兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (S1): 9-25.doi: 10.12382/bgxb.2023.0863
周广盼1, 王荣2, 王明洋3,4,*(), 丁建国2, 张国凯1
收稿日期:
2023-09-05
上线日期:
2023-12-08
通讯作者:
基金资助:
ZHOU Guangpan1, WANG Rong2, WANG Mingyang3,4,*(), DING Jianguo2, ZHANG Guokai1
Received:
2023-09-05
Online:
2023-12-08
摘要:
为研究爆炸荷载作用下涂覆聚脲混凝土自锚式悬索桥主梁的抗爆防护效果,以山东湖南路大桥为背景,通过试验和数值模拟结合的方法对自锚式悬索桥主梁的爆炸破坏特征和动力响应进行研究。采用2发3kg TNT和1发5kg TNT药柱,开展1∶3缩尺节段箱梁试件的2发单次爆炸试验和1发重复爆炸试验,分别编号为G(未涂覆聚脲箱梁)、PCG(涂覆聚脲箱梁首次起爆)、PCGR(涂覆聚脲箱梁二次起爆),试件顶面涂覆聚脲厚度为1.5mm。通过LS-DYNA软件进行试件爆炸响应数值模拟及验证。研究结果表明,聚脲涂层可有效增强混凝土箱梁的抗爆性能,3kg TNT在中间箱室上方0.4m处首次起爆时,试件G中间箱室顶板形成贯穿性椭圆形破洞;试件PCG中间箱室顶板未贯穿,仅发生轻微的局部凹陷;5kg TNT二次起爆后,试件PCGR中间箱室顶板出现近似圆形贯穿性破洞,1号和3号箱室在支撑处出现明显裂缝。涂覆聚脲后自锚式悬索桥主梁抗爆性能得到至少20%的提升,300kg、500kg、800kg、1000kg TNT当量作用下,未涂覆聚脲主梁顶板混凝土均出现贯穿性破洞;涂覆聚脲后仅在TNT当量为1000kg时发生轻微贯穿。
中图分类号:
周广盼, 王荣, 王明洋, 丁建国, 张国凯. 涂覆聚脲混凝土自锚式悬索桥主梁抗爆性能试验与数值模拟[J]. 兵工学报, 2023, 44(S1): 9-25.
ZHOU Guangpan, WANG Rong, WANG Mingyang, DING Jianguo, ZHANG Guokai. Experiment and Numerical Simulation of Explosion Resistance Performance of Main Girder of Self-anchored Suspension Bridge Coated with Polyurea[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(S1): 9-25.
试件编号 | 防护层 | 爆炸位置 | 爆炸距离/m | TNT当量/kg |
---|---|---|---|---|
G | 无聚脲涂层 | 2号箱室顶板 | 0.4 | 3 |
PCG | 有聚脲涂层 | 中心正上方 | 3 | |
PCGR | 有聚脲涂层 | 中心正上方 | 5 |
表1 试验工况
Table 1 Explosion test conditions
试件编号 | 防护层 | 爆炸位置 | 爆炸距离/m | TNT当量/kg |
---|---|---|---|---|
G | 无聚脲涂层 | 2号箱室顶板 | 0.4 | 3 |
PCG | 有聚脲涂层 | 中心正上方 | 3 | |
PCGR | 有聚脲涂层 | 中心正上方 | 5 |
参数 | ρ/ (kg·m-3) | A0/ MPa | RSIZE | UCF | LCRATE |
---|---|---|---|---|---|
数值 | 2320 | -24.25 | 39.37 | 1.45×10-4 | -1 |
表2 混凝土材料参数
Table 2 Material parameters of concrete
参数 | ρ/ (kg·m-3) | A0/ MPa | RSIZE | UCF | LCRATE |
---|---|---|---|---|---|
数值 | 2320 | -24.25 | 39.37 | 1.45×10-4 | -1 |
参数 | ρ/(kg·m-3) | E/Pa | ν | σY/Pa | Et/Pa | β | C | P | εF | VP |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
数值 | 7800 | 2×1011 | 0.3 | 4.68×108 | 2.1×109 | 0 | 40 | 5 | 0.1 | 0 |
表3 钢筋材料参数
Table 3 Material parameters of rebar
参数 | ρ/(kg·m-3) | E/Pa | ν | σY/Pa | Et/Pa | β | C | P | εF | VP |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
数值 | 7800 | 2×1011 | 0.3 | 4.68×108 | 2.1×109 | 0 | 40 | 5 | 0.1 | 0 |
参数 | ρ/(kg·m-3) | E/Pa | ν | σY/Pa | Et/Pa | β | C | P | εF | VP |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
数值 | 1020 | 2.3×108 | 0.4 | 6×106 | 3.5×106 | 0 | 98.2 | 4.5 | 0.85 | 0 |
表4 聚脲材料参数
Table 4 Material parameter of polyurea
参数 | ρ/(kg·m-3) | E/Pa | ν | σY/Pa | Et/Pa | β | C | P | εF | VP |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
数值 | 1020 | 2.3×108 | 0.4 | 6×106 | 3.5×106 | 0 | 98.2 | 4.5 | 0.85 | 0 |
参数 | ρ/(kg·m-3) | Et/Pa | A | β | C | N | σY/Pa | T/Pa | εF |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
数值 | 1986 | 5.18×109 | 0.63 | 1.56 | 0.0054 | 0.826 | 7.5×107 | 6×106 | 0.01 |
表5 砖砌支撑材料参数
Table 5 Material parameters of brick support
参数 | ρ/(kg·m-3) | Et/Pa | A | β | C | N | σY/Pa | T/Pa | εF |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
数值 | 1986 | 5.18×109 | 0.63 | 1.56 | 0.0054 | 0.826 | 7.5×107 | 6×106 | 0.01 |
ρ/(kg·m-3) | A0/Pa | RSIZE | UCF | LCRATE |
---|---|---|---|---|
2600 | -56×106 | 39.37 | 1.45×108 | -1 |
表7 混凝土材料参数
Table 7 Concrete material parameters
ρ/(kg·m-3) | A0/Pa | RSIZE | UCF | LCRATE |
---|---|---|---|---|
2600 | -56×106 | 39.37 | 1.45×108 | -1 |
RO/(kg·m-3) | E/Pa | PR | SIGY/Pa | EFAIL |
---|---|---|---|---|
7800 | 2×1011 | 0.3 | 4.68×108 | 0.1 |
表8 吊杆、主缆材料具体参数
Table 8 Specific parameters of suspension rod and main cable materials
RO/(kg·m-3) | E/Pa | PR | SIGY/Pa | EFAIL |
---|---|---|---|---|
7800 | 2×1011 | 0.3 | 4.68×108 | 0.1 |
主梁截面编号 | 竖向位移 | ||
---|---|---|---|
计算值/mm | 实测值/mm | 相对差值/% | |
CS1 | -7.95 | -9.0 | -11.7 |
CS2 | 9.5 | 9.0 | -5.6 |
CS3 | 12.88 | 12.0 | 7.3 |
CS4 | 8.03 | 10.0 | -19.7 |
CS5 | -7.56 | -8.0 | -5.5 |
表9 成桥过程中主梁竖向位移对比
Table 9 Comparison of vertical displacements of girder during bridge completion
主梁截面编号 | 竖向位移 | ||
---|---|---|---|
计算值/mm | 实测值/mm | 相对差值/% | |
CS1 | -7.95 | -9.0 | -11.7 |
CS2 | 9.5 | 9.0 | -5.6 |
CS3 | 12.88 | 12.0 | 7.3 |
CS4 | 8.03 | 10.0 | -19.7 |
CS5 | -7.56 | -8.0 | -5.5 |
应力测点 | 纵向应力值 | |||
---|---|---|---|---|
计算值/MPa | 实测值/MPa | 相对差值/% | ||
CS3-SU1 | -4.02 | -4.70 | -14.5 | |
顶板 | CS3-SU2 | -3.81 | -4.67 | -18.4 |
CS3-SU3 | -4.05 | -4.38 | -7.5 | |
CS3-SU4 | -4.43 | -4.53 | -2.2 | |
CS3-SD1 | -5.46 | -5.14 | 6.2 | |
底板 | CS3-SD2 | -4.74 | -5.11 | -7.2 |
CS3-SD3 | -4.55 | -5.43 | -16.2 | |
CS3-SD4 | -4.15 | -5.47 | -24.1 |
表10 成桥空载状态下主梁CS3截面纵向应力值对比
Table 10 Comparison of girder longitudinal stresses at CS3 section under no-load state of completed bridge
应力测点 | 纵向应力值 | |||
---|---|---|---|---|
计算值/MPa | 实测值/MPa | 相对差值/% | ||
CS3-SU1 | -4.02 | -4.70 | -14.5 | |
顶板 | CS3-SU2 | -3.81 | -4.67 | -18.4 |
CS3-SU3 | -4.05 | -4.38 | -7.5 | |
CS3-SU4 | -4.43 | -4.53 | -2.2 | |
CS3-SD1 | -5.46 | -5.14 | 6.2 | |
底板 | CS3-SD2 | -4.74 | -5.11 | -7.2 |
CS3-SD3 | -4.55 | -5.43 | -16.2 | |
CS3-SD4 | -4.15 | -5.47 | -24.1 |
工况 | 作用位置 | TNT当 量/kg | 爆炸高 度/m | 比例距离/ (m·kg-1/3) | |
---|---|---|---|---|---|
横桥向 | 纵桥向 | ||||
工况1 | 道路中心线 | 1/2跨 | 300 | 1 | 0.149 |
工况2 | 道路中心线 | 1/2跨 | 500 | 1 | 0.126 |
工况3 | 道路中心线 | 1/2跨 | 800 | 1 | 0.108 |
工况4 | 道路中心线 | 1/2跨 | 1000 | 1 | 0.100 |
表11 不同TNT当量的工况
Table 11 Conditions under different TNT equivalents
工况 | 作用位置 | TNT当 量/kg | 爆炸高 度/m | 比例距离/ (m·kg-1/3) | |
---|---|---|---|---|---|
横桥向 | 纵桥向 | ||||
工况1 | 道路中心线 | 1/2跨 | 300 | 1 | 0.149 |
工况2 | 道路中心线 | 1/2跨 | 500 | 1 | 0.126 |
工况3 | 道路中心线 | 1/2跨 | 800 | 1 | 0.108 |
工况4 | 道路中心线 | 1/2跨 | 1000 | 1 | 0.100 |
[1] |
doi: 10.1016/j.compstruct.2021.113893 URL |
[2] |
|
[3] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2012.08.005 URL |
[4] |
doi: 10.1016/j.mechmat.2009.09.008 URL |
[5] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2009.04.005 URL |
[6] |
doi: 10.1007/s11668-020-01055-w |
[7] |
doi: 10.1016/j.dt.2021.12.011 URL |
[8] |
doi: 10.1061/(ASCE)0887-3828(2004)18:2(100) URL |
[9] |
蒲兴富. 弹性体增强混凝土砌体墙爆炸响应的数值分析[D]. 宁波: 宁波大学, 2009.
|
|
|
[10] |
doi: 10.1061/(ASCE)0733-9445(2005)131:8(1186) URL |
[11] |
doi: 10.1016/j.ijimpeng.2012.08.005 URL |
[12] |
doi: 10.1016/j.mechmat.2013.03.008 URL |
[13] |
王雅. 自锚式悬索桥静动力及爆炸冲击波下的响应研究[D]. 西安: 长安大学, 2020.
|
|
|
[14] |
杨赞. 爆炸荷载下钢筋混凝土箱梁动态响应研究[D]. 长沙: 国防科技大学, 2019.
|
|
|
[15] |
邱敏杰. 爆炸荷载作用下预应力混凝土桥梁结构的动态响应及破坏机理研究[D]. 西安: 西安理工大学, 2021.
|
|
|
[16] |
doi: 10.1061/(ASCE)BE.1943-5592.0000124 URL |
[17] |
doi: 10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0000440 URL |
[18] |
doi: 10.1061/(ASCE)BE.1943-5592.0000762 URL |
[19] |
doi: 10.1061/(ASCE)BE.1943-5592.0000220 URL |
[20] |
doi: 10.1016/j.engstruct.2007.12.014 URL |
[21] |
doi: 10.1016/j.proeng.2017.09.400 URL |
[22] |
doi: 10.1109/ACCESS.2019.2940037 |
[23] |
姚术健, 蒋志刚, 卢芳云, 等. 汽车炸弹钢箱梁内部爆炸局部破坏效应分析[J]. 振动与冲击, 2015, 34(7): 222-227.
|
|
|
[24] |
doi: 10.1016/j.engstruct.2016.08.038 URL |
[25] |
doi: 10.1016/j.engstruct.2018.10.070 URL |
[26] |
doi: 10.1016/j.istruc.2023.02.101 URL |
[27] |
doi: 10.1016/j.dt.2020.02.006 URL |
[28] |
doi: 10.1016/j.tws.2021.108111 URL |
[29] |
doi: 10.1016/S0734-743X(97)00023-7 URL |
[30] |
孔新立, 金丰年, 蒋美蓉. 恐怖爆炸袭击方式及规模分析[J]. 爆破, 2007, 24(3): 88-92.
|
|
|
[31] |
张守旸, 宗琦, 吕闹. 沉箱码头聚脲涂层抗爆防护毁伤效应数值模拟[J]. 中国安全生产科学技术, 2021, 17(1): 162-168.
|
|
|
[32] |
|
[1] | 严泽臣,岳松林,邱艳宇,王建平,赵跃堂,施杰,李旭. 水下爆炸冲击波反射压力计算方法的改进[J]. 兵工学报, 2024, 45(4): 1196-1207. |
[2] | 姚梦雷, 侯海量, 李典, 谢悦. 舰船舱内爆炸载荷下Y形夹层板动响应及抗爆性能影响因素[J]. 兵工学报, 2024, 45(3): 837-854. |
[3] | 李婧, 孙晓霞, 马兴龙, 朱文祥. 开孔泡沫金属传热和流动特性[J]. 兵工学报, 2024, 45(1): 122-130. |
[4] | 康耕新, 颜海春, 张亚栋, 刘明君, 郝礼楷. 接触爆炸下混凝土墩破坏效应试验与数值模拟[J]. 兵工学报, 2024, 45(1): 144-155. |
[5] | 雷娟棉, 高毅, 勇政. 旋转导弹横向喷流干扰特性数值模拟[J]. 兵工学报, 2024, 45(1): 105-121. |
[6] | 王新宇, 姜春兰, 王在成, 方远德. 烤燃条件下JEO聚能装药战斗部泄压结构研究[J]. 兵工学报, 2024, 45(1): 1-14. |
[7] | 雷特, 武郁文, 徐高, 邱彦铭, 康朝辉, 翁春生. 基于大涡模拟方法的三维旋转爆轰流场结构研究[J]. 兵工学报, 2024, 45(1): 85-96. |
[8] | 寇永锋, 杨坤, 张斌, 肖迤文, 鲁建英, 陈朗. 基于烤燃实验和数值模拟的战斗部装药热安全性[J]. 兵工学报, 2023, 44(S1): 41-49. |
[9] | 余双洋, 彭永. 4340钢弹侵彻45号钢靶的温升数值模拟[J]. 兵工学报, 2023, 44(S1): 144-151. |
[10] | 余雯君, 陈胜云, 邓树新, 于冰冰, 晋冬艳. 爆炸冲击波在变向通道中传播规律数值模拟[J]. 兵工学报, 2023, 44(S1): 180-188. |
[11] | 杜永刚, 王雪松, 万志华. 助飞运载器螺旋传动失效的机理研究[J]. 兵工学报, 2023, 44(7): 2033-2040. |
[12] | 高铁锁, 江涛, 傅杨奥骁, 丁明松, 刘庆宗, 董维中, 许勇, 李鹏. 不同尺度飞行器周围等离子体分布及电磁波传输效应[J]. 兵工学报, 2023, 44(6): 1809-1819. |
[13] | 杨光瑞, 汪维, 杨建超, 汪剑辉, 王幸. POZD涂覆波纹钢加固钢筋混凝土板抗爆性能[J]. 兵工学报, 2023, 44(5): 1374-1383. |
[14] | 刘巍, 马宏昊, 徐钦明, 姚象洋, 赵勇, 杨科, 杨辉, 沈兆武. 浅埋炸药加载下含空穴泡沫铝夹芯板动态响应机制[J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3613-3621. |
[15] | 唐奎, 王金相, 刘亮涛, 杨明. 长杆弹二次侵彻机理及影响因素研究[J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3707-3718. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||