1、第 卷第 期 年 月东 南 大 学 学 报(自 然 科 学 版)().:./.混凝土梁桥桥下爆炸压力场分析院素静潘亚豪宗周红娄 凡林 津(长安大学公路学院 西安)(东南大学爆炸安全防护教育部工程研究中心 南京)(东南大学土木工程学院 南京)(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司 上海)摘要:为了探索桥下爆炸自由场超压、墩柱反射超压和梁底反射超压的分布规律对一座两跨混凝土梁桥缩尺模型开展了桥下爆炸试验并结合数值模拟方法研究了桥下爆炸波传播规律以及爆炸波与 梁和墩柱之间的相互作用.研究结果表明:地面反射条件的改变对爆炸荷载影响显著实测柱底、柱中和柱顶超压峰值沿柱高分布相对离散实测 梁底超压时程
2、曲线呈多峰正压.爆炸波传播过程中有马赫波形成爆炸波遇到 梁梁肋和横隔板会发生反射和绕射遇到 梁翼板下表面会发生反射爆炸波传播至墩柱盖梁和 梁相交区域时传播路径较为复杂作用时间相对较长.炸药形状对 梁底部超压分布有一定影响中梁梁肋下表面的超压峰值自爆心向两边呈指数形式衰减超压峰值沿柱高整体呈减小趋势柱底、柱中和柱顶迎爆面沿柱周超压峰值整体呈中间大两边小的趋势.关键词:混凝土梁桥爆炸试验爆炸数值模拟压力场超压峰值分布中图分类号:.文献标志码:文章编号:()()()()().):.:收稿日期:.作者简介:院素静()女博士讲师宗周红(联系人)男博士教授博士生导师.基金项目:国家自然科学基金资助项目()
3、、国家重点研发专项资助项目().引用本文:院素静潘亚豪宗周红等.混凝土梁桥桥下爆炸压力场分析.东南大学学报(自然科学版)():.:./.:/.自“”事件以来恐怖主义活动已经成为当今国际社会安全的重要威胁之一.大量恐怖袭击案例表明:造价高昂、地位重要的桥梁结构遭受恐怖爆炸袭击的潜在风险越来越大桥梁结构抗爆问题受到越来越多的关注.无论战时还是和平时期都要保障作为重要交通生命线工程咽喉的桥梁结构的安全和畅通因此桥梁结构抗爆研究对改善现有设计理念、提高交通基础设施的安全和防灾能力具有重要的意义和工程实用价值.准确预测结构上爆炸荷载是结构爆炸响应分析和结构抗爆设计的关键.国外在爆炸荷载方面的研究开展较早
4、相关成果已经编入规范比如 年美军推出的 以及 年制定的美国联邦政府统一设施标准 等.这些规范中主要给出了地面爆炸和空中爆炸 种典型爆炸情形的爆炸波参数这些参数被绘制成与比例距离()相关的图表相应的爆炸荷载可以通过查阅规范获取.而国内这方面的研究相对滞后目前可查到的公开标准仅有人民防空地下室设计规范().但目前这些规范中爆炸荷载预测公式和图表主要是基于建筑结构的相关研究而建立的均假定结构物反射面无穷大这个假定对于估算作用在桥面上的爆炸荷载具有一定适用性而当炸药位于桥面下方起爆时这个假定就不一定适用.这是因为桥面下方区域的几何形状往往较为复杂使得桥下爆炸时冲击波与结构的相互作用及爆炸荷载分布规律也
5、变得复杂作用在桥面下方的爆炸荷载可能导致梁与梁之间的有限区域产生更高的压力.在这个有限区域内冲击波不断反射导致压力积聚并保持直至其在梁体下方或通过桥面板的局部失效泄压.由此可见作用于桥梁结构的爆炸荷载具有明显的自身特点不可能将传统的建筑结构爆炸荷载研究成果直接应用到桥梁抗爆设计中需要开展专门针对桥梁结构爆炸荷载的研究.近年来国内外学者针对作用于桥梁结构的爆炸荷载陆续开展了研究.试验研究方面国外 等、等开展了桥梁墩柱爆炸试验给出了基本一致的墩柱形状系数该系数为考虑墩柱截面形状效应的荷载折减系数等对 片同样的足尺预应力混凝土 梁分别进行了桥上和桥下的爆炸试验来观察其失效模式国内宗周红等进行了 桥墩
6、爆炸试验拟合得到了超压峰值与 之间的关系公式高超等开展了预应力混凝土连续梁桥桥面上爆炸荷载试验研究建立了适用于桥面爆炸荷载模型的超压峰值公式院素静等通过野外爆炸试验对预应力混凝土连续梁桥在桥面爆炸荷载作用下的动力响应、破坏模式及损伤程度进行了研究李国强等对钢管混凝土柱开展了爆炸试验研究结果表明柱背爆面上冲击波压力值很小可忽略不计.由此可见已有的试验研究主要集中于构件层面针对桥梁结构的爆炸试验尚不多见相关研究则主要通过数值模拟开展如 等对一座预应力混凝土梁桥在爆炸荷载下的响应进行了模拟研究发现桥梁的几何形状例如桥下净空高度以及主梁底部有限区域内产生的约束效应可以显著影响爆炸荷载作用的大小胡志坚等
7、对近场爆炸下混凝土桥梁的压力场分布进行了数值模拟研究结果表明桥梁下方爆炸时梁肋间冲击波多次反射作用和密闭空间约束效应明显车载炸药在桥面上方爆炸时车体钢板对冲击波传播的阻挡效应非常明显 等分析了组合钢梁桥桥面爆炸荷载研究发现在不同的到达时间爆炸在任何给定位置产生的桥面板上的峰值压力不同当冲击波沿桥面传播时峰值压力随着持时的增加而衰减.由于数值模拟比爆炸试验成本低已逐渐成为结构抗爆研究的主要方法之一但是其结果的可信度还有待试验研究加以验证.综上所述目前针对桥梁墩柱或主梁等构件的爆炸荷载试验研究开展较多针对桥梁整体结构的爆炸荷载试验研究偏少尤其是桥下爆炸荷载场的试验研究尚不多见而桥下爆炸荷载场的研究
8、对于桥梁爆炸安全防护相当重要相关数值模拟研究的有效性也亟需试验验证.本文开展了混凝土连续梁桥模型桥下爆炸试验实测获得了桥下爆炸自由场超压、柱身反射超压以及 梁底反射超压分布规律进而基于 软件平台建立了可用来模拟桥下爆炸时爆炸冲击波与混凝土连续梁桥相互作用的数值模型深入分析了桥下爆炸冲击波在桥下空间的传播规律旨在为桥下爆炸荷载模型的建立以及桥梁结构抗爆设计提供参考.梁桥模型试验.模型设计与制作以 装配式预应力混凝土连续 梁桥为参照原型按照几何相似比例为 的缩尺比例设计了一座两跨预应力混凝土连续 梁桥.主梁横向由 片 梁组成单片 梁宽.片梁之间设置现浇湿接缝每跨布置 道横隔板中支点东南大学学报(自
9、然科学版)第 卷:/.处设横隔梁桥墩采用双柱墩模型桥施工工序与原型桥一致即先简支后连续施工.考虑到本文重点关注桥下爆炸压力场分布 梁预应力筋和普通钢筋布置、桥墩配筋等信息未在本文给出详见文献.制作完成的两跨预应力混凝土连续 梁桥模型如图 所示.图 制作完成的模型桥.试验工况与测点布置本文主要针对的是桥梁结构面临的日益加剧的恐怖袭击问题因此在分析爆炸源时主要考虑恐怖分子常用的汽车炸弹的形式.对于汽车炸弹和装载易燃爆油气体的车辆爆炸均可依据爆炸威力将爆炸物质等效为一定当量的 便于开展相关研究.文献综合考虑国内交通规则以及安保执勤中对车辆分类控制的可操作性将汽车炸弹规模划分为小轿车、商用客车、小型厢
10、式货车及轻型厢式货车 类各类车型的代表性车型车厢容量、载重量及 炸药规模等参数详见该文献.本文根据上述分类考虑桥下通行车辆类型的可能性工况设定时主要考虑前 种车型对应缩尺后的炸药当量范围为.根据典型车辆的几何尺寸缩尺后爆炸源中心与地面之间的竖向距离设置为.试验共设定 个工况记作工况 工况 正式工况开始之前包含一次试炮记作工况.工况 工况 的炸药量依次为.、.、.、.、.为了尽量减小该部分工况对模型桥后续工况的影响工况 和工况 的炸药量略小于.所有工况炸药位置不变如图()所示炸药下方放置一块钢板模拟刚性地面钢板尺寸为 位于炸药中心正下方.试验装药采用若干个标准的 药块组装而成每个标准的 试块尺寸
11、为 质量为 .上述 个工况的传感器布置相同在炸药高度处布置 个自由场超压传感器 和(见图()测点位置设计时使 和 至爆心距离相等均为.但现场布置时由于场地条件限制、实际为.、.墩 柱的柱底、柱中和柱顶位置各布置 个超压传感器编号分别为 、和 共计 个超压传感器墩 柱同样布置了 个超压传感器编号分别为 、和 墩 柱和 柱的柱中迎爆面各布置 个超压传感器编号分别为 和 个墩柱共布置 个超压传感器(见图().在 梁底部横向和纵向各布置 个超压传感器其中交叉点处共用 个传感器 梁底部共布置 个超压传感器(见图().试验过程中通过高速摄像机拍摄到的爆炸瞬间如图 所示.()自由场()柱身()梁底图 工况
12、工况 超压传感器布置图图 工况 爆炸瞬间第 期院素静等:混凝土梁桥桥下爆炸压力场分析:/.试验结果分析本文开展的上述爆炸试验得到了一系列超压时程数据包括自由场超压、柱身反射超压和 梁底反射超压.本文所有测点的比例距离范围为./属于中远场爆炸.国内外预测超压峰值的经典公式较多文献曾对比了包括 公式、公式、公式、公式、()图表和我国国防工程设计规范(草案)公式在内的 种关于球形爆炸波超压峰值的经验公式发现当比例距离大于 /时除 公式结果略微偏大以外其余公式结果非常接近.因此本文选取其中一种 进行对比分析在 给出的图表中只需要知道比例距离即可查到对应的超压峰值.自由场超压图()给出了试炮的测点 超压
13、时程图从()工况()工况 工况 图 自由场测点 超压时程曲线图中可以看出实测压力时程曲线与标准超压时程曲线变化趋势基本一致首先是压力突增至峰值并呈指数形式下降的正压作用阶段接着是负压作用阶段.图()截取了测点 不同工况下正压区时程曲线进行对比由图可知:对于工况 工况 随着炸药量的增加超压峰值呈逐步增大的趋势但对于工况 虽然炸药量增加但峰值却突然下降波前到达时间也明显滞后这是由于工况 爆炸后钢板被炸穿地面成坑从而导致能量耗散而造成的说明地面反射条件对爆炸荷载影响非常大.表 对比了实测自由场超压峰值和冲量与相应的 查表值(下文统称为规范建议值).测点 对应于工况 工况 的比例距离 分别为.、.、.
14、和./测点 对应于工况 工况 的比例距离 分别为.、.、.和./.由于工况 地面反射条件不理想此处及下文中同类表格均不把工况 数据与规范建议值进行比较该工况数据仅作为数据规律分析参考.由表 可知对于超压峰值实测值大于规范建议值相对误差为.这可能是由以下因素引起:首先是传感器的外形结构本文采用的是笔式超压传感器有研究表明此类传感器测得的超压峰值比真值要大其次是装药形状试验中的装药形状是长方体而 中数据来自于球形装药长方体装药产生的冲击波在离爆心较近位置处的分布不均匀.冲量在一定程度上也受到了这些因素的影响其实测值整体上大于规范建议值相对误差为.此外 的比例距离略小于 但是两者实测值中仅工况 和工
15、况 的超压峰值以及工况 的冲量有所体现使得两者误差存在一定的差异且规律不完全一致这主要是和炸药放置方式有关本文采表 自由场爆炸波参数实测值与规范建议值对比工况测点实测值规范建议值相对误差/()/()/.注:为超压峰值 为冲量为超压峰值误差为冲量误差.东南大学学报(自然科学版)第 卷:/.取绳子吊绑的方式来放置炸药试验现场发现这种方式下炸药会有旋转的情况使得两者测得的数据具有随机性.柱身反射超压试验中布置了较多的柱身反射超压传感器但是由于爆炸试验的破坏性导致不少传感器损坏或信号异常能够获得的有效数据偏少 个工况下炸药高度处包含迎爆面、左侧面、背爆面和右侧面的 或者 数据均出现缺失.因此这里给出工
16、况 测点 和工况 测点 的时程曲线如图()()所示.由图 可知这些超压时程曲线与标准超压时程曲线整体趋势基本一致但均存在多个峰值且侧面和背爆面负压区出现明显的波动尤其是背爆面.这主要是由于爆炸波在地面和 梁之间会来回反射爆炸波传播至墩柱在柱体两侧产生绕射两侧绕射波在背爆面形成重组波使得柱体附近爆炸波作用较为复杂.此外虽然本文由于数据缺失未能对比迎爆面与背爆面的超压峰值但文献表明侧面和背爆面超压峰值远小于迎爆面超压峰值在实际设计中出于保守考虑背爆面超压常忽略不计.因此本文仅对墩柱迎爆面超压数据进行分析.()迎爆面(工况 测点)()左侧面(工况 测点)()背爆面(工况 测点)()右侧面(工况 测点)图 炸药高度处典型超压时程 表 对比了实测柱身迎爆面超压峰值和冲量与相应的规范建议值迎爆面炸药高度处 和 测点对应于工况 工况 的比例距离 分别为.、.、.和./.由表 可知整体来看实测超压峰值和冲量均比规范建议值要小与文献的数值模拟研究结论一致.这主要是由于爆炸冲击波遇到墩柱后会沿柱周产生绕射使得墩柱迎爆面的压力有所减小而规范建议值是建立在无限大反射面的假定上且这种差异还呈现出药量越大越明显的
