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爆炸荷载作用下斜拉桥的动力响应
摘要：在过去的二十年中，爆炸荷载已被确认为一个极端的加载事件，必须在重要结构如斜拉桥的设计中考虑到。然而，抗爆桥梁的设计规定是非常有限的，主要是由于当地的和全局的动态响应的桥梁组件（桥墩，甲板和电缆）受到爆炸荷载情况下的经验不足的理解。因此，本研究开发详细的有限元模型的钢斜拉桥，它使用一个明确的求解分析。三种不同的爆炸性的大小，即小（01W）、中（04W）和大型（10W），被认为是（W是TNT当量爆炸重量指数），并放置在甲板上方的不同位置，以确定的影响的大小和位置的爆炸载荷的全局和局部响应的桥梁组件。特别是，计算机模拟的结果来表征塔和甲板上的损坏的类型和程度，此外，调查潜在的电缆损失的情况下，与一个损失的锚地。此外，有限元模拟的结果被用来评估潜在的连续倒塌响应的斜拉桥受到各种爆炸载荷的情况下。
第一章简介
一个大的研究机构一直致力于大跨度斜拉桥和悬索桥在极端荷载的情况下，如地震和风的结构响应，但是，这种重要结构对意外或故意爆炸的反应却越来越受到人们的重视。现有的设计指南抗爆桥被局限于特定的结构成分[ 1 ]，因此，有一个研究，探讨桥梁构件的局部和全局的行为需要（甲板，墩、塔）时，在空气中爆炸压力在不同大小不同的位置。这些研究的结果也可以帮助设计工程师更准确地评估现有桥梁的爆炸响应，因此制定更有效的爆破反应缓解战略。
桥梁结构通常更容易受到极端负载的情况下比建筑物，因为桥梁具有较少的结构冗余相比建筑物。因此，在任何初级结构构件的失败的情况下桥梁应用负荷的再分配通过替代加载路径，以防止潜在的渐进崩溃几乎不可能例如，斜拉桥的桥塔破坏会导致整个桥的完全倒塌。同样，由于严重的桥面破损引起的拉索锚固损失，可能在大爆炸发生时造成桥面以上连续倒塌并破坏整个桥梁[ 2 - 4 ]。此外，基础设施的残余承载能力对全局稳定性以及安全性是至关重要的 [ 5 ]。一个关键的桥梁或隧道的损失成为运输系统的众多的“#39;阻塞点”之一，可能会导致大量的人员伤亡和数十亿美元的重建费。额外的社会经济成本可以增加一倍的成本建设一个新的大跨度桥梁[ 6 ]。
识别易损部件和拉索潜在损失的情况下实现形式和桥面和桥塔的损伤程度，是了解斜拉桥的爆炸行为的第一步，并找到适当的缓解策略。由于，计算机模拟已被不同的研究人员使用捕捉假定的爆炸场景下的斜拉桥拉索的失效模式和动态响应状态，有限元（FE）响应评估某型钢结构空心箱梁的爆炸荷载作用下的斜拉桥。空气爆炸和斜拉桥桥塔的被捕获的任意一部分之间的相互作用Lagrangian Eulerian法（ALE）在SON中的有限元模型，只有在电缆中的相应的力被施加到该模型时并假定在整个分析是恒定的时候，拉索的作用会被省略。FE预测表明，p-d效应可以导致显著的不稳定的空心钢箱桥塔下时爆炸脚本.正因为如此，SON建议用混凝土来填充塔架的弱势区域和有限元结果表明钢管混凝土桥塔的优越性能爆炸荷载作用下。此外，有人指出，在这项研究中模拟的时间应延长来捕捉潜在的不稳定影响的爆炸荷载结构。
唐浩用有限元软件LS-DYNA进行非耦合模拟和捕捉的动态响应爆炸作用下固定基础斜拉钢筋混凝土桥梁加载.唐的有限元模型捕获的损害本地化他们与压缩破碎和剥落混凝土的。此外，采用有限元模拟爆炸作用下碳纤维布加固板的响应研究加载，这些结果表明，CFRP的应用是无效的，以减少在甲板上的爆炸损伤。动态桥面桁架斜拉桥受力分析爆炸是由邓和靳，谁得出的结论爆炸可能导致局部破坏的甲板附近的爆炸。然而，整个动态响应桥面桁架不显著，主要是由于桁架构件不受风压的影响，需要考虑爆炸的尺寸小。
除了完全耦合的先进的有限元模型，捕捉空气爆炸的传播及其与结构的相互作用精确，解耦的方法结合简化模型也被用来分析和设计抗爆剂结构。单一结构简化模型自由度（单自由度）和承担的负荷模式的冲击采用Winget 用来分析预应力混凝土桥梁和制定安全措施的理解桥梁结构要求。Winget的单自由度模型显示桥梁几何显着影响空气爆炸甲板下面的压力。此外，它是得出结论，甲板下面的爆炸可能会导致更多损伤高于甲板上方的爆炸。然而,这种简化的模型不适用于任何类型的桥梁他们不能捕捉到的局部损伤，由于爆炸荷载有不同的大小和地点。一个很好的简化耦合和先进的完全耦合有限元模型之间的模型，利用子结构技术，其中只有一部分的结构为蓝本，以减少计算成本，模型中子结构模型的精度明显影响的结构组成部分。数值方法和发展的最新进展高性能计算机设施使工程师在一个可行的，高效的和复杂的爆炸场景模拟成本效益的方式，随后提供有用的参考未来关键基础设施设计的数据。因此，本研究模拟的动态响应是基于LS-DYNA（14）显式FE包的全钢斜拉桥近距离爆轰。斜拉桥是根据澳大利亚标准AS5100 [ 15 ]的最低要求，并分析了在死的设计，交通和爆炸荷载在不同位置上的（即近端支撑，靠近塔中部以上的桥面板），在桥面板下面桥塔的底部。有限元模型的结果被用来评估甲板的性能、桥塔、拉索，以及整个桥梁暴露于空气爆炸。特别是，甲板和桥塔的损害程度的阐明和潜在的电缆断裂和锚固损失研究了不同范围的爆炸重量和地点。
第二章有限元模型描述与分析技术
2.1. FE 包
在本研究中使用的FE包是LS-DYNA，它可以模型爆炸荷载三种不同的方法，第一种方法，即LBE是完全基于拉格朗日方法，利用经验公式来确定空气压力的结构；第二种方法是基于流体结构相互作用（FSI）的算法，它利用多物质ALE（mm-ale），在流固耦合方法，空气和炸药直接建模的激波通过空气域和结构组成部分的相互作用的传播直接捕获的mm-ale配方；第三种方法是一个耦合的LBE和mm-ale技术采用经验公式计算环境层的鼓风压力，这层传递压力的空气域包围拉格朗日结构。mm-ale和耦合/ mm-ale LBE方法需要大量的CPU时间，因此LBE方法主要是用来模拟在这项研究中的爆炸和空中爆炸冲击波压力。此外，mm-ale方法用于对一个有限元模型的结果与那些从LBE方法得到证明爆破建模策略对有限元预测的影响进行比较。mm-ale和LBE的结果相比较为简单。
2.2桥梁细节
一个假设的现实钢斜拉桥是根据AS5100的最低要求，避免发布具体桥梁的漏洞而设计的。桥的设计，长1015米，共三跨，即227.5米、580米（中跨）和227.5米的长度。桥面由2米深、28米宽的正交异性钢箱梁为6车道2人行道根据AS5100规格，桥面设计为一个封闭的六边形多单元钢箱梁25毫米厚的顶部和底部法兰和20毫米厚的腹板。此外，400毫米40纵向加劲肋用于顶部和底部的凸缘，以及腹板。纵向间距加强筋仅限于700毫米。中间加劲肋的间距为4米，用于腹板。防止过度扭曲变形或过早的甲板屈曲，沿桥面板每10米设置横隔板。隔膜的间距减少到5米的端部附近支持，塔中跨。所有的细节，如隔膜的加强筋和人孔，被认为在桥的局部和全局结构响应在爆炸载荷作用下的影响进行有限元模型。此外，不同的网格尺寸中使用的有限元模型，以实现精度和计算效率。一个更精细的网格0.5米高宽比接近1被用于附近的区域爆炸如图3所示。对于至少部分5米远离爆炸点，网目尺寸最大1米，最大纵横比为2。对于所有其他
零件最大尺寸2米网目尺寸和最大尺寸比率为4，然后与两个参考模型的结果进行比较。在第一参考模型中，所有元素在塔分为四单元和第二参考模型，相同的网格应用到桥面板只有有限元模型预测部分提供。
桥面连接两条136米高钢箱塔由112个电缆。前4根电缆相邻甲板的端部支架相距5米，其他电缆为20米沿着桥面分开，电缆的面积随0.0236平方米到0.0077平方米和初始轴向后张紧力在拉索引起的变化从12 MN至5 MN提供最低垂直偏转永久荷载下，并限制建议荷载分配下的竖向变形1 /中跨长度的600指定澳大利亚大桥标准as5100.2。拉索由270级股断裂强度为1860兆帕。横向钢箱梁连接塔腿和板的厚度和间距的加强筋内的塔箱选择这样一种方式，紧凑的部分提供，此外，塔接地连接被假定为是固定的，并在一个端部的桥面板和辊支承建模为一个销支架建模桥面板的另一端。整个桥梁的有限元模型的轮廓如图6所示。斜向加载法用于用自重和交通荷载预压结构直到结构达到稳定状态。静荷载（如自重、车辆荷载）应在一个相对长的一段时间，以尽量减少动态激励的影响在桥梁构件中会导致不真实的变形和错误的结果。一些试验和错误之后，发现13的应用固定负载使用坡道的方法后，动态激励充分阻尼和桥梁，达到稳定状态的模型准备动态冲击分析。然而，在动态的时间历程是本文提出的，只有最后的0.5这13的过渡时间显示。
在爆炸的情况下，严重的局部损伤接近爆炸的组件通常发生和消散在小于第二和组件的动态响应进一步从爆炸开始延迟和组件的极值响应远离爆炸中心发生几秒钟后爆炸事件。由于所需的动态分析所需的时间捕捉结构的响应不能
确定先验和考虑的主要焦点研究是全球的斜拉桥的行为，本文的动态分析运行在一个相当大的时间间隔（10秒）确保靠近爆炸中心和远离爆炸中心的结构部件的所有极值响应得到充分的。虽然终止时间约5秒在大多数的模型被认为是足够的，在几个有限元模型，极值值发生后5秒和/或拉链类型即使在分析的后期阶段，也会引发连续倒塌。据此，对爆炸后10秒的运行动态进行了分析似乎是足够准确和计算效率。
2.3材料模型和应变率效应
钢板建模与四边形完全集成壳单元和钢被建模为应变率相关弹性硬化塑料材料。材料的充分性模型在LSDYNA模型的非线性行为的钢元素进行高应变率加载已被证明通过一些研究，此外，这种材料模型利用的最大应变准则捕捉故障的发病。
这是既定的屈服和极限强度钢在高应变率加载下增加，但最终钢的应变和弹性模量没有表现出特定的应变率依赖性。在本研究中，强度增强由于应变率效应是由cowpersymonds动态增大系数考虑错误。建模的cable_discrete_beam弹性索，
（mat_71）材料应用。这种材料模型只工作在张力，它可以充分代表电缆的弹性行为[ 14 ]。甲板和塔之间的电缆通常是一元的电缆系统建模（OEC），但目前的研究多采用电缆系统（MECS）可以用嗅鞘细胞的方法提供更好的精度。在可比的嗅鞘细胞的方法提供更好的精度。不同结构之间的二次碰撞（碰撞）桥面板和塔架等构件在爆炸过程中不可避免场景，特别是当爆炸发生在一边桥面板上时。
2.4重力和交通荷载
施加到桥上的重力荷载是自重（DL）和叠加恒载（SDL），加上交通负荷（TL）。这个自重自动计算软件中的关键词frasl;body_z和甲板的重量增加了15%考虑到连接和焊接的重量，150毫米厚的沥青层被认为是磨损表面的道路和应用作为叠加的恒载。据as5100.2 s1600交通荷载的施加在甲板上[ 15 ]作为一个统一的压力。对于考虑s1600原因（固定负载）而不是一个成功（移动车辆荷载）是意外爆炸事故通常遵循相关的桥上堵车。因此，车辆是最有可能是静止的，而不是在运动。应用的交通负载乘以车道因子，因为多个车道同时加载。两种不同的情况下的交通负载情况（TLC）进行了审议，即。TLC1、TLC2543在图8所示。在TLC1、交通荷载分布在整个桥面，而在交通荷载，假定只有TLC2543在中间跨度。在这两种情况下（即TLC1、TLC2）交通负荷有跨桥面对称分布。根据AS5100 [ 15 ]最终和正常使用极限状态计算了后张力在电缆设计要求以及允许的跨中挠度交通荷载引起的。此外，最大应力诱导在甲板和塔所造成的极限状态加载（1.1 1.4 1.8 DL SDL TL）维持在0.5fy和0.85
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