(yīng)變峰值;縱向拉應(yīng)變峰值為309.1 με,大于壓應(yīng)變峰值,所以翼板橫向主要表現(xiàn)為壓縮破壞,縱向表現(xiàn)為拉伸破壞且橫向應(yīng)變大于縱向應(yīng)變;對比測點G4z和G4y,腹板橫向壓應(yīng)變峰值為295.4 με,大于拉應(yīng)變峰值;縱向拉應(yīng)變峰值為486.7 με,大于壓應(yīng)變峰值,且縱向應(yīng)變峰值大于橫向。

對比圖7(a)、圖7(b)可以發(fā)現(xiàn),主梁應(yīng)變峰值大于邊梁應(yīng)變峰值,主梁和邊梁表現(xiàn)的相同點為應(yīng)變最大位置在T梁底部,最小位置在翼板位置,翼板橫向應(yīng)變峰值大于縱向應(yīng)變峰值。翼板橫向主要受壓縮破壞,縱向主要受拉伸破壞,腹板中縱向應(yīng)變大于橫向,腹板底部主要受壓縮破壞。不同點為腹板位置,縱向主梁腹板表現(xiàn)為壓應(yīng)變大于拉應(yīng)變,邊梁腹板表現(xiàn)為拉應(yīng)變大于壓應(yīng)變,原因可能由于橫隔板的存在影響應(yīng)力波的傳播,使橫隔板后的腹板位置受力較為復(fù)雜。

3 結(jié)論

通過有限元仿真、測試方法研究、橋梁表面接觸爆炸試驗和結(jié)果分析等工作,得出了以下結(jié)論。

① 通過構(gòu)建爆炸載荷下橋梁表面應(yīng)變測試系統(tǒng),選擇適合橋梁表面高頻應(yīng)變信號測量的應(yīng)變片,針對測試中應(yīng)變信號易受干擾的問題采取有效的抗干擾措施,成功測得了爆炸載荷下橋梁表面應(yīng)變信號。

② 數(shù)值模擬結(jié)果表明,爆炸載荷下鋼筋混凝土T梁橋表面應(yīng)變信號頻率上限為4 kHz左右,應(yīng)變片最高工作頻率需滿足測試需求,應(yīng)變測試時翼板和腹板需測量橫向和縱向應(yīng)變、腹板底部需測量縱向應(yīng)變。仿真結(jié)果可為爆炸載荷下橋梁應(yīng)變測試提供參考。

③ 通過對應(yīng)變信號處理和分析后得出,橋梁表面應(yīng)變變化規(guī)律為測點位置主梁應(yīng)變大于邊梁應(yīng)變,T梁底部應(yīng)變最大,翼板應(yīng)變最小,翼板橫向應(yīng)變大于縱向應(yīng)變,腹板縱向應(yīng)變大于橫向應(yīng)變。合理安排T梁中縱筋和箍筋的配置可以有效減小爆炸載荷對T梁橋產(chǎn)生的影響。