摘要：为研究设置不同加劲肋类型箱型钢桥墩的抗爆性能，建立了箱型钢桥墩Abaqus有限元模型，基于CONWEP算法对爆炸作用下的箱型钢桥墩进行有限元分析，得出设置不同加劲肋类型对箱型钢桥墩抗爆响应的影响。研究结果表明：在爆炸作用下，设置加劲肋对箱型钢桥墩的破坏模式影响较大，仅设置纵向加劲肋的破坏仅发生在迎爆面底边发生破坏；设置横向和纵向加劲肋的桥墩破坏程度最低；设置加劲肋后，箱型钢桥墩的迎爆面与爆炸点等高位置中心点位移减小；设置加劲肋对箱型钢桥墩的动能具有较大影响，设置横向和纵向加劲肋的桥墩动能最小。
关键词：箱型钢桥墩；爆炸荷载；抗爆性能；CONWEP；数值分析
Blast Resistance of Box Steel Pier Based on CONWEP Algorithm
LUO Jiexin1
1. Guangdong Architectural Design & Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510010, China
Abstract：In order to study the blast resistance of box steel pier with different stiffener types, the finite element model of box steel pier was established. Based on CONWEP algorithm, the finite element analysis of box steel pier under the action of explosion was carried out, and the influence of different stiffener types on the blast response of box steel pier was obtained. The results show that the failure mode of box steel pier is greatly affected by the stiffeners under the action of the explosion, and the failure occurs only at the bottom of blasting face when only longitudinal stiffeners are set. The pier with transverse and longitudinal stiffeners has the lowest damage degree. When stiffeners are installed, the displacement of the central poin on the blasting face at the same height of explosion point decreases. The kinetic energy of box steel pier with stiffeners is greatly affected, and the kinetic energy of the pier with longitudinal and transverse stiffeners is the least.
Keywords：box steel pier; explosion load; blast resistance; CONWEP; Numerical analysis
0引言
目前，工程结构的抗爆设计问题逐渐成为土木工程领域的重要研究方向。田力等[1]对H型钢柱在汽车撞击与爆炸复合作用下的抗冲撞与抗爆性能进行数值分析，结果表明在保持柱高与总用钢量一致的前提下，圆形空心型截面钢柱的抗冲撞与抗爆性能最优，H型截面钢柱次之，方形空心型截面钢柱最差。范重等[2]对某航站楼在爆炸作用下的抗倒塌性能进行了有限元分析，结果表明箱型钢柱的损伤程度主要与爆心距离和爆炸当量有关。纪冲等[3]对Q345钢圆管结构的损伤特性进行爆炸冲击试验研究，结果表明比例距离与壁厚较小时圆管结构的损伤变形程度加剧。李海超等[4]分别采用Conwep算法和压力时程曲线荷载施加到加筋板模型上，将其数值模拟结果与实验结果对比，结果表明两种方法得出的结果与实验结果的相对误差均不大于5.5%，满足工程要求。张秀华等[5]对Q460高强钢柱在爆炸荷载作用下的动力响应分别采用分段等效三角波计算方法和流固耦合计算方法进行数值分析，结果表明两种方法计算结果吻合较好。
本文以箱型钢桥墩为研究对象，对爆炸荷载作用下的箱型钢桥墩冲击响应进行有限元分析，得出设置不同加劲肋类型对箱型钢桥墩抗爆性能的影响，为箱型钢桥墩的抗爆设计提供参考建议。
1桥墩设计
基于文献[6]提供的箱型钢桥墩形状和尺寸参数，本文设计了4种截面类型的箱型钢桥墩有限元分析试件，如图1所示。其中桥墩截面宽度b和截面高度h均为450mm，立面高度H为2100mm，加劲肋宽度为55mm，横向加劲肋间距为150mm，所有板件厚度t均为6mm。
2有限元模型
2.1 CONWEP法
CONWEP法是一种用于计算爆炸荷载的模拟方法，其爆炸荷载计算依据来源于美国军方试验数据[7-8]。Abaqus软件中内置了CONWEP算法，仅需指定爆炸类型、当量、爆炸点和作用面就能形成作用面的爆炸载荷时程曲线。本文箱型钢桥墩爆炸模拟采用空气球形爆炸类型，当量取20kg，爆炸点离作用面距离X为500mm，爆炸点高度Z为500mm，作用面为迎爆面壁板。
(a)桥墩立面示意图
(b)无加劲肋截面
(c)仅设置横向加劲肋截面
(d)仅设置纵向加劲肋截面
(e)设置横向和纵向加劲肋截面
图1 箱型钢桥墩试件设计示意图
Fig.1 Design diagram of box steel pier specimens
2.2 材料模型
本文箱型钢桥墩采用Q345钢，基于Johnson-Cook本构模型与对应的剪切失效模型，给定文献[9]提供的相应材料参数实验数据如表1和表2所示，材料同时考虑损伤累积的延性失效准则，失效应变取0.2[10]。
2.3 模型建立
箱型钢桥墩模型采用S4R壳单元，顶部施加轴向荷载，轴压比为0.3。桥墩模型设置通用接触，底部施加固定边界。
表1 材料本构模型
Tab.2 Material constitutive model
A | B | n | C | |
Q345 | 389.185 | 565.541 | 0.4218 | 0.0263 |
表2 材料失效模型
Tab.2 Material failure model
d1 | d2 | d3 | d4 | d5 | |
Q345 | 0.4641汽车爆炸 | 1.1126 | -1.3072 | 0.0265 | 0 |
3计算结果分析
3.1 破坏模式分析
从图2可以看出，桥墩迎爆面向内侧凹曲变形，其中设置横向和纵向加劲肋的桥墩破坏程度最低，无加劲肋的桥墩破坏程度最大。无加劲肋的桥墩迎爆面底边和与爆炸点等高位置附近较多单元失效；仅设置横向加劲肋、设置横向和纵向加劲肋的桥墩主要在与爆炸点等高位置附近发生单元失效；仅设置纵向加劲肋的桥墩仅迎爆面底边发生单元失效。
(a)无加劲肋桥墩
(b)仅设置横向加劲肋桥墩
(c)仅设置纵向加劲肋桥墩
(d)设置横向和纵向加劲肋桥墩
图2 桥墩等效塑性应变云图
Fig.2 Equivalent plastic strain diagram of pier
图3 参考点位移时程曲线
Fig.3 Time history curve of displacement of reference point
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