远场爆炸荷载下城市立交桥桥墩动力响应分析与毁伤效应评估

作     者：孔维明 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张闰

授予年度：2023年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：桥墩 远场爆炸 数值模拟 流固耦合 动力响应 损伤评估 

摘      要：桥梁在交通运输中扮演着至关重要的角色。它们作为连接城市、跨越河流、沟谷和建筑物等障碍物的基础设施,一旦遭受破坏将会导致所在公路交通的瘫痪甚至整个交通系统的崩溃。随着城市化的加速,城市立交桥遭受安全事故、恐怖袭击等偶发事件引起的爆炸荷载的风险不容忽视。作为桥梁结构的关键承重构件,桥墩的损伤失效或破坏可能造成桥梁整体坍塌。因此,研究桥墩在遭受爆炸冲击时的损伤规律和破坏模式具有极其重要的理论意义和工程实用价值。本文以有限元分析软件ANSYS/AUTODYN建立了典型城市立交桥下部桥墩的有限元模型,运用流固耦合的方法研究其在远场爆炸冲击波荷载作用下的动力响应及损伤破坏规律,并基于墩柱的响应特点与破坏模式,建立桥墩构件的快速毁伤评估方法,主要研究成果为:（1）针对远场爆炸荷载爆炸波传播过程的流固耦合模拟空间域过大,计算资源耗费巨大的问题,本文提出了一种基于AUTODYN用户子程序开发的远场爆炸荷载的新型加载方法,与现有的直接起爆和映射方法相比,极大的提高了流固耦合计算效率。建立了典型的单柱墩与双柱墩精细化模型,对材料模型和参数以及本文所使用的数值模拟算法进行了充分的验证。定义了网格比例G(网格最大边长与梁柱的构件直径（圆形截面）或高（方形截面）的比值),经过验证,发现对于梁柱构件G≤0.04时,可以得到较好的模拟结果。（2）基于精细化的混凝土墩柱模型,采用提出的远场爆炸荷载加载方法和流固耦合算法,对墩柱进行远场爆炸荷载下的动力响应进行模拟。冲击角为45°和90°双柱墩的两柱迎爆面反射压力不同,导致其损伤程度存在差别。单柱墩和冲击角为0°和45°的双柱墩容易出现与悬臂梁类似的弯曲破坏模式,而冲击角为90°的双柱墩由于侧阻力的作用,会出现两柱的联合弯曲。单柱墩和冲击角为0°和90°的双柱墩均沿冲击波方向倒塌,而冲击角为45°的双柱墩均沿无侧向力约束方向倒塌。（3）采用基于外观评价与基于剩余承载力评价方法相结合的方法对远场爆炸荷载下墩柱的损伤情况进行了评估,将损伤因子与墩顶最大位移相关联,提高了工程应用效率。在位移相同的情况下,双柱墩的破坏因子随着冲击角的增大而增大。而由于侧向刚度的影响,0°冲击角即为最不利冲击角。（4）绘制了墩柱的P-I图,分析了不同冲击角度远场爆炸荷载下墩柱的损伤规律,当载荷持续时间大于150ms时,等损伤线大致呈水平平行趋势,主要位于准静态区域,这与构件弯曲破坏模式相对应,构件响应对超压峰值更为敏感。研究内容对桥梁结构抗爆设计以及修复具有指导作用。