爆破荷载下混凝土桥梁结构特性分析.pdf

Industrial Construction Vol. 49,No. 6,2019工业建筑 2019 年第 49 卷第 6 期 153 爆破荷载下混凝土桥梁结构特性分析 陈善江 程贵海 韩进仕 张勤彬 王 平 凌宇恒 广西大学资源环境与材料学院, 南宁 530004 摘 要 为研究爆破荷载下混凝土桥梁结构破坏和坍塌特性,建立了混凝土结构单元应力平衡关系,采 用断裂力学基本理论分析混凝土结构高应变率的极限破坏形式,并通过混凝土模型破坏试验,结合贵港航运 桥拆除工程实例进行研究。 研究发现混凝土模型在快速加载的条件下,结构的破坏承载能力远大于静载作 用下的极限承载能力,借助相似试验的试验结果推断爆破荷载下混凝土结构的破碎断裂情况,以提高爆破拆 除的准确率;基于拆除的基本理论,对优化爆破参数、提高爆破效果具有显著的现实意义。 通过总结前人的 研究成果,采用修正的 JWLG 状态方程对爆破荷载进行定量分析,实践表明能够较准确地估算炸药的用量。 关键词 爆破荷载; 拆除; 混凝土结构; 相似试验; JWLG 状态方程 DOI 10. 13204/ j.gyjz201906027 ANALYSIS FOR STRUCTURAL CHARACTERISTICS OF REINFORCED CONCRETE BRIDGE UNDER BLASTING LOAD CHEN Shanjiang CHENG Guihai HAN Jinshi ZHANG Qinbin WANG Ping LING Yuheng College of Resources Environment and Materials, Guangxi University, Nanning 530004, China Abstract In order to study the damage and collapse characteristics of reinforced concrete bridge structure under blasting load, the stress balancing relation of reinforced concrete structure unit was established. Based on the theory of fracture, the limit destruction s of concrete structure with high strain rate were studied, the damage experiment of concrete model combined with a project of Guigang Bridge demolition, was carried out. The results showed that under the rapid loading test, the crushing bearing capacities of concrete structures were far greater than the normal ultimate bearing capacity, and the crushing and fracturing conditions of concrete structures under blast load were deduced based on the experimental results of similar experiments to improve the correction of blasting demolition. Based on the basic theory of demolition, it was of great practical significance to optimize blasting parameters and improve blasting effect. Summarizing the results of previous studies, the modified JWLG equation of state was applied to quantity analysis of blasting load, which could correction of predict and estimate the perance of explosives. Keywords blasting load; demolishing; reinforced concrete structure; similar experiment; JWLG equation of state 第一作者陈善江,男,1992 年出生,硕士研究生。 通信作者程贵海,253355676 。 收稿日期2018-12-30 混凝土结构因优异的力学性能和广泛的材料来 源,为工程建设大量采用。 而爆破冲击荷载作为一 种冲击动荷载,具有压力大、能量高、作用时间短的 特点,在拆除混凝土结构工程中应用较为广泛[1]。 研究混凝土结构在典型爆破荷载作用下的结构特征 和破坏模式,有利于提高拆除混凝土结构的效率和 经济性,意义重大。 目前,估量炸药的爆炸做功能力、确定爆炸产物 JWL 状态方程参数的圆筒试验,被广泛应用于各领 域。 爆炸作用在有结构约束时,其爆破荷载可能会 有若干个超压峰值,并且结构的各向异性及动态响 应三者十分复杂,与约束结构的形状尺寸、炸药质 量、位置等因素相关[2-3]。 近年来,众多学者对爆炸 荷载作用下混凝土结构可能的破坏模式、规律及动 态响应进行了深入研究。 Symonds 等提出模态近似 法[4],即假定爆破荷载作用下结构构件的变形遵循 一定的规律,且该方法沿用至今;文献[5-6]基于非 线性有限元动力分析探究了爆破荷载下混凝土结构 的动力响应、失效模式和倒塌破坏机理,为爆破荷载 作用下混凝土结构的抗爆设计提供有效防护措施和 抵抗破坏模式;胡志坚等通过构建桥梁实体模型和 跨中主梁局部模型,分析了大跨混凝土斜拉桥在爆 破荷载下的动力响应和损伤模式,并对不同炸药量 下斜拉索的应力和结构动力响应进行了分析[7];师 万方数据 154 工业建筑 2019 年第 49 卷第 6 期 燕超采用数值模拟方法研究了混凝土结构在爆炸冲 击波与结构相互作用下的破坏模式并对爆炸荷载预 测、损伤程度的评估及结构连续倒塌的方式进行了 分析[8]。 迄今为止,对爆破荷载对混凝土结构作用 的研究虽有许多成果,但仍未能很好解决爆破荷载 下混凝土桥梁结构的破碎、坍塌模式,而专门的分析 研究鲜有人为,且效果不够理想[7,9-10]。 因此,本研究以爆炸动力学为基础,引用爆炸修 正 JWL 状态方程,通过混凝土结构模型破坏的相似 试验,分析桥梁结构的动力特性。 以结构力学、断裂 力学和损伤力学为理论基础,开展基于爆破荷载下 混凝土桥梁结构特性研究,分析爆破拆除桥梁结构 断裂破碎的规律,为爆破设计、施工提供理论参考。 1 爆破荷载下混凝土构件的破坏特性探析 1. 1 爆破荷载理论计算 目前,JWL 状态方程可较精确地描述爆炸产物 膨胀做功过程,估算爆炸动力荷载峰值及合适的装 药量。 工程计算中不同成份甚至不同密度的炸药都 有各自不同的参数,确定 JWL 状态方程参数对计算 爆炸力学具有十分重要的意义。 JWL 状态方程在 在爆炸力学数值计算中得到了广泛的应用,但仍存 在一定的问题。 对于同一种炸药,JWL 状态方程的 六个参数随炸药的种类和装药的密度而变化。 薛再 清提出了通用的 JWLG 状态方程[11],用爆炸后单位 质量的爆炸产物的体积 Vm V/ ρ0代替爆炸产物的 相对比容 V,可以适用于不同装药密度,具体形 式为 p A 1 - ρ0ω R1 V exp - R1V ρ 0 B 1 - ρ0ω R2 V exp - R2V ρ 0 ρ0ωe V 1 其中 V v/ v0,e e0/ V 式中 p 为爆炸产生的压力; V 为爆炸产物的相对比 容; v 为爆炸产物的比容;ρ 为爆炸产物的密度; v0 为爆炸前炸药的初始比容; ρ0为爆炸前炸药的密 度; e 为爆炸产物的比内能; e0为初始比内能; A、B、 R1、R2、ω 为状态方程拟合参数。 应用上述状态方程对多种炸药的爆炸参数进行 理论计算,能够估算炸药的爆破效果。 基于拆除构 筑物的结构特点,可对爆破荷载进行定性比较和定 量分析,使作用在拆除结构爆破荷载做功达到最优, 有效利用爆破的能量。 1. 2 破坏机理 爆破冲击荷载作用下混凝土结构会发生高达 10 -1 10 -3 s -1 的应变率,在高应变率状态下,混凝土 的抗压强度比静载作用下的高一倍,抗拉强度甚至 能提高到 6 倍[12-13]。 由于待拆除结构大多难以满足工程的需求,整 体系统可能包含某些缺陷,混凝土的破坏是由于对 象体系中潜在的各种缺陷引起的,其破坏过程实际 上就是微裂纹萌生、扩展、贯通,直到产生宏观裂纹。 爆破荷载作用加速了结构微裂纹的破损断裂,使结 构整体失稳破裂,达到拆除的目的[14]。 取结构微分 单元体计算混凝土单元在平面剪力和轴力作用下的 应力和变形,假设图 1 所示的混凝土的应力摩尔圆, 可得出式2的平衡关系 σx ρ xfx σ 1 - τcot θ2a σy ρ yfy σ 1 - τtan θ2b τ σ1 σ 3 / tan θ cot θ 2c 式中 σx、σy为结构单元体横向和竖向应力; ρx、ρy 为横向和竖向配筋率; fx、 fy为横向和竖向钢筋的应 力; σ1为垂直于裂缝方向的第一主应力; σ3为平行 于裂缝方向的第三主应力;θ 为裂缝倾角;τ 为抗剪 强度。 图 1 钢筋混凝土结构单元体应力摩尔圆 Fig.1 The stress Mohrs circle of reinforced concrete structural unit 1. 3 破坏的形式分析 对工程结构破坏事故的综合分析表明大多数 结构的破坏起始于缺陷、边孔、缺口根部及微裂纹等 部位。 Griffith 对脆性材料的断裂理论做出了开创 性研究,他从能量平衡的观点出发提出当裂纹扩展 释放的弹性应变能等于新断裂纹形成的表面能时, 万方数据 爆破荷载下混凝土桥梁结构特性分析 陈善江,等155 裂纹就会失稳扩展,结构发生断裂破坏,结构如图 2 所示,断裂应力的计算式 σf 2γE π a 1 2 3 式中 σf为断裂应力; E 为弹性模量;γ 为断裂材料 的表面能; a 为微裂纹尺寸。 图 2 荷载作用下任意形状的带裂缝混凝土结构 Fig.2 Concrete structure with cracks of arbitrary shape under loading 通过对混凝土构件特性的分析,运用断裂力学 的观点、判据,爆破荷载作用下混凝土结构有可能破 坏的模式评估方法有最大应力、最大应变及最大位 移三个准则。 1. 3. 1 最大应力 1根据混凝土应力摩尔圆的平衡关系式,可求 得主应力 σ1 tan2θσx - ρ xfx ρyfy - σ y tan2θ - 1 4 σ3 τtan θ - cot θ - σ15 2结合断裂力学计算式式3判定高应变率 作用下混凝土的极限承载能力 σc C DIFσfc 6a σt T DIFσft 6b 式中 σc、σt为高应变率下混凝土的抗压和抗拉极 限强度; CDIF、TDIF为混凝土的抗压和抗拉动力增大 系数; σfc、σft为混凝土的抗压和抗拉极限强度。 3根据最大应力准则 σ1 σc7a σ3 σt7b 爆破荷载作用的主应力超过混凝土极限承载 力,其结构发生破坏。 1. 3. 2 最大应变 由混凝土单轴力学试验可知混凝土破裂呈现 出平行于荷载方向的多条裂缝,这主要是由于试件 受压时自由面向外膨胀产生拉伸变形的结果;同时, 混凝土抗拉强度约为抗压强度的 10％,混凝土主要 呈现出拉裂破坏;根据 Collins-Vecchio 提出的裂纹 间混凝土的应力-应变关系[15],裂纹间混凝土的应 变可由式8求得 ε ε04ε0- ε02σ σ0 8a ε ≥ εu8b 式中 σ0为应力的最大值; ε0为混凝土最大应力值 对应的应变; εu为混凝土极限应变。 爆破荷载作用下,混凝土的应变大于极限应变, 结构因发生大变形而失去承载能力,导致断裂破损 及破坏。 1. 3. 3 最大位移 结合图 2 所示在混凝土结构体内裂缝长度 a 的 任意形状的混凝土单元结构,假定在图示荷载 f 的 作用下,在断裂过程中外力做功于断裂区内虚拟裂 缝的张开和向前扩展,断裂区尖端的应力超过极限 强度就会沿无约束段自由膨胀,体系沿力的方向发 生 u 位移 u ≥ uu9 式中 uu为混凝土结构极限位移。 荷载作用下的结构发生的位移超过极限位移 时,结构达到临界破坏状态,导致局部主要结构失去 承载能力,进一步发展为整体结构性能将退化超过 其极限状态,结构解体。 1. 4 模型破坏试验 拆除工程的混凝土内部存在天然的裂缝及积累 的损伤,爆破荷载作用在微裂纹处,驱动力远大于裂 纹扩展阻力,裂纹极易扩展造成结构的断裂、失稳及 破碎破坏。 将动荷载转化为静荷载分析混凝土的结 构破坏特性,考虑高应变混凝土破坏的动力特性和 炸药爆炸作用炮孔周围的应力 σx σ y p/ F 10 式中F 为安全系数。 由上述混凝土破坏的形式,结合图 1 与图 2,探 析待拆除工程混凝土结构爆破裂缝破损破裂的扩展 程度。 基于最大应力、最大应变及最大位移的破坏 形式,通过对 100 cm60 cm50 cm 混凝土模块的 试验,在迅速加载情况下,借助千斤顶、声发射、位移 计和应变仪等设备测量混凝土模块的应力、应变、裂 纹扩展及断裂破坏荷载,如图 3 所示。 通过对本模 型的试验和观察,可以预测混凝土性能,用来预估混 凝土结构的断裂破碎。 2 工程应用 2. 1 工程概况 贵港航运枢纽大桥位于广西贵港市南环路的郁 江南岸引航道上游,待拆的交通桥为中承式混凝土 万方数据 156 工业建筑 2019 年第 49 卷第 6 期 a模型; b声发射及应变仪安装; c千斤顶和位移测量安装; d加压过程; e裂纹扩展; f断裂。 图 3 混凝土加载断裂过程 Fig.3 The fracture process of concrete under loading 结构肋拱桥。 因该桥梁为枢纽通道,负荷大,地基沉 降不均匀,桥台发生变形,肋拱多处出现裂纹损伤, 经 20 多年的服役,该桥已成为危桥。 桥总长为 147. 0 m,总净宽为 18. 6 m,桥面机动车道宽为 9. 0 m,非机动车及人行道宽为 23. 0 m,拱上桥面 为 12 跨,每跨 6. 0 m,整体式连续梁板结构长为 72. 0 m,拱轴线弧长为 105. 3 m,拱背外弧长为 107. 2 m,拱腹内弧长为 103. 5 m,拱顶距桥面高为 13. 0 m,桥由桥台、引桥跨、主孔跨、拱肋、桥台前台、 支柱、吊杆等构成。 爆破需拆除主孔跨、桥台前台、 支柱、拱肋;桥台、引桥跨不进行爆破;总工程量约 3 100 m3。 2. 2 爆破拆除设计的基本原理 2. 2. 1 失稳原理 基于结构力学、结构设计和结构系统,失稳是由 单构件的失稳、刚架结构的局部失稳、刚架结构的整 体失稳三个步骤构成。 在承重结构的某些关键位 置,爆炸荷载作用超过构件的极限承载力或达到压 杆失稳的临界压力时,由几何不变体系成为几何可 变体系,使之失去承载能力,破坏结构的刚度,使结 构在重力和内部作用力相互影响下坍塌破碎[16]。 2. 2. 2 微分原理 进行构筑物爆破拆除的过程中,基于微分理论 和破坏准则,采用拆除结构耗能最小原理的极限分 析方法,对爆炸目标所需要的总炸药量的分散化和 微量化进行处理,进行钻孔设计,满足破碎效果、达 到拆除要求并降低爆破危害。 2. 2. 3 等能原理 爆破拆除构筑物是利用炸药爆炸瞬间爆炸荷载 的对外做功,基于等能原理及材料破坏准则,对拆除 构筑物每个炮孔炸药爆炸时所产生的做功能量和破 碎该孔周围介质所需要的能量相等,使介质达到一 定范围破碎或破损,以达到拆除的要求,且不造成其 他危害的多余能量。 2. 3 爆破方案的设计 2. 3. 1 爆破参数 本拆除爆破工程结合拆除理论基础,在承重结 构的关键位置布置炮孔且均匀分布在桥梁结构上, 采用多炮孔小药量的形式爆破方法;因桥梁结构复 杂,炮孔深度从 0. 112. 40 m 不等,根据该桥梁的 材料强度、受力点尺寸、钢筋布置方式、配筋率等实 际情况,为达到使桥梁混凝土结构的完全粉碎并与 钢筋剥离的效果,桥梁布孔达五千余个,参数如表 1 所示。 2. 3. 2 网路连接方式 采用孔外延时微差的非电起爆网路,网路连接 中孔内采用 15 段导爆管雷管引爆炸药,每束连接炮 孔个数不超过 20 个,并采用 2 发并 3 段导爆管雷管 将各束串联,形成孔外延时-多孔间微差非电起爆 网路[17]。 爆破选用 2 号岩石乳化炸药,3 段用于孔 外微差、15 段用于孔内延时,孔外用低段位雷管,以 保证孔内雷管起爆后,后传爆雷管的网路不被破坏。 2. 3. 3 起爆顺序 通过对桥梁结构截面的分析,将该桥分为 8 大 起爆区域,从桥台前承台、桥面板、支柱到肋拱形 成从桥两端到中间的爆破顺序,该方法可有效减 少同段爆破药量,且实现对各部分结构逐步均匀 卸载。 万方数据 爆破荷载下混凝土桥梁结构特性分析 陈善江,等157 表 1 爆破方案参数 Table 1 The parameters of blasting plan 桥梁部位孔距/ m排距/ m孔深/ m单耗/ kg m -3 单孔药量/ kg总孔数/ 个总药量/ kg 人行道纵梁0. 400. 302. 500. 1045645. 60 车行道纵梁0. 450. 401. 700. 15805120. 75 吊杆横梁0. 500. 650. 600. 900. 500. 600. 150. 2535280. 30 肋面0. 400. 400. 250. 750. 0792064. 40 隔板0. 501. 802. 400. 750. 801. 106864. 60 肋底0. 400. 851. 000. 2029659. 20 前台盖梁0. 500. 500. 700. 650. 208016. 00 立柱0. 500. 400. 600. 500. 630. 150. 210418. 40 盖梁0. 500. 500. 500. 205010. 00 桥面板0. 550. 550. 110. 750. 072 240156. 80 2. 4 结构破坏特征分析 根据混凝土结构的破坏特性,因其废旧的混凝 土结构内部充满微裂纹和积累损伤,在爆炸荷载作 用下结构瞬间经过高应力的冲击破坏而发生破坏坍 塌。 采用失稳理论和微分理论布置炮孔位置及数 量,依据混凝土破坏特性,并结合等能理论分析及工 程经验,设计装药结构及分布情况。 结合图 3 的混凝土加载断裂过程,爆炸荷载 下的桥梁结构连续破坏中,爆炸荷载瞬间即完 成,造成结构的初始破坏,桥梁结构裂缝数量急 剧增多、裂缝宽度迅速变大而断裂,继而发生连 续倒塌破坏,见图 4。 在坍塌的过程中,由于合理 的延时时间和起爆顺序,桥梁结构各部分逐步均 匀失稳之间相互挤压碰撞,发生二次破碎,实现 桥梁结构的完全破碎,且钢筋与混凝土分离情况 达到预期效果。 图 4 贵港桥动态破坏过程 Fig.4 Dynamic failure process of Guigang Bridge 3 结束语 1爆破荷载作为一种冲击动荷载,难以进行定 性分析和定量比较,工程应用中大多以经验理论为 主,以爆炸力学理论为基础,采用 JWLG 状态方程定 性分析炸药的静态做功,对于合理确定材料或结构 断裂破碎提供参考。 2基于钢筋混凝土应力摩尔圆平衡关系,结合 迅速施加荷载试验的混凝土模型的裂纹扩展及断裂 分析,动荷载作用下带缺陷结构的应力、应变及位移 达到的结构动力破坏极限承载力,使结构发生断裂 破碎。 3结合了贵港桥工程实例,按照爆破拆除的微 分原理设计炮孔数量及炮孔微分化多布孔;依据 等能理论确定装药量;基于失稳理论在桥梁承重结 构布置炮孔、敷设网路及设计起爆顺序。 拆除达到 预期效果,取得良好的工程经济效益。 参考文献 [1] 李猛深,李杰,李宏,等.爆炸荷载下钢筋混凝土梁的变形和破 坏[J].爆炸与冲击,2015,352177-183. 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