爆炸作用下钢箱梁缩尺模型响应特征及破坏机理研究

As an accidental load, blast load plays an important role in the operation of bridge structures. In laboratory, it is rare to carry out the bridge structure scale model test under blast load. Various ridge design codes and bridge maintenance management guide can’t provide sufficient explosion-proof measures for bridge structures. For its destructive effect, blast load can bring local damage to thin-walled steel box girder. Roof thickness, diaphragm spacing, U-shaped stiffeners and concrete pavement thickness are considered as the variable in the experiment. With an appropriate proportion for scale model, five sets of total fifteen models for are finished for use. Adopted with ELA (Euler-Lagrange Algorithm) and fluid-structure interaction effect, the dynamics response and failure modes are simulated to analyze the various structure responses and failure modes. In laboratory, every model suffers a typical blast load condition for comparative experiments result from numerical simulation. Changed from the high-stress situation to local damage in steel box girder under blast load, the failure modes and failure mechanism can be identified by the comparison results. The variable’ sensitivity and coupling should be explored to define the force transmission route for steel box girder suffered from blast load. By the similarity principle, the experiment result of scale model can be used to analyze the common steel box girder structure. This change can provide a theoretical basis for explosion-proof method of steel box girder.

爆炸作用是影响桥梁结构安全及正常运营的偶然荷载，进行室内桥梁结构缩尺模型爆炸试验鲜见研究，制约了国内外桥梁结构防爆设计与养护管理发展。钢箱梁为典型的薄壁结构，对具有强烈冲击破坏效应的爆炸作用极为敏感。本项目以实验研究为基础，以顶板厚度、横隔板间距、顶板U肋间距、混凝土铺装层为四变量，采用合理的缩尺比例，制作5组共15件不同构造的钢箱梁尺寸模型；采用任意欧拉-拉格朗日算法单元，考虑多物质流固耦合效应，完成不同炸药当量下的结构动力响应及破坏模式数值模拟；每组每件模型加载一次典型对应工况，完成室内缩尺模型爆炸作用下的对比实验；考查数值模拟与室内实验的异同点，确定钢箱梁缩尺模型从高应力响应到局部破坏的破坏模式及破坏机理，探究钢箱梁四种构造形式对爆炸作用冲击的敏感性及耦合性，明确钢箱梁主梁结构爆炸作用下力学传递途径；采用相似原理将计算结果映射至常见钢箱梁尺寸，为钢箱梁结构优化防爆设计提供理论依据。

本课题针对缆索承重体系及城市桥梁中常见的钢箱梁主梁，开展了爆炸荷载作用下的结构响应特征及破坏机理研究。首先，考虑流固耦合，采用数值手段研究了TNT在空气介质中钢箱梁节段的高应力响应、弹塑性变形至破坏的全过程分析，并分析了TNT形状中块状、球形及圆柱形对爆炸作用的影响，最终选取了圆柱形炸药为钢箱梁缩尺模型的试验选用形状。其次，为对比分析室内外试验对试验结果的影响，钢箱梁缩尺模型试验分室内实验室与野外靶场两种环境下结构的破坏特征研究，对爆炸作用发生在顶板上方导致顶板破裂，梁体内竖直加劲肋破坏、底板击穿等破坏特征进行了详细测试与分析；对爆炸作用发生后仅有塑性大变形、沿加劲肋裂开、断裂等各种破坏类型做了详细测试，并对横隔板间距、纵隔板间距、顶板厚度、加劲肋布设对爆炸作用下结构破坏特点做了敏感性分析。在钢箱梁爆炸冲击波荷载测试及拟合方面，以多种不同距离下的冲击波实测数据为基础，拟合了超压峰值、正超压作用时长公式，对比了与空气介质爆炸、地面介质爆炸公式差别，并分析了超压从令跃迁至超压峰值的跃迁率。最后，在钢箱梁抗爆设计荷载等效静载计算方面，以目前国内外已涉及爆炸荷载的规范中常用等效线性衰减荷载模式为对比前提，考虑了基于延性比的指数型荷载作用下动力系数模式不同之处，推导了其具体公式，并以具体工况给出了其计算精度，揭示了本课题提出的指数型衰竭荷载方法可以将动力系数划为弹性、较晚进入塑性阶段及较早进入塑性阶段，并且三个阶段过渡和衔接良好，设计范围内数值更合理，为桥梁结构抗爆设计提供了理论依据。