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原文传递爆炸荷载作用下高墩大跨连续刚构桥动态响应研究

论文题名：	爆炸荷载作用下高墩大跨连续刚构桥动态响应研究
关键词：	连续刚构桥;爆炸荷载;爆炸冲击波;动态响应;数值模拟
摘要：	日前，越来越频发的恐怖袭击事件威胁着国际社会安全，而桥梁因作为交通线的咽喉工程在我国的交通、军事领域有着极高的地位。作为战时交通线上的主要摧毁目标之一，桥梁在爆炸荷载冲击下的脆弱性问题暴露出来。虽然连续刚构桥作为我国桥梁的主要桥型之一，但关于连续刚构桥抗爆方向的研究较少，因此对连续刚构桥的桥墩和主梁在爆炸荷载冲击下动力响应的研究势在必行。本文结合ANSYS-Workbench和LS-DYNA建立空心薄壁型高墩、钢筋砼箱梁的有限元模型，研究其动力响应，并开展参数化分析。本文主要研究内容及结论如下: 　　（1）通过对炸药在空气中自由爆炸的模拟，把数值模拟结果和先前总结出、规范中给出的公式计算结果加以比较，验证LS-DYNA中利用多物质流固耦合算法(ALE)进行数值模拟的准确性。同时针对建立的工字梁抗爆模型，对K文件的关键字卡片进行研究与介绍，展示具体建模细节。结果表明：利用本文所采用的空气、炸药材料和状态方程的参数所构建的炸药在自由空气场中爆炸的数值仿真模型，在比例距离大于0.4m·kg-1/3时，其超压峰值数值模拟结果与通过经验公式方法得出的计算结果基本一致，因此可以保证数值模拟的准确性。　　（2）采用ALE多物质流固耦合法，对连续刚构桥空心薄壁型高墩的爆炸动态响应进行数值仿真分析，包括应力、等效塑性应变、位移分析，进而针对不同的TNT当量和爆距展开参数化分析。同时，提出了一个炸后安全性评价指标S，并验证其有效性。结果表明：通过采用ALE多物质流固耦合法构建空心薄壁高墩有限元模型，可以有效地模拟爆炸荷载作用下桥墩的动态响应，并观察桥墩的破坏过程。空心薄壁高墩的初始破坏是迎爆位置的边角单元沿竖向，向上下开始逐渐失效，建议桥墩抗爆可以在桥墩四个边角的位置贴碳纤维复合料或者钢板。迎爆面测点单元的应力增长、失效均很快，等效塑形区面积和迎爆面单元纵向位移增长的趋势均为先快后慢。TNT当量越大，结构响应越大，接近起爆中心位置比远离起爆中心位置，TNT当量对桥墩变形的影响显然大许多。爆距越大，结构响应越小，随着爆距的增加，爆炸荷载的局部效应减少。基于损伤面积的安全评价指标具有直观且方便计算的特点，同时可以有效地反应结构炸后的安全性和损伤等级。　　（3）采用ALE方法，对爆炸荷载作用下连续刚构桥的钢筋砼箱梁的动态响应进行了数值仿真分析，包括应力、等效塑性应变、位移分析，进而针对不同的比例距离和起爆位置展开参数化分析。同时，对各类抗爆HSE材料的具体特点进行分析，提出了炸后桥梁结构的临时修补方案和流程。结果表明：通过采用ALE方法构建钢筋砼箱梁数值仿真模型，可以有效地模拟爆炸荷载作用下箱梁的动态响应，并观察箱梁的损坏过程。爆炸荷载作用下，钢筋混凝土箱梁的破坏由翼板边缘开始，失效单元沿纵向，向两端扩散，建议箱梁抗爆可以在翼板位置贴碳纤维复合料或者钢板。爆炸荷载作用下，等效塑形区面积地增长先快后慢，箱梁顶板中间上拱区域呈向两端扩散并逐渐变窄的趋势。比例距离越小，结构动态响应越大，爆炸以局部效应为主。爆炸位置对主梁的位移和速度动态响应的影响很大，对加速度动态响应的影响相对较小。对于抗爆HSE材料在工程中的应用将会是桥梁结构抗爆的主要研究方向之一，炸后桥梁临时抢修流程可以较好的针对不同损伤级别提供不同的抢修方案。
作者：	丁昊
专业：	建筑与土木工程
导师：	刘来君
授予学位：	硕士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2022