橋梁結(jié)構(gòu)抗爆研究現(xiàn)狀與展望*

胡志堅(jiān)，劉輝

武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北武漢 430063

偶發(fā)爆炸事故、恐襲或戰(zhàn)爭所造成的橋梁爆炸損毀事件正日益增多，橋梁結(jié)構(gòu)抗爆安全性也越來越受到社會(huì)關(guān)注。橋梁作為公共交通設(shè)施具有開放性的特點(diǎn)，車載爆炸物可靠近或直接接觸橋梁構(gòu)件，爆炸物發(fā)生爆炸時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件通常直接承受近場(chǎng)爆炸荷載沖擊作用。如何在不顯著增加經(jīng)濟(jì)成本的前提下提升橋梁結(jié)構(gòu)的抗爆能力已逐步成為國內(nèi)外學(xué)者密切關(guān)注的科學(xué)問題之一［1-5］。但現(xiàn)有的橋梁結(jié)構(gòu)抗爆研究尚處于探索階段，往往借鑒建筑工程結(jié)構(gòu)抗爆研究成果，大多是針對(duì)個(gè)例橋梁建立全橋數(shù)值模型進(jìn)行分析，未充分體現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)類型及其開放性等特點(diǎn)和橋梁結(jié)構(gòu)受爆損傷破壞機(jī)理等，存在橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)機(jī)理不明、爆炸荷載作用規(guī)律不清晰、結(jié)構(gòu)受爆后剩余承載力評(píng)估方法不明等不足，所獲取的研究成果也缺少試驗(yàn)或?qū)崢驍?shù)據(jù)驗(yàn)證的問題。且，爆炸荷載作用下的破壞機(jī)理、動(dòng)力響應(yīng)等關(guān)鍵問題還有待深入。

本文從荷載壓力場(chǎng)分布、橋梁抗爆動(dòng)力響應(yīng)、橋梁結(jié)構(gòu)受爆炸荷載作用時(shí)的倒塌破壞等方面進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)荷載場(chǎng)、預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)研究、剩余承載力評(píng)估、實(shí)橋爆炸試驗(yàn)、橋梁結(jié)構(gòu)爆炸防護(hù)等領(lǐng)域進(jìn)行了展望，以期為未來開展橋梁抗爆研究提供借鑒。

1 荷載壓力場(chǎng)

根據(jù)爆炸物與構(gòu)件是否接觸，爆炸可為非接觸爆炸（近場(chǎng)爆炸、遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸） 和接觸爆炸。近場(chǎng)爆炸時(shí)，爆炸沖擊波尚未完全擴(kuò)散就直接作用在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上，呈現(xiàn)局部性損傷破壞特征；遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸時(shí)，爆炸荷載在結(jié)構(gòu)不同位置處近似呈均勻分布［4-5］?；诒ㄗ饔脤?duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響和橋梁結(jié)構(gòu)開放性特點(diǎn)，目前主要針對(duì)近場(chǎng)爆炸和接觸爆炸進(jìn)行研究。

1.1 近場(chǎng)爆炸

1.1.1 橋面爆炸爆心位于橋梁結(jié)構(gòu)上方，屬于自由空氣場(chǎng)中的近場(chǎng)爆炸，分析時(shí)可以考慮橋面板的整體受力。婁凡［6］對(duì)預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)T 梁進(jìn)行了野外爆炸實(shí)驗(yàn)，獲取了超壓時(shí)程曲線和橋面超壓分布等數(shù)據(jù)，所獲得的橋面超壓峰值分布圖如圖1 所示。圖1 中，沿橋梁縱、橫向的爆炸超壓均呈非線性分布，爆心正下方位置的超壓峰值最大，并迅速向四周衰減變化；若保持其比例距離不變而增加炸藥當(dāng)量值，則超壓峰值在爆心正下方處不發(fā)生變化，但超壓值在其它橋面位置都顯著增大；若爆心高度不變，則隨著比例距離減小，爆炸荷載超壓呈急劇上升。

圖1 橋面超壓峰值分布圖［6］Fig. 1 Peak overpressure distribution above deck［6］

實(shí)際中，橋面爆炸多由車載炸藥爆炸或易燃易爆?；返纫l(fā)。胡志堅(jiān)等［4］采用數(shù)值模擬和實(shí)橋反演分析相結(jié)合方法，對(duì)混凝土梁橋橋面爆炸的壓力場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明：車載爆炸物爆炸時(shí)車輛車廂底盤鋼板對(duì)爆炸沖擊波發(fā)散產(chǎn)生很明顯的阻擋作用，從而使主梁可能出現(xiàn)彎曲破壞、彎剪破壞、剪切破壞等幾種特征破壞區(qū)域，如圖2所示。

圖2 橋面車載爆炸數(shù)值模擬研究［4］Fig. 2 Numerical simulation of vehicular explosion above bridge deck［4］

1.1.2 橋下爆炸胡志堅(jiān)等［4］研究了橋下爆炸時(shí)混凝土梁橋的梁肋和腹板間的壓力場(chǎng)分布，見圖3。對(duì)于T 梁和小箱梁橋面結(jié)構(gòu)，橋下爆炸時(shí)爆炸沖擊波在梁肋和腹板間會(huì)形成多次反射作用，具有較明顯的密閉空間約束效應(yīng)，并且距離翼板部位越近，爆炸沖擊波的封閉約束效應(yīng)越顯著。

圖3 橋下爆炸數(shù)值模擬研究［4］Fig. 3 Numerical simulation of under-deck explosion［4］

院素靜［7］進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)T 梁橋縮尺模型的橋下爆炸現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。研究表明：橋下爆炸自由場(chǎng)超壓、柱身反射超壓、T 梁梁底反射超壓等均呈現(xiàn)多峰值分布特征，地面成坑會(huì)使超壓峰值出現(xiàn)明顯下降以及波前到達(dá)時(shí)間滯后。沖擊波沿橋墩墩柱產(chǎn)生繞射，實(shí)測(cè)正壓沿柱高的分布呈現(xiàn)出柱中最短、柱底次之、柱頂最長的規(guī)律。

1.1.3 箱梁內(nèi)爆炸姚術(shù)健等［8］針對(duì)汽車炸彈爆炸沖擊作用下的空間桁架體系鋼箱梁，開展了局部破壞效應(yīng)研究。研究表明：爆炸當(dāng)量和爆心位置對(duì)結(jié)構(gòu)主要受力體系破壞模式具有重要影響，隨著爆炸當(dāng)量增加，鋼箱梁的破壞參數(shù)增大，鋼箱梁加勁肋對(duì)垂直方向的破口開裂發(fā)揮約束作用，爆心位置對(duì)橫梁和立柱等重要受力構(gòu)件損毀程度的影響較大。因此，通過增強(qiáng)橋面板、加勁肋、橫梁等主要構(gòu)件間連接，設(shè)置防爆層、合理布置加勁肋以及加強(qiáng)橫梁、立柱等受力構(gòu)件能提高結(jié)構(gòu)的抗爆能力。

余學(xué)林［9］分析了某飛燕式拱橋邊跨主梁砼箱梁在爆炸作用下的局部響應(yīng)，如圖4所示。研究發(fā)現(xiàn)橋面爆炸時(shí)爆炸源附近的鋼筋砼箱梁頂板出現(xiàn)了較小的局部破壞；箱梁內(nèi)部爆炸時(shí)，因爆炸沖擊波不斷反射疊加影響，箱梁頂板、底板和腹板等局部構(gòu)件均出現(xiàn)較大破壞，其破壞程度遠(yuǎn)大于箱梁外部爆炸。

圖4 箱梁內(nèi)部爆炸作用下的效應(yīng)研究［9］Fig. 4 Reponse of box girder under inner blast［9］

1.2 接觸爆炸

宗周紅等［10］開展了接觸爆炸荷載作用下RC橋墩的抗爆性能研究試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)：在炸藥接觸位置的RC 橋墩墩柱極易產(chǎn)生較嚴(yán)重的局部損傷破壞，呈沖切破壞模式；柱身產(chǎn)生較多橫向貫穿裂縫，說明墩柱的整體動(dòng)力響應(yīng)不能忽略。Yuan等［11］對(duì)接觸爆炸荷載作用下的RC 橋梁墩柱（圓形和方形截面） 進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并開展了縮尺模型爆炸試驗(yàn)研究。試驗(yàn)表明：爆心高度附近的橋墩墩柱迎爆面及側(cè)面混凝土表面均出現(xiàn)一定程度的損傷破壞，背爆面混凝土表面基本完好無損；方形截面墩柱較圓形截面墩柱受爆破壞更嚴(yán)重。

2 橋梁抗爆動(dòng)力響應(yīng)

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)整體抗爆研究現(xiàn)狀

胡志堅(jiān)等［4］研究了實(shí)橋爆炸對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的損傷破壞情況，探討研究了混凝土梁橋在爆炸荷載作用下的破壞機(jī)制；Wang等［12］根據(jù)炸藥當(dāng)量工程等效開展了炸后義昌大橋的數(shù)值模擬，分析了結(jié)構(gòu)的抗爆能力與破壞原因；Hu等［13］結(jié)合實(shí)橋橋面爆炸分析提出了有效爆炸區(qū)的概念。

王向陽等［14］采用數(shù)值模擬方法對(duì)混凝土連續(xù)梁橋在爆炸沖擊作用下的破壞機(jī)理進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：橋面上方爆炸時(shí)，在裝藥量和比例距離不變的情況下，炸藥布設(shè)在中跨跨中位置時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)受爆后損傷破壞程度最嚴(yán)重。爆心位置在箱梁內(nèi)部時(shí)，在裝藥量相同情況下，箱梁內(nèi)爆炸對(duì)梁橋造成的破壞最為嚴(yán)重，爆心附近的箱梁構(gòu)件被完全擊穿破壞，并形成巨大空洞。

李揚(yáng)［15］分析了某斜拉橋在爆點(diǎn)位置不同時(shí)主塔、斜拉索以及主梁的動(dòng)力響應(yīng)。結(jié)果表明：在橋面車載爆炸時(shí)，橋梁破壞模式表現(xiàn)為爆點(diǎn)附近的構(gòu)件局部破壞形態(tài)，其余區(qū)域構(gòu)件尚處于彈性階段，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)整體性倒塌；結(jié)構(gòu)振動(dòng)主要由沖擊波作用方向的第一階振型主導(dǎo)控制；索塔在爆炸沖擊作用下動(dòng)力響應(yīng)表現(xiàn)為向爆點(diǎn)方向縱向飄移，索塔的縱飄程度與爆點(diǎn)位置密切相關(guān)，且爆點(diǎn)位于主跨跨中時(shí)較邊跨跨中爆炸時(shí)縱飄更大；相對(duì)其他斜拉索，近索塔和爆點(diǎn)附近的斜拉索受爆后更容易失效，如圖5所示。

圖5 斜拉橋主跨跨中爆炸應(yīng)力云圖［15］Fig. 5 Stress contour of cable-stayed bridge under mid-span blast［15］

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)受橋面爆炸時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)

2.2.1 梁式結(jié)構(gòu)抗爆研究梁式結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代橋梁中廣泛采用的上部結(jié)構(gòu)形式，主要包括鋼筋混凝土梁、預(yù)應(yīng)力混凝土梁和鋼箱梁等形式。

（1） 普通鋼筋砼主梁。鋼筋砼主梁在我國中小跨徑橋梁中廣泛使用。張媛媛［16］和焦延平［17］等采用ANSYS 數(shù)值模擬分析了鋼筋砼梁爆炸荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)；劉超［18］對(duì)爆炸荷載作用下不同配筋率（配箍率）、比例距離、防護(hù)構(gòu)件及不同截面類型等情況下鋼筋砼梁抗爆性能及破壞模式進(jìn)行研究。結(jié)果表明：當(dāng)裝藥量或爆心距離不變時(shí)，隨著比例距離越小，梁體破壞損傷程度越嚴(yán)重。同時(shí)，減小主梁配筋率，其破壞模式由彎曲破壞向彎剪破壞轉(zhuǎn)變。而比例距離較小時(shí)，通過增大主梁配箍率能顯著提高梁體的抗爆性能。

李猛深等［19］利用模爆器開展了RC 簡支試驗(yàn)梁的爆炸荷載試驗(yàn)，研究了RC 簡支梁的變形破壞特征，并提出了RC 簡支梁的分離式有限元模型；利用LS-DYNA 分析了實(shí)驗(yàn)過程以及誤差產(chǎn)生的原因，得到了爆炸沖擊作用下RC 簡支梁的損傷機(jī)理和破壞特征。此外，F(xiàn)oglar 等［20］開展了HPFRC 和UHPFRC橋面的抗爆性能試驗(yàn)。

（2） 預(yù)應(yīng)力砼主梁。陳力、方秦［21］和李營等［22］給出了爆炸荷載作用下體外預(yù)應(yīng)力梁體的動(dòng)抗力分析方法；Shiravand［23］基于數(shù)值模擬開展了后張預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)梁體的抗爆研究，給出了結(jié)構(gòu)的破壞過程，但未深入研究預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的變化規(guī)律。

胡志堅(jiān)等［24］開展了不同炸藥條件、不同爆心位置和不同預(yù)應(yīng)力度條件下的預(yù)應(yīng)力砼梁體結(jié)構(gòu)的抗爆研究，如圖6 所示。研究表明：炸藥當(dāng)量不同，梁體的破壞模式也隨之發(fā)生改變：小當(dāng)量炸藥爆炸時(shí)梁體構(gòu)件受力模式為受彎，逐步增大炸藥當(dāng)量值，迎爆面梁體混凝土發(fā)生壓潰破壞，并使混凝土剝離面積和破壞深度逐步增大，梁體最終由塑性破壞轉(zhuǎn)為脆性斷裂；中等炸藥當(dāng)量條件下，在梁上方發(fā)生爆炸時(shí)，按抗彎承載能力要求設(shè)置的預(yù)應(yīng)力鋼束能適度增強(qiáng)梁體抗爆能力；當(dāng)梁下爆炸時(shí)，梁體抗爆能力因預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的不利疊加而顯著降低；炸藥當(dāng)量相同情況下，沿主梁縱向不同爆心位置，跨中爆炸時(shí)梁體受力最為不利；爆點(diǎn)位于支座處梁體上方時(shí)，主梁動(dòng)力響應(yīng)和損傷程度較?。徽ㄋ幃?dāng)量相同情況下，改變爆心相對(duì)梁體豎向位置將引起梁體破壞模式的變化。

圖6 爆炸荷載作用下預(yù)應(yīng)力混凝土梁體抗爆分析［24］Fig. 6 Anti-blast analysis of prestressed concrete girder under blast loads［24］

基于縮尺模型爆炸試驗(yàn)，婁凡［6］研究了橋上爆炸沖擊作用下預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)T 梁的破壞模式、動(dòng)力響應(yīng)及相關(guān)影響因素。研究表明：跨中橋面上方發(fā)生爆炸時(shí)，T 梁橋面的破壞形態(tài)屬局部沖切破壞，橋面板出現(xiàn)破碎開洞，頂?shù)?、腹板、T 梁底混凝土崩落，且距離爆心位置較近的T 梁損傷較嚴(yán)重；墩頂處（支點(diǎn)）橋面上方發(fā)生爆炸時(shí)，在類似小型客車滿載爆炸物的爆炸當(dāng)量作用下，T 梁橋橋面未出現(xiàn)嚴(yán)重毀傷。

（3） 鋼箱梁?；诙辔镔|(zhì)流固耦合理論，胡志堅(jiān)等［25］研究了爆炸沖擊作用下鋼箱梁的動(dòng)力響應(yīng)及損傷破壞模式，分析了TNT 當(dāng)量、鋼板板厚、加勁肋布置形式等因素對(duì)鋼箱梁抗爆性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：爆炸荷載作用下，鋼箱梁構(gòu)件破壞形態(tài)主要有破裂開口和塑性變形；鋼箱梁頂板被爆炸沖擊波破壞后，箱內(nèi)加勁肋對(duì)沖擊波傳播產(chǎn)生較明顯的阻擋效應(yīng)；同時(shí)沖擊波在翼板處狹小的空間內(nèi)發(fā)生了明顯封閉效應(yīng)。綜合考慮橋面鋪裝、箱梁抗爆性能和經(jīng)濟(jì)性等因素，推薦最優(yōu)的頂板板厚為20 mm；若將加勁肋和頂板視為一個(gè)熔斷體系，充分利用加勁肋和頂板間剛度差異，可將梁體破損范圍限定在兩加勁肋之間的區(qū)域。

蔣志剛等［26］對(duì)鋼箱梁在汽車炸彈橋面爆炸沖擊波作用下的局部損傷破壞模式進(jìn)行研究。研究表明：鋼箱梁受爆后呈兩種局部破壞模式。第一、橋面板和箱梁底板均破口，底板發(fā)生局部塑性大變形，而橋面板出現(xiàn)破口；第二、隔板的主要破壞模式為彎曲塑性大變形和破口兩種。隨著爆炸當(dāng)量的增加，破壞參數(shù)呈非線性增加；沖擊波對(duì)底板、隔板的沖擊作用相對(duì)較小，頂板破片的沖擊作用使隔板和底板產(chǎn)生局部塑性大變形和破口。

2.2.2 纜索橋梁纜索承重橋梁跨徑大，為跨越江河、峽谷等障礙而設(shè)置，是各地重要交通通道上的控制性結(jié)構(gòu)物，其安全性尤為重要。

王赟等［27］和蔣志剛等［28］考慮可能遭受的導(dǎo)彈爆炸威脅，以大跨懸索橋-潤揚(yáng)大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，研究了大跨度錨式懸索橋的豎向彎曲振動(dòng)響應(yīng)。研究表明：懸索橋的豎向彎曲振動(dòng)響應(yīng)過程可劃分為兩階段：穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)，各構(gòu)件的最大內(nèi)力值均出現(xiàn)在非穩(wěn)態(tài)階段；懸索橋變形由局部逐步發(fā)展到整體；不同的爆心水平位置，對(duì)吊桿和加勁梁最大內(nèi)力產(chǎn)生很大影響，但對(duì)主索最大內(nèi)力的影響較小；爆心位于跨端上空時(shí)，為加勁梁的最不利荷載位置，而吊桿的最不利荷載作用位置為跨中上空。

鄧榮兵等［29］對(duì)爆炸沖擊作用下某斜拉橋的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析研究，分析了橋墩、塔柱、加勁梁等主要構(gòu)件的局部破壞模式。張濤等［30］對(duì)某斜拉橋建立了全橋單主梁分析模型、混凝土箱梁和鋼箱梁局部分析模型，對(duì)不同爆炸當(dāng)量的爆炸沖擊波對(duì)主梁的損傷進(jìn)行分析，并對(duì)斜拉索動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析。胡志堅(jiān)等［31］研究了爆炸沖擊作用下大跨度雙主梁混凝土斜拉橋的損傷模式和動(dòng)力響應(yīng)。結(jié)果表明：在爆炸荷載作用下拉索直接發(fā)生破壞的風(fēng)險(xiǎn)較小，僅在偏載作用時(shí)靠近爆點(diǎn)的拉索存在斷索風(fēng)險(xiǎn)；混凝土主梁的局部破壞模式取決于爆炸當(dāng)量和爆心位置；爆心位置不變時(shí)，隨著逐步增大炸藥當(dāng)量，其破壞模式由彎曲破壞轉(zhuǎn)變?yōu)橹奔羝茐?；箱梁薄頂板被擊穿破壞后，箱室?nèi)能量耗散較困難，爆炸沖擊波在箱室內(nèi)傳播存在約束效應(yīng)而產(chǎn)生更嚴(yán)重破壞。

2.3 橋墩在橋下爆炸時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)

Fujikura 等［2］研究了縮尺比例為1/4 的多柱式鋼管砼圓柱排架墩的抗爆性能。同時(shí)，按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范設(shè)計(jì)開展了多柱式排架墩的抗爆性能實(shí)驗(yàn)，包括外加鋼板的無延性RC 墩柱和有延性的RC 墩柱2 種類型。研究表明：在爆炸荷載作用下，兩種RC 墩柱均未表現(xiàn)出延性，同時(shí)基底均出現(xiàn)剪切破壞現(xiàn)象。孫珊珊等［32］將實(shí)驗(yàn)和多物質(zhì)耦合理論相結(jié)合，開展了鋼管混凝土墩柱的破壞形態(tài)與動(dòng)力響應(yīng)研究。Kyei 等［33］研究了爆炸作用下橫向鋼筋間距對(duì)橋梁墩柱的抗爆性能影響。

Williams 等［34］開展了RC 橋墩縮尺模型的抗爆試驗(yàn)研究，并采用數(shù)值方法進(jìn)一步研究了試驗(yàn)中出現(xiàn)的墩柱側(cè)面砼保護(hù)層剝落現(xiàn)象，再現(xiàn)試驗(yàn)中觀察到的構(gòu)件行為，揭示了細(xì)長RC 柱受爆后砼保護(hù)層剝落的損傷機(jī)理。

Echevarria 等［35］對(duì)FRP 約束混凝土橋墩和普通鋼筋混凝土橋墩進(jìn)行了爆炸試驗(yàn)研究，以及受損墩柱的剩余承載力測(cè)試分析。研究表明：損傷后的CFFT墩柱較普通鋼筋砼墩柱強(qiáng)度更高、延性更好。

Liu 等［36］利用簡化的爆炸荷載加載方法開展多柱式排架墩的模擬分析研究。研究表明：通過簡化爆炸荷載作用可以重現(xiàn)典型橋梁的損傷破壞機(jī)理，但此方法可能低估了爆炸荷載的作用效應(yīng)；同時(shí)加強(qiáng)墩柱箍筋配筋可提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗爆能力。

吳亮［37］等以獨(dú)柱式橋墩為研究對(duì)象，對(duì)近場(chǎng)爆炸下墩柱橫截面形式（圓柱墩和方形墩）、配筋方式、爆心高度等相關(guān)參數(shù)對(duì)抗爆性能的影響及混凝土橋墩的破壞模式進(jìn)行研究。結(jié)果表明：各相同條件下，圓柱墩的抗爆能力較方形墩更優(yōu)；通過增設(shè)墩柱縱向主筋能改變墩柱受爆后的破壞模式，縱向主筋為墩柱底部提供抗剪能力，而墩柱箍筋提供的抗爆能力有限；地基對(duì)墩柱底發(fā)揮明顯約束作用，墩柱混凝土剝落面積隨爆心位置提高而逐步擴(kuò)大。

考慮初始預(yù)應(yīng)力水平、節(jié)段長細(xì)比及橋墩體系等因素，楊旭等［38］開展了爆炸沖擊作用下預(yù)制節(jié)段拼裝橋墩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與損傷研究。研究表明：隨著墩身節(jié)段長細(xì)比的減小，節(jié)段拼裝墩身由剪切破壞形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣?jié)段間發(fā)生相對(duì)位移，并使得墩柱的整體側(cè)向位移減?。欢黾佣丈沓跏碱A(yù)應(yīng)力水平能有效提高其抗爆能力。

3 橋梁結(jié)構(gòu)受爆時(shí)的倒塌破壞

亓興軍和劉青［3］利用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)爆炸沖擊作用下彎橋橋墩受爆后的倒塌破壞模式進(jìn)行研究。結(jié)果表明：彎橋會(huì)出現(xiàn)橋墩破壞、支座位置梁底破壞、梁體下?lián)?、主梁梁端墜梁、主梁懸臂根部折斷破壞等破壞模式；隨著彎橋中間單柱墩被起爆破壞，橋梁因自重作用出現(xiàn)倒塌；支座破壞可能會(huì)使主梁發(fā)生落梁。

院素靜［7］采用理論分析和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的破壞模式和整體倒塌機(jī)理，如圖7所示。研究表明：在接觸爆炸下橋墩底部主要呈現(xiàn)局部沖剪破壞模式，墩柱的毀傷程度與軸力大小有關(guān)；而在接觸爆炸下雙柱墩墩底因被炸穿而失去大部分承載能力后，即使沒有外力作用，試驗(yàn)橋也會(huì)因自重作用發(fā)生破壞倒塌。模型橋分階段的破壞倒塌重現(xiàn)試驗(yàn)中，中墩墩頂處現(xiàn)澆段兩側(cè)的主梁混凝土產(chǎn)生拉裂現(xiàn)象。針對(duì)負(fù)彎矩鋼束，中墩墩頂位置鋼束拉力呈明顯減小趨勢(shì)，其它位置鋼束拉力未出現(xiàn)明顯變化；而正彎矩預(yù)應(yīng)力鋼束，近跨中位置鋼束拉力呈增大趨勢(shì)，近錨固端的鋼束拉力呈下降趨勢(shì)。

圖7 墩柱破壞現(xiàn)象數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果［7］Fig. 7 Simulation analysis and test results of pier damage ［7］

夏曉光等［39］采用數(shù)值模擬方法對(duì)爆炸沖擊作用下高架橋的動(dòng)力響應(yīng)以及倒塌過程進(jìn)行研究。研究表明：當(dāng)小型（車載爆炸物TNT當(dāng)量227 kg）及中型（車載爆炸物TNT當(dāng)量454 kg）轎車行駛在橋墩處發(fā)生爆炸，橋墩僅發(fā)生輕微損傷破壞，橋梁整體處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)面包車（車載爆炸物TNT 當(dāng)量1 814 kg）行駛在橋墩處發(fā)生爆炸，橋墩發(fā)生嚴(yán)重?fù)p毀并喪失承載力，引起橋梁結(jié)構(gòu)倒塌破壞；當(dāng)小型及中型轎車在橋面上發(fā)生爆炸時(shí)，爆炸沖擊作用下主梁出現(xiàn)局部損傷破壞；當(dāng)面包車在橋面發(fā)生爆炸時(shí)，主梁會(huì)由局部破壞而形成整跨斷裂破壞，但橋梁未出現(xiàn)倒塌現(xiàn)象。

陳華燕等［40］對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)在爆炸荷載下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及損毀過程進(jìn)行數(shù)值分析，并對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受爆后的整體坍塌過程進(jìn)行模擬。研究表明：連續(xù)剛構(gòu)橋在爆炸荷載下呈局部破壞形態(tài)，橋梁關(guān)鍵構(gòu)件出現(xiàn)局部破壞后，橋梁結(jié)構(gòu)因自重作用而發(fā)生整體坍塌破壞。

4 展 望

由于爆炸事件的突發(fā)性和爆炸荷載的不確定性，仍然有許多問題有待進(jìn)一步研究。未來，有關(guān)橋梁抗爆的研究方向?yàn)椋?/p>

1） 荷載壓力場(chǎng)研究。當(dāng)前橋梁結(jié)構(gòu)抗爆研究常以特定橋梁為背景，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)特性與超壓分布分析還很不夠。特別是汽車裝載物所引起的近場(chǎng)爆炸，數(shù)值模擬很少考慮車體鋼板對(duì)沖擊波超壓峰值的消峰與延時(shí)作用，與實(shí)測(cè)結(jié)果存在明顯差異［13］，研究結(jié)果推廣性不強(qiáng)。因此，還需開展近場(chǎng)爆炸時(shí)橋梁的非線性動(dòng)力仿真，研究爆炸荷載在橋梁域內(nèi)的傳播規(guī)律。根據(jù)不同爆心位置、不同藥量（炸藥當(dāng)量及比例距離） 等條件研究近場(chǎng)爆炸沖擊波壓力場(chǎng)、以及車體鋼板對(duì)超壓的消峰與反射作用，確定近場(chǎng)爆炸時(shí)橋梁域內(nèi)車載爆炸荷載的超壓及沖量分布。

2） 預(yù)應(yīng)力作用效應(yīng)研究?，F(xiàn)有橋梁抗爆研究成果主要針對(duì)RC 構(gòu)件，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁受近場(chǎng)爆炸作用的動(dòng)力響應(yīng)研究還明顯不夠?，F(xiàn)有預(yù)應(yīng)力筋的布置主要考慮承受橋梁豎向恒載、活載效應(yīng)，未考慮橋下爆炸時(shí)的反向荷載作用。未來應(yīng)通過爆炸荷載模擬，開展預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量規(guī)律和局部粘結(jié)失效規(guī)律研究，明確預(yù)應(yīng)力效應(yīng)在不同爆心位置、不同炸藥當(dāng)量等條件下的變化規(guī)律，以及局部慣性效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的影響。

3） 建立近場(chǎng)爆炸時(shí)結(jié)構(gòu)損傷與梁體抗力之間的內(nèi)在聯(lián)系。瞬態(tài)高載作用下材料的應(yīng)變率效應(yīng)和結(jié)構(gòu)塑性鉸的移行特點(diǎn)等決定了近場(chǎng)爆炸時(shí)梁體的抗力機(jī)理與靜載條件下明顯不同。結(jié)合材料應(yīng)變率本構(gòu)模型和移行鉸理論，開展梁體動(dòng)力響應(yīng)機(jī)理與抗力研究；建立橋梁的動(dòng)抗力模型，揭示截面損失率和局部粘結(jié)失效等關(guān)鍵損傷參數(shù)與梁體剩余承載力之間的內(nèi)在聯(lián)系；從預(yù)應(yīng)力效應(yīng)、破損程度（截面損失率）、撓度等角度研究橋下爆炸時(shí)梁體的動(dòng)力失效模式與剩余承載力，也是未來的方向之一。

4） 現(xiàn)有橋梁抗爆研究試驗(yàn)局限于縮尺模型試驗(yàn)，還需依托既有橋梁改建工程、開展實(shí)橋爆炸試驗(yàn)。同時(shí)，采用數(shù)值反演、模型試驗(yàn)、參數(shù)化分析相結(jié)合的方法對(duì)不同橋型結(jié)構(gòu)的抗爆能力及其防護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。最后，結(jié)合實(shí)橋爆炸試驗(yàn)研究成果，提出橋梁抗爆設(shè)計(jì)方案、應(yīng)急搶修方案等，以期為不同橋型的抗爆設(shè)計(jì)指南或規(guī)范的編制提供指導(dǎo)。特別是，研究制定出應(yīng)對(duì)恐怖襲擊、交通運(yùn)輸意外爆炸事故的應(yīng)急預(yù)案。