桥梁结构抗爆安全评估研究进展_张宇

ｎ
ｉ＝１
］ ２ ２ ３ ２ ３ ４ － ； 式中 ： 应 该 用 板 的 弹 塑 性 分 析 模 型［ 对于拱 Ｍｎ ｘ） ｄ ｘ 。对于小当量 爆 炸 宽 桥 的 动 力 分 析 ， ＝ φｎ （
得到了左右 排 架 桥 墩 应 力 应 变 和 位 移 的 展了不同炸药当量下钢管混凝土柱式墩排架的比例模型试验 ， 分布情况 。 １． ２ 桥面受爆结构的响应 １． ２． １ 桥面受爆的弹塑性分析 爆炸 作 用 下 混 凝 土 结 构 的 响 应 通 常 用 弹 性 理 ］ ］ ２ ３ ２ ４ ２ ５ ２ ６ － － ， 论［ 铁 木 辛 柯 梁 理 论［ 和等效单自由度理论
６卷 第１期 第３ ０ １ ６年１月 ２
爆
炸
与
冲
击
Ｅ Ｘ Ｐ Ｌ Ｏ Ｓ Ｉ ＯＮ ＡＮ Ｄ Ｓ ＨＯ Ｃ Ｋ ＷＡＶ Ｅ Ｓ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ６，Ｎ ｏ ． １ ，２ Ｊ ａ ｎ ． ０ １ ６
： ／ （ ） Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． １ １ ８ ８ ３ １ ０ ０ １ １ ４ ５ ５ ２ ０ １ ６ ０ １ ０ １ ３ ５ １ ０ － － －
１ 桥梁受爆的动力响应
１． １ 桥墩受爆结构的响应 １． １． １ 桥墩受爆荷载简化方法 对于爆炸荷载的 敏 感 性 最 大 。 爆 炸 在 极 短 的 时 间 桥墩目标易接近且在结构上起着主要支撑作用 ， ， ， 并 对 外 做 功。国 内 外 对 桥 墩 爆 炸 进 行 内化学能迅速释放出来 并迅速向外膨胀 在空气中形成冲击波 ，受爆破坏 ］ 文献 ［ 中开展了一系列圆形和方 形 桥 墩 在 爆 炸 荷 载 下 的 抗 １ ３ 桥墩的主要截面形状为圆形和方形 ， 并对损伤情况进行了对比分析 。 同时 ， 别给出了圆墩和方墩在爆炸荷载作用下的等效静荷载 冲击试验 ，
［２］ 的简化模式 、 动力响应和塑性铰分布情况 ， 研究表明圆形桥墩抗爆性能较优 。 另外 ， 开 Ｍ． Ｂ ｒ ｕ ｎ ｅ ａ ｕ等 ２
２］ ３］ ， 。相 对 于 建 筑 结 构， 破 。 关于建筑结构的抗爆 ， 学者们开展了大量研 究 ［ 并 制 定 了 相 应 的 设 计 规 范［ ４］ ， 关于桥梁在各种爆炸荷载下的研究较少 ， 主要采用有限元和试验方法 ［ 仍未形成系统的理论体系 。 同 ］ ５ １ ２ － 时， 各国桥梁规范 ［ 中甚至军用规范中均未单独考虑爆炸荷载对桥梁的影响 ， 仅把爆炸荷载归结为偶
构的响应和在地震情况下结构的响应和破坏模式进行了对比 ， 如图 ３ 所示 。 研究表明 ： 爆炸荷载由于其 瞬时会释放出大量的能量 ， 桥墩在爆炸荷载的作用下会发生局部的破坏 ， 但是并不会发生较大的水平位
［３］ 移 。 而在地震荷载的作用下 ， 桥墩的主要响应 为 发 生 水 平 位 移 ； 分 别 对 风 荷 载、 地震 Ｅ． Ｂ． Ｗ ｉ ｌ ｌ ｉ ａ ｍ ｓ ｏ ｎ１
［５］ 不 能 真 实 的 反 映 爆 炸 场 景 。 Ｍ． 用有限元方法对汽车 料和结构运动对于爆炸荷载的 作 用 ， Ｒ ｕ ｔ ｎ ｅ ｒ等 １ ［６］ 爆炸下桥梁柱的响应进行了研究 。Ａ． 给 出 了 桥 梁 的 动 力 分 析 模 型。 特 别 需 要 注 意 的 是， Ｋ． Ａ ｒ ａ ｗ ａ ｌ１ ｇ ［７］ 在桥墩与桥面较为封闭 的 条 件 下 爆 炸 ， 爆炸荷载会在封闭环境产生多次反射叠加增 Ｄ． Ｇ． Ｗ ｉ ｎ ｅ ｔ等 １ ｇ 强， 增强的爆炸荷载将会对桥面产生一个托力 ， 让桥的面板和桥墩 脱 离 ， 如 图 ２ 所 示。另 外 不 同 约 束 条
］ ３ ０ ３ １ － 简支梁桥的横向振动一般可采用模态叠加法 ［ 其
简支梁的强迫振动微分方程可表示为 ：
４ ２ ｙ ｙ ｙ Ｅ Ｉ ４ ＋ ｍ ２ ＋ｃ ｘ， ｔ） ＝Ｆ（ ｔ ｘ ｔ
２ ８］ 图 ５ 梁响应阶段 ［
（ ） １
８ Ｆ ｉ ． ５Ｂ ｅ ａ ｍ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ｓ ｅ ｓ ｔ ａ ｅ２ ｇ ｐ ｇ
１ ３］ ， 地 震 荷 载 和 风 荷 载［ 不同动力爆炸荷载和地震荷载 桥梁可能遭受的动力荷载主要 有 爆 炸 荷 载 、 有一定的相似性 ， 运用地震荷载的一些结论对分析爆炸问题有一定的 借 鉴 意 义 。 学 者 对 地 震 作 用 下 桥 ［９］ ［］ １ ８］ ， 和 ＡＡ 墩的作用进行了大量的研究 ［ Ａ Ｃ Ｉ建筑标准 １ Ｓ ＨＴＯ Ｌ Ｒ Ｆ Ｄ 标准 ５ 给出了建筑和桥梁结构混 ［０］ 凝土构件在动力作用下的详细分析方法 ； 测试了 ４ 个钢筋混凝土原型在 模 拟 地 震 荷 载 作 Ｈ． Ｓ ｅ ｚ ｅ ｎ等 ２ ［１］ 把桥墩在爆炸荷载作用下结 用下的破坏模式 。 对于爆炸与地震荷载下结构响应的区别 ， Ｋ． Ｎ． Ｓ ｕ ｔ ｈ ａ ｒ２
］ １ ３ ２ ２ １ ３］ － ， ： 了大量研究 ［ 根据爆炸荷载离桥墩的远近 ， 荷载可以简化为不同的分布形式 ［ 远桥墩爆炸条件下
） 的爆炸荷载可以等效为平面波的均布荷载 ， 如图 １（ 所示 ， 而近桥墩爆炸条件下的爆炸荷载一般可以 ａ （ ） 如图 １ 所示 ， 荷载数值可以用等效静荷载确定 。 等效为三角形荷载 ， ｂ
１］ 。 之前关于桥梁安全问题研 一旦遭受破坏会造成巨大损失 ， 且修复困难 ［ 桥梁作为交通线的枢纽 ， 车辆冲击力 、 船 舶 的 撞 击 力 和 抗 震 和 抗 风 方 面 。“ 后， 恐怖袭 究主要集中在桥梁自重荷载 、 ９·１ １ 事件”
击威胁和偶发爆炸造成的桥梁事故不断增多 ， 使桥梁结构抗爆安全问 题 越 来 越 受 到 关 注 。 桥 梁 所 受 的 爆炸荷载可以归结为常规爆炸荷载 、 偶然性爆炸荷载 （ 如车辆运营过程中危险 物 品 爆 炸 ） 和城市桥梁爆
如图 ４ 所示 。 研究表明 ： 风荷载和 荷载和爆炸荷载作用下混凝土柱的受力情况和动力进行了对比分析 ， 爆炸荷载作用下 ， 最大弯矩均出现在跨中位置 ， 地震荷载的最大弯矩出现在约束部位 。
２ １］ 图 ３ 桥墩在爆炸与地震作用下破坏模式对比 ［
１ ３］ 图 ４ 不同动载下桥墩的弯矩图 ［
Ｆ ｉ ． ３Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ａ ｓ ｔ ｏ ｆ ｉ ｅ ｒ ｄ ａ ｍ ａ ｅ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ｏ ｆ ｉ ｅ ｒ ｇ ｐ ｇ ｐ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｂ ｌ ａ ｓ ｔ ｌ ｏ ａ ｄ ａ ｎ ｄ ｅ ａ ｒ ｔ ｈ ｕ ａ ｋ ｅ ｑ
［ ］
式中 ： 为爆炸荷载 ， 为爆炸荷载下桥梁的位移 。 两跨连续梁桥的受迫振动方程两跨连续 Ｆ（ ｘ， ｔ） ｘ， ｔ） ｙ（ 梁动力学微分方程为 ： １ ２ ｔ） ｔ） ｔ） ｘ ＋ωｎ ＝ ２ ∑ｆｉ（ ωｎ ｑ ＋２ ｑ ｑ ｎ（ ｎ（ ｉ） ξ φｎ （ Ｍ ｍ ｌ
· · ｎ
Ｎｎ
（ ） ２
设计中也没有具体的计算规定 。 本文中从桥梁受爆的动力响应 、 桥梁特殊爆炸问题和桥梁 然荷载一类 ， 的爆炸安全评估 ３ 个方面阐述了国内外桥梁的抗爆的研究进展 ， 对研究中采用的方法 、 措施和取得的成 果进行总结同时指出研究中存在的不足 ， 并针对研究现状提出建议 ， 以期对设计人员进行桥梁抗爆设计 提供参考 ， 并为桥梁抗爆规范的编制提供借鉴 。
［ ２ １］
Ｆ ｉ ． ４Ｄ ｉ ａ ｒ ａ ｍ ｏ ｆ ｉ ｅ ｒ ｂ ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｍ ｏ ｍ ｅ ｎ ｔ ｇ ｇ ｐ ｇ
３ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｖ ａ ｒ ｉ ｏ ｕ ｓ ｄ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｌ ｏ ａ ｄ ｓ１ ｙ ［ ］
等： 桥梁结构抗爆安全评估研究进展 第 １ 期 张 宇 ，
［ ］ ２ ７ ２ ８ － （ 进行分析 。 窄 桥 在 小 当 量 爆 炸 时 简 单 Ｓ ＤＯ Ｆ） ［９］ 梁的弹塑性分析 弹塑性分析可 以 借 鉴 Ｊ ． Ｍ． Ｂ ｉ ｓ２ ｇ
模型 ， 如 图 ５ 所 示。 对 一 维 弹 性 体 Ｂ ｅ ｒ ｎ ｏ ｕ ｌ ｌ ｉ Ｅ ｕ ｌ ｅ ｒ －
件下 ， 柱的弯矩分布不同 ， 因此对于不同约束条件下的桥梁进行抗爆设计和加固时需采用不同方法 。 同
１ ３］ ， 时， 由于桥板的悬链线效应 ［ 单墩的破坏通常不会引发整体桥梁的坍塌 ， 多墩破坏才会产生危险 。
１ ３］ 图 １ 桥墩爆炸下荷载确定方法 ［
１ ７］ 图 ２ 桥板下爆炸示意图 ［ ［ １ ３］ ７ Ｆ ｉ ． ２Ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ｓ ｅ ｏ ｆ ｂ ｒ ｉ ｄ ｅ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｂ ｌ ａ ｓ ｔ ｌ ｏ ａ ｄ１ ｇ ｐ ｇ ［ ］
； 修回日期 ： 收稿日期 ： ２ ０ １ ４ ０ １ ０ ２ ２ ０ １ ４ ０ ３ １ ０ － － － －
＊
） ； ） ； 中国博士后基金项目 （ ５ １ ５ ０ ８ ４ １ ２ ２ ０ １ ４Ｍ ５ ５ １ ４ ５ １ 基金项目 ：国家自然科学基金青年基金项目 （ ） 西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室开放基金项目 （ Ｓ Ｖ ２ ０ １ ４ Ｆ １ ７ －Ｋ － ， 女， 博士 ， 讲师 ， １ ９ ８ ３— ） ｚ ｈ ａ ｎ ｕ １ ９ ８ ３ ｘ ｉ ｎ ｘ ｉ ｎ ６ ３． ｃ ｏ ｍ。 第一作者 ：张 宇 （ ＠１ ｇ ｙ
ｉ ｅ ｒ Ｆ ｉ ． １Ｌ ｏ ａ ｄ ｄ ｅ ｔ ｅ ｒ ｍ ｉ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｓ ｆ ｏ ｒ ｂ ｒ ｉ ｄ ｅ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｂ ｌ ａ ｓ ｔ ｌ ｏ ａ ｄ ｐ ｇ ｇ
１． １． ３ 不同动力荷载作用下桥墩的破坏模式
１ ３ ６
爆 炸 与 冲 击 第 ３ ６卷
１． １． ２ 桥墩附近爆炸下桥梁结构的动力响应 ［４］ 还 会 影 响 桥 梁 的 整 体 稳 定 性 。Ａ． 用常用有限元软 Ｉ ｓ ｌ ａ ｍ１ 桥墩附近爆炸不仅会引发桥 墩 的 破 坏 ， 件Ｓ ＴＡＡ Ｄ． Ｐ ｒ ｏ 分析了典型的 ＡＡ Ｓ ＨＴＯ 梁桥爆炸作用下的响应 ，研究者把恐怖袭 击 下 峰 值 压 力 作 为 等效静载对梁桥进行了爆炸作用模拟 ， 但是爆炸荷载的施加用的是等效静荷载方法 ， 并没有考虑不同材
桥梁结构抗爆安全评估研究进展
２， ３ ， 张 宇１， 李国强２， 陈可鹏４， 陈艾荣２
＊
（ 武警后勤学院建筑工程系 ， 天津 ３ １． ０ ０ １ ６ ２； 同济大学土木工程学院 ， 上海 ２ ２． ０ ０ ０ ９ ２； 西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室 ， 陕西 西安 ７ ３． １ ０ ０ ４ ９； ） 浙江大学建筑设计研究院 ， 浙江 杭州 ３ ４． １ ０ ０ ０ ０； 桥梁结构抗爆安全问 题 越 来 越 受 到 摘要 ：随着恐怖袭击和偶发爆炸事故造成的桥梁爆炸事故不断增多 ， 关注 。 本文中系统总结了桥梁结构抗爆安全评估的研究进展 ， 分析桥墩 、 桥面 、 桥索和桥塔爆炸载荷作用下桥 梁的理论简化方法和结构的动力响应 ， 和桥梁的连续性 、 冗余性和鲁棒性对结构连续性倒塌的影响 ， 通过对建 筑和桥梁抗连续倒塌的研究现状及 相 关 规 范 的 归 纳 ， 明确了桥梁连续倒塌的特性及现行桥梁设计方法的缺 陷 。 而后 ， 就承载能力评估 、 耐久性评估和适用性评估等桥梁安全评估问题的研究进展进行了梳理 ， 并对桥梁 爆破拆除技术和近地下爆炸对桥梁产生的响应和破坏作用进行分析 ， 并针对当前研究的现状 ， 分别提出建议 。 安全评估 ； 结构加固 ； 动力响应 ； 爆炸荷载 ； 桥梁结构 关键词 ：爆炸力学 ； ３ ８ ３ 国标学科代码 ： １ ３ ０ ３ ５ １ ０ 文献标志码 ：Ａ 中图分类号 ：Ｏ