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混凝土箱梁桥在近距离爆震下的加固
艾哈迈德·易卜拉欣1和哈尼·萨利姆2
（1.土木工程与建筑系,布莱德利大学,皮奥利亚IL 61625,美国;2.土木与环境工程系,密苏里大学,哥伦比亚MO 6521 1,美国）
摘要：桥梁上部结构在爆炸载荷下的响应可能在很大程度上取决于由于近距离爆炸威胁而遭受的局部破坏程度.本文研究了使用CFRP（碳纤维增强聚合物）加固的箱梁桥面板在近距离爆震作用下的局部和结构响应.由于缺乏有关此主题的实验研究,本课题使用显式有限元计算机程序LS-DYNA进行研究.数值研究将利用加固的钢筋混凝土板在现场爆震下的反应结果加以验证.假定爆炸荷载在桥梁上方.调查的关键参数是桥面板上的电荷大小和加固位置.本文将介绍本次调查的结果,并提供基于爆炸威胁下的CFRP加固设计理论下预测局部损伤水平的建议.
关键词：预应力;爆炸;箱梁;桥梁;碳纤维
1.简介
国家研究委员会[1]报告说美国国家桥梁数据库中存在大约65万个桥梁结构数据.这些桥梁中的许多都超过了其设计寿命.除了这些因素,再考虑循环载荷和氯化物在防冰作业中的劣化等不利情况,从而使许多桥梁都需要修复、加固或更换.其中约7.7％被归类为结构缺陷,1 4％在功能上过时,8.5％的桥梁既存在结构缺陷和也存在功能过时.
CFRP（碳纤维增强聚合物）是被认为是静荷载下最好的改装材料之一,由于强度自重比与优良的抗疲劳性能,它在冲击荷载下得到了良好的反应效果.关于使用CFRP的改装结构部件的行为有许多不同的结果,但是这些类型材料的箱梁式梁在爆炸载荷下的行为的研究是有限的.
通过研究被碳增强聚合物复合材料加强了的马尾希腊桥梁的结构行为[2].桥梁上部结构和下部结构采用有限元代码ANSYS进行建模.在不同地点的不同卡车载荷下对桥梁进行了分析.将数值分析结果与现场数据进行了比较,结果吻合良好.该结果以梁的应变形式呈现出来.结果表明：通过对结构响应进行比较,使用CFRP的强化的桥梁的结构性能得到了显著的改善.
基于卡车和质量比例负载的CFRP加固桥梁的承载能力分别增加了28％和37％. CFRP延迟了钢筋的屈服,破坏模式从突然的剪切破坏变为弯曲,这表明由于CFRP复合材料的应用,相应的延展性增加.
Berta和Hassan研究了单向纤维增强复合材料的瞬态变形和抗爆性能[3]. 假设单向纤维增强层在承受鼓风载荷时彼此完全结合. 使用内部开发的FORTRAN代码进行分析,代码包括各向异性体的速率依赖损伤方程. 使用节点释放技术对层之间的相对滑动进行建模.考虑了不同材料和负载参数对损伤传播的影响.研究的目的是在使用单向纤维增强复合材料时,检查能量吸收和提高结构抗冲击载荷的能力.
近距离非核爆炸物爆炸的层压板变形类似于核爆炸引起的层压板变形[3]. 纤维体积分数的增加减少了由外力完成的总外部作业,因此降低了对层压板变形所需的能量没有影响的动能.
Buchan和Chen引入了FRP(纤维增强塑料)复合材料和聚合物强化混凝土和砖石结构抗爆性能的最新研究成果[4].该论文介绍了关于FRP的最新研究以及对砖石墙的爆炸效应.研究表明,可以通过向结构添加额外的混凝土质量和增强材料强度来增加防爆性能,但成本是该技术面临的问题之一. 另一种解决方案是使用钢螺柱墙壁,可以在面向鼓风载荷的墙壁的内表面使用,以增加延展性和能量吸收. 改装材料的选择在优化性能和成本方面非常重要. Buchan等人[4]对这种方法评估的材料进行了总结,分析了梁和板材受到烈性爆炸物的影响.
FRP复合材料桥面板的结构行为由Alagusundaramoorthy等人[5]研究. 该研究评估了在AASHTO MS 22.5（HS25）卡车负载下FRP复合材料桥面板的力--位移响应失效关系.他们研究了许多失效模式,包括弯曲和剪切.将测试结果与俄亥俄州交通运输部门的性能标准进行比较,经过测试的桥面板,安全系数从三到八不等,得出了良好的效果. 关于使用有限元法计算模型的研究[6],研究了经过喷砂装载和改装CFRP复合材料的钢筋混凝土板的非线性瞬态特性. 该模型用于研究加载持续时间的影响以及CFRP对板块损伤累积的影响. 研究表明,使用CFRP可防止板坯系统由于建筑板坯的破裂和破碎而引起的完全破坏. 改装板的承载能力提高了200％. 通过CFRP改造双向板坯系统限制了钢筋的屈服扩展. 研究人员创建了一种用于研究FRP改装混凝土结构在爆炸载荷下的分析有限元模型[7],以评估和比较FRP综合有限元模型,从而能运用于模拟技术中.同时对四种分析模型进行了测试,以评估改性混凝土结构中FRP板的行为. 这四种分析模型分别是各向同性线性弹性壳单元,无剪切变形的正交各向异性线弹性壳单元,具有剪切变形的正交各向异性线弹性壳单元,以及线弹性梁单元模型.
2.材料和数字模型
使用非线性有限元代码对箱梁桥进行建[8]. 桥梁的有限元模型如图1所示.它由典型的纵横比为1的六角形固体元素的规则网格组成. 利用对称性模拟了简单支撑的桥梁,因此只有桥梁的四分之一被建模. 考虑沿横向和纵向方向的边界条件,如图2所示. 高爆炸材料假设在桥面上方高度762mm的高度. 用CFRP复合材料加强钢筋混凝土箱梁桥梁的结构特点,不容易用简单的方法进行评估. 实验测试,特别是在爆炸负载领域,在试样数量和所需的数字化方面非常昂贵.如果数值研究处理得当,它将进行提供了可靠和值得信赖的桥梁响应评估结果. 在此环节中,对爆炸载荷下的多个箱梁桥进行了数值研究,以预测损伤水平和与对应的响应及表现方面的改进水平.
CFRP复合材料用于加强某些爆炸性充电重量下的桥梁. 在本研究中,充电重量为10W和30W, 这些炸药被放置在外部网上的桥面上.研究了三个不同的情况:第一个情况假设在中跨段加强了桥面的下表面,第二种情况是加强了上表面,最后一种情况是通过将CFRP放在桥面板两侧,如图3所示.
图一 显示了桥梁模型四分之一尺寸的等轴测图
图二 显示了桥梁模型的边界条件的等轴测图
混凝土采用具有一个积分点的六边形固体元素建模,并将WINFRITH_CONCRETE材料模型分配给这些元素.WINFRITH_CONCRETE模型能够捕获脉冲负载下的混凝土作用行为[9]. 利用LS-DYNA中提供的LAGRANGE_IN_SOLID命令,常规和预应力钢被模拟为浸入混凝土网格中的离散元件,利用它们之间的耦合（约束）的优点.使用PLASTIC_KINEMATIC模型对所有钢筋和预应力钢筋材料进行建模.在所有分析情况下使用的阻尼效应是2％模态阻尼比,尽管阻尼对经受爆炸载荷的结构影响很小.使用LS-DYNA中可用的DYNAM IC_RELAXATION选项考虑重力荷载作为初始应力或预载荷的影响.
使用LS-DYNA中可用的材料模型COMPOSITE_DAMAGE对CFRP层压板进行建模,可以定义复合材料的可选脆性破坏. 通过使用由INTEGRATION SHELL在LS-DYNA中给出的用户定义的积分规则,组成常数可以通过壳体厚度而变化.应用层叠理论来纠正跨越厚度的恒定剪切应变的假设. 假定层间粘合是完美的,在元件层之间不允许滑移.假定三层的角度等于0°,90°和0°,并定义在SECTION_SHELL卡.CFRP的性质是使用软件CADEC-计算机辅助设计环境复合材料[10]. 表1显示了本研究中使用的CFRP的性质.图3显示了四分之一桥梁模型的有限元网格和顶面和底面的CFRP. 如图3所示,四分之一模型的碳纤维片材的宽度为1,219mm.
表一 CFRP属性
图三. 有限元网格和甲板两侧的CFRP和网页的一部分,所示部分为半模型
3.模型验证
在这种模拟中,假设爆破载荷在桥面上方.负载命令定义了爆炸物施加压力负载的所有鼓风功能[8]. 此选项计算了当与LOAD-SEGMENT命令一起使用时,这些正常指向电荷计的压力.将最大预测反射压力[11]与从LS-DYNA获得的值进行比较,如图4所示.
图四 TM5-1300和LS-DYNA在预测反射压力方面的比较
在与被认为是反射压力的点火点的最近元素处测量LS-DYNA的计算压力. 使用TM5-1300和LS-DYNA的最大预测压力值之间的最小和最大差异分别为8.7％和30％,这对桥面反射的压力进行了很好的预测.
通过[12]分别对由CFRP改装过的NRC(普通钢筋混凝土)板和NRC的抗爆性进行了一系列的试验,我们得到板的强度通过将FRP板放在面对爆震点的顶部得到加强. 在每个板坯的中心点使用LVDT测量位移.
如图5所示的混凝土试样在板的两个面上重新形成.所有板坯为1000mmtimes;2000mm,板坯厚度为100mm,两面均匀混凝土盖10mm.板坯通常在主要弯曲方向上以100mm间隔的钢网重新塑造,小弯曲方向为200mm.混凝土抗压强度为39.5 MPa,杨氏模量为28.3 Gpa.钢网的屈服应力为600Mpa,杨氏模量为200Gpa.
所使用的CFRP由拉挤板制成,并在压缩面上外部粘合,厚度为2.8mm,如图5所示.使用两片CFRP板,每块板的宽度为240mm,沿着试样的整个长度运行.在数值分析中,CFRP片材为单层.图6显示了钢筋和CFRP板的有限元模型.
图五 钢筋混凝土板尺寸与改装板的钢筋,几何和尺寸[12]
图六 建模CFRP的有限元网格
表2总结了Wu等人[12]给出的不同爆炸尺寸,相对于距离和最大位移的结果,使用LS-DYNA的板坯的预测位移也显示在表2中.NRC-1和NRC-2代表在不同爆炸载荷下进行试验的常规钢筋混凝土试样. RET-1和RET-2代表使用CFRP的改装板,并在不同的爆炸载荷下进行了测试.
表2 实验和数值比较的总结
从表2可以看出,数值模拟的结果接近实验.从表2可以看出,数值和实验分析的最小和最大值分别为1.18％和9.52％.第一个样本没有显示任何类型的故障,因为对立距离比其他距离长.但是在板块RET-2的情况下,在离散距离为0.92m的地方承受5kg炸药, 注意到板坯没有损坏或破碎,预测了CFRP的剔骨效应,数值结果发生相同的响应. LS-DYNA还预测了支撑件上的一些裂缝,并且在中跨处,与现场测试中观察到的相似,如图7所示.
图七 有限元与实验结果的比较
4.结果与讨论
图8显示了在10W爆炸载荷下使用CFRP材料前后桥梁的总能量. 可以看出,在0.004秒时达到最大能量,分别在顶部,底部和参考模型使用CFRP的情况下,值为2.04times;108和1.22times;108磅-英寸.使用CFRP层压板加强桥面顶面和底面是有效的,并将桥面总能量增加了167％.
使用CFRP加强箱梁桥面板（上表面,底面,顶面和底面）对速度时间历程有重要影响.
图八 用于控制的桥面总能量和强化案例
如图9所示,将使用CFRP的箱梁甲板的三个加固案例的垂直速度分布与没有采用任何加固技术的参考案例进行了比较.
图九 加强桥面下的速度轮廓图形
所有研究的案例均为10W的爆炸载荷,放置在模型的外部网上.图8中所有显示情况下的垂直速度相同,直到从爆震时间起大约0.001秒,然后发生分布行为发散.
从损伤的角度来看,表3显示了使用CFRP加固桥面板的三种方法的效果.最大速度是以爆炸点下最近的元素.损伤尺寸被测量为形成的爆震坑的等效面积.如表2所示,特别是当碳纤维用于混凝土甲板的底部和顶面时,对降低爆震口尺寸有显着的影响.
表3 使用CFRP加强试验结构的速度历史和损伤大小
对于爆炸负荷10W,注意到爆震口尺寸从5.26英寸减小到3.71米,这意味着损伤尺寸减少了60％.类似地,对于负载30W,注意到爆震口尺寸从全局故障情况减小到196英寸,这表明CFRP强化对于这些类型的面板是有效的.CFRP没有防止面板的损坏,但它减轻了近距离爆炸的灾难性作用.
从LS-DSNA结果的分析可以看出,使用CFRP在爆震时间几秒后后吸收了部分能量并出现了破坏尺寸的减小.但是,在爆炸后,CFRP会以脆性材料的形式迅速达到其最大拉伸强度.板材被破坏,发生脱粘,剩余的能量转移到混凝土甲板上,导致开裂和破坏过程开始.图10显示了在10W负载下顶部和底部强化情况下桥面板遭受的损坏.可以看出,在桥面板的顶面和底面使用CFRP将最接近爆震的元素的速度降低了50％,这意味着这种技术在三个中表现最好,并且可以经济地减少对三种桥梁类型结构的损害.
图十 在相同充电重量下的爆炸前后的CFRP（所示部分是模型的一半）
5.结论
本文研究了爆炸载荷下预应力混凝土箱梁桥梁的局部和全局响应.该研究使用动态显式代码LS-DYNA进行并使用在强化混凝土板上发表的实验现场数据评估数值结果.在混凝土桥面板的顶面,底面和两侧采用CFRP加强了箱梁桥梁.结果表明,CFRP在吸收更多能量方面提供了对桥面板的额外抗力,可以通过在加入CFRP之前和之后混凝土桥面板经历的局部损坏来测量. 当CFRP用于顶部和底部表面时,损伤尺寸显着降低,然而CFRP材料在突然的作用下被破坏. 在近距离爆炸下,箱梁桥需要进行更多的实验研究.
参考文献
[1] E.P.Small,国家高速公路桥梁条件,TRNews,交通研究委员会1
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资料编号：[144168]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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