張 宇，李國(guó)強(qiáng)，陳可鵬，陳艾榮

(1.武警后勤學(xué)院建筑工程系,天津 300162;2.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092;3.西安交通大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710049;4.浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州 310000;)

橋梁結(jié)構(gòu)抗爆安全評(píng)估研究進(jìn)展

張 宇1，2，3，李國(guó)強(qiáng)2，陳可鵬4，陳艾榮2

(1.武警后勤學(xué)院建筑工程系,天津 300162;2.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092;3.西安交通大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710049;4.浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州 310000;)

隨著恐怖襲擊和偶發(fā)爆炸事故造成的橋梁爆炸事故不斷增多，橋梁結(jié)構(gòu)抗爆安全問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注。本文中系統(tǒng)總結(jié)了橋梁結(jié)構(gòu)抗爆安全評(píng)估的研究進(jìn)展，分析橋墩、橋面、橋索和橋塔爆炸載荷作用下橋梁的理論簡(jiǎn)化方法和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，和橋梁的連續(xù)性、冗余性和魯棒性對(duì)結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌的影響，通過(guò)對(duì)建筑和橋梁抗連續(xù)倒塌的研究現(xiàn)狀及相關(guān)規(guī)范的歸納，明確了橋梁連續(xù)倒塌的特性及現(xiàn)行橋梁設(shè)計(jì)方法的缺陷。而后，就承載能力評(píng)估、耐久性評(píng)估和適用性評(píng)估等橋梁安全評(píng)估問(wèn)題的研究進(jìn)展進(jìn)行了梳理，并對(duì)橋梁爆破拆除技術(shù)和近地下爆炸對(duì)橋梁產(chǎn)生的響應(yīng)和破壞作用進(jìn)行分析，并針對(duì)當(dāng)前研究的現(xiàn)狀，分別提出建議。

爆炸力學(xué)；安全評(píng)估；結(jié)構(gòu)加固；動(dòng)力響應(yīng)；爆炸荷載；橋梁結(jié)構(gòu)

橋梁作為交通線(xiàn)的樞紐，一旦遭受破壞會(huì)造成巨大損失，且修復(fù)困難[1]。之前關(guān)于橋梁安全問(wèn)題研究主要集中在橋梁自重荷載、車(chē)輛沖擊力、船舶的撞擊力和抗震和抗風(fēng)方面?！?·11事件”后，恐怖襲擊威脅和偶發(fā)爆炸造成的橋梁事故不斷增多，使橋梁結(jié)構(gòu)抗爆安全問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注。橋梁所受的爆炸荷載可以歸結(jié)為常規(guī)爆炸荷載、偶然性爆炸荷載(如車(chē)輛運(yùn)營(yíng)過(guò)程中危險(xiǎn)物品爆炸)和城市橋梁爆破。關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)的抗爆，學(xué)者們開(kāi)展了大量研究[2]，并制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范[3]。相對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)，關(guān)于橋梁在各種爆炸荷載下的研究較少，主要采用有限元和試驗(yàn)方法[4]，仍未形成系統(tǒng)的理論體系。同時(shí)，各國(guó)橋梁規(guī)范[5-12]中甚至軍用規(guī)范中均未單獨(dú)考慮爆炸荷載對(duì)橋梁的影響，僅把爆炸荷載歸結(jié)為偶然荷載一類(lèi)，設(shè)計(jì)中也沒(méi)有具體的計(jì)算規(guī)定。本文中從橋梁受爆的動(dòng)力響應(yīng)、橋梁特殊爆炸問(wèn)題和橋梁的爆炸安全評(píng)估3個(gè)方面闡述了國(guó)內(nèi)外橋梁的抗爆的研究進(jìn)展，對(duì)研究中采用的方法、措施和取得的成果進(jìn)行總結(jié)同時(shí)指出研究中存在的不足，并針對(duì)研究現(xiàn)狀提出建議，以期對(duì)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行橋梁抗爆設(shè)計(jì)提供參考，并為橋梁抗爆規(guī)范的編制提供借鑒。

1 橋梁受爆的動(dòng)力響應(yīng)

1.1 橋墩受爆結(jié)構(gòu)的響應(yīng)

1.1.1 橋墩受爆荷載簡(jiǎn)化方法

橋墩目標(biāo)易接近且在結(jié)構(gòu)上起著主要支撐作用，對(duì)于爆炸荷載的敏感性最大。爆炸在極短的時(shí)間內(nèi)化學(xué)能迅速釋放出來(lái)，并迅速向外膨脹，在空氣中形成沖擊波，并對(duì)外做功。國(guó)內(nèi)外對(duì)橋墩爆炸進(jìn)行了大量研究[13-22]，根據(jù)爆炸荷載離橋墩的遠(yuǎn)近，荷載可以簡(jiǎn)化為不同的分布形式[13]：遠(yuǎn)橋墩爆炸條件下的爆炸荷載可以等效為平面波的均布荷載，如圖1(a)所示，而近橋墩爆炸條件下的爆炸荷載一般可以等效為三角形荷載，如圖1(b)所示，荷載數(shù)值可以用等效靜荷載確定。

1.1.2 橋墩附近爆炸下橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)

橋墩附近爆炸不僅會(huì)引發(fā)橋墩的破壞，還會(huì)影響橋梁的整體穩(wěn)定性。A.Islam[14]用常用有限元軟件STAAD.Pro分析了典型的AASHTO梁橋爆炸作用下的響應(yīng), 研究者把恐怖襲擊下峰值壓力作為等效靜載對(duì)梁橋進(jìn)行了爆炸作用模擬，但是爆炸荷載的施加用的是等效靜荷載方法，并沒(méi)有考慮不同材料和結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)對(duì)于爆炸荷載的作用，不能真實(shí)的反映爆炸場(chǎng)景。M.Rutner等[15]用有限元方法對(duì)汽車(chē)爆炸下橋梁柱的響應(yīng)進(jìn)行了研究。 A.K.Agrawal[16]給出了橋梁的動(dòng)力分析模型。特別需要注意的是，D.G.Winget等[17]在橋墩與橋面較為封閉的條件下爆炸，爆炸荷載會(huì)在封閉環(huán)境產(chǎn)生多次反射疊加增強(qiáng)，增強(qiáng)的爆炸荷載將會(huì)對(duì)橋面產(chǎn)生一個(gè)托力，讓橋的面板和橋墩脫離，如圖2所示。另外不同約束條件下，柱的彎矩分布不同，因此對(duì)于不同約束條件下的橋梁進(jìn)行抗爆設(shè)計(jì)和加固時(shí)需采用不同方法。同時(shí)，由于橋板的懸鏈線(xiàn)效應(yīng)[13]，單墩的破壞通常不會(huì)引發(fā)整體橋梁的坍塌，多墩破壞才會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)。

圖1 橋墩爆炸下荷載確定方法[13]Fig.1 Load determination methods for bridge pier under blast load[13]

圖2 橋板下爆炸示意圖[17]Fig.2 Response of bridge under blast load[17]

1.1.3 不同動(dòng)力荷載作用下橋墩的破壞模式

橋梁可能遭受的動(dòng)力荷載主要有爆炸荷載、地震荷載和風(fēng)荷載[13]，不同動(dòng)力爆炸荷載和地震荷載有一定的相似性，運(yùn)用地震荷載的一些結(jié)論對(duì)分析爆炸問(wèn)題有一定的借鑒意義。學(xué)者對(duì)地震作用下橋墩的作用進(jìn)行了大量的研究[18]，ACI建筑標(biāo)準(zhǔn)[19]和AASHTO LRFD標(biāo)準(zhǔn)[5]給出了建筑和橋梁結(jié)構(gòu)混凝土構(gòu)件在動(dòng)力作用下的詳細(xì)分析方法；H.Sezen等[20]測(cè)試了4個(gè)鋼筋混凝土原型在模擬地震荷載作用下的破壞模式。對(duì)于爆炸與地震荷載下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的區(qū)別，K.N.Suthar[21]把橋墩在爆炸荷載作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)和在地震情況下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)和破壞模式進(jìn)行了對(duì)比，如圖3所示。研究表明：爆炸荷載由于其瞬時(shí)會(huì)釋放出大量的能量，橋墩在爆炸荷載的作用下會(huì)發(fā)生局部的破壞，但是并不會(huì)發(fā)生較大的水平位移。而在地震荷載的作用下，橋墩的主要響應(yīng)為發(fā)生水平位移；E.B.Williamson[13]分別對(duì)風(fēng)荷載、地震荷載和爆炸荷載作用下混凝土柱的受力情況和動(dòng)力進(jìn)行了對(duì)比分析，如圖4所示。研究表明：風(fēng)荷載和爆炸荷載作用下，最大彎矩均出現(xiàn)在跨中位置，地震荷載的最大彎矩出現(xiàn)在約束部位。

圖3 橋墩在爆炸與地震作用下破壞模式對(duì)比[21]Fig.3 Contrast of pier damage models of pier under blast load and earthquake[21]

圖4 不同動(dòng)載下橋墩的彎矩圖[13]Fig.4 Diagram of pier bending moment under various dynamic loads[13]

1.1.4 不同截面形狀橋墩受爆破壞

橋墩的主要截面形狀為圓形和方形，文獻(xiàn)[13]中開(kāi)展了一系列圓形和方形橋墩在爆炸荷載下的抗沖擊試驗(yàn)，并對(duì)損傷情況進(jìn)行了對(duì)比分析。同時(shí)，別給出了圓墩和方墩在爆炸荷載作用下的等效靜荷載的簡(jiǎn)化模式、動(dòng)力響應(yīng)和塑性鉸分布情況，研究表明圓形橋墩抗爆性能較優(yōu)。另外，M.Bruneau等[22]開(kāi)展了不同炸藥當(dāng)量下鋼管混凝土柱式墩排架的比例模型試驗(yàn)，得到了左右排架橋墩應(yīng)力應(yīng)變和位移的分布情況。

1.2 橋面受爆結(jié)構(gòu)的響應(yīng)

圖5 梁響應(yīng)階段[28]Fig.5 Beam response stage[28]

1.2.1 橋面受爆的彈塑性分析

爆炸作用下混凝土結(jié)構(gòu)的響應(yīng)通常用彈性理論[23-24]，鐵木辛柯梁理論[25-26]和等效單自由度理論(SDOF)[27-28]進(jìn)行分析。窄橋在小當(dāng)量爆炸時(shí)簡(jiǎn)單彈塑性分析可以借鑒 J.M.Bigs[29]梁的彈塑性分析模型，如圖5所示。對(duì)一維彈性體Bernoulli-Euler簡(jiǎn)支梁橋的橫向振動(dòng)一般可采用模態(tài)疊加法[30-31]其簡(jiǎn)支梁的強(qiáng)迫振動(dòng)微分方程可表示為：

(1)

式中:F(x,t)為爆炸荷載，y(x,t)為爆炸荷載下橋梁的位移。兩跨連續(xù)梁橋的受迫振動(dòng)方程兩跨連續(xù)梁動(dòng)力學(xué)微分方程為：

(2)

1.2.2 橋面受爆損傷分析

上述方法非常有效地預(yù)測(cè)了爆炸荷載下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，然而這些方法均未對(duì)局部破壞給出有效預(yù)測(cè)，也沒(méi)有相應(yīng)的破壞準(zhǔn)則[38]。而公路砼梁橋破壞的主要模式為沖擊波的沖量引起的局部破壞[39]：當(dāng)結(jié)構(gòu)具有較好的延性時(shí)，炸藥當(dāng)量較大，橋面板的破壞一般為彎曲破壞；當(dāng)結(jié)構(gòu)延性較差時(shí)，常發(fā)生沖切破壞。沖切破壞發(fā)生突然，屬典型的脆性破壞，且沖切破壞造成沖切椎體外的板結(jié)構(gòu)與支撐柱的脫離，結(jié)構(gòu)抗力急劇下降，可能造成沖切椎體外的板結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重的坍塌破壞。所以在進(jìn)行橋面爆炸分析的時(shí)候，不能忽略剪力的作用。橋梁在橋面爆炸荷載作用下破壞程度的演化過(guò)程可采用損傷力學(xué)的方法進(jìn)行量化，F(xiàn).R.Tuler等[40]提出了一種積分型的損傷累積準(zhǔn)則。與大多數(shù)基于“離散度量型”的層裂準(zhǔn)則不同，其主要進(jìn)步在于給出了材料動(dòng)態(tài)損傷累積的連續(xù)度量以及發(fā)生宏觀(guān)層裂的下限條件，雖然該損傷準(zhǔn)則完全局限于宏觀(guān)力學(xué)領(lǐng)域，但由于在實(shí)際中便于應(yīng)用，所以在工程上被普遍采用[41]。Tuler-Butcher損傷累積準(zhǔn)則的形式如下[42]：

(3)

式中:σth為材料損傷閾值應(yīng)力，σ(t)為層裂面上拉應(yīng)力歷史，積分上限tc為拉應(yīng)力作用下材料發(fā)生層裂所需要的時(shí)間，λ、Ψ為材料參數(shù)。當(dāng)λ=1時(shí)，式(3)為沖量準(zhǔn)則；當(dāng)λ=2時(shí)，式(3)為能量準(zhǔn)則。Ψ是一個(gè)具有時(shí)間量綱的物理量，可以由材料試驗(yàn)獲得。Tuler-Butcher 損傷累積層裂準(zhǔn)則定義的損傷D：

(4)

式中:損傷因子D的取值范圍為0～1，利用Tuler-Butcher損傷累積準(zhǔn)則可以對(duì)橋梁進(jìn)行爆炸荷載作用下的損傷評(píng)估的理論依據(jù)。

學(xué)者們對(duì)橋面爆炸下的損傷進(jìn)行了大量研究。伍建強(qiáng)[43]對(duì)大跨連續(xù)剛構(gòu)橋抗導(dǎo)彈沖擊能力分析及搶修技術(shù)初步研究。鄧榮兵等[44]應(yīng)用非線(xiàn)性動(dòng)力有限元方法對(duì)爆炸沖擊波作用下橋梁的損傷效應(yīng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,得到了空中爆炸沖擊波的傳播規(guī)律曲線(xiàn)和峰值壓力曲線(xiàn)，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)公式對(duì)比，驗(yàn)證了爆炸荷載計(jì)算模型的有效性和計(jì)算結(jié)果的可靠性，并在此基礎(chǔ)上研究了橋梁在爆炸載荷作用下的非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)響應(yīng)。計(jì)算結(jié)果表明：爆炸沖擊波對(duì)橋梁的損傷效應(yīng)呈現(xiàn)局部破壞特征，橋梁迎爆面局部結(jié)構(gòu)損傷較大且以破口形式存在。數(shù)值仿真結(jié)果為橋梁的抗爆承載計(jì)算和安全性評(píng)估提供了重要的參考依據(jù)。張開(kāi)金[45]對(duì)爆炸荷載作用下混凝土橋梁的損傷特性進(jìn)行了研究。通過(guò)改變荷載加載位置、加載大小、加載速率及混凝土強(qiáng)度等級(jí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷效應(yīng)及損傷因素加以分析，得出了各參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷效應(yīng)的影響程度及規(guī)律。朱勁松等[46]為了對(duì)人流、車(chē)流密集的城市市政橋梁進(jìn)行合理的抗爆設(shè)計(jì)和爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,提出了爆炸荷載作用下城市橋梁動(dòng)態(tài)響應(yīng)與損傷過(guò)程分析的數(shù)值方法,其計(jì)算結(jié)果可作為抗爆設(shè)計(jì)和爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的依據(jù)。

1.2.3 橋面受爆引起的落梁

產(chǎn)生落梁的主要原因有[47]:(1)墩梁相對(duì)位移超過(guò)墩頂搭接長(zhǎng)度;(2)相鄰跨上部結(jié)構(gòu)橫向反向變位所致;(3)相鄰上部結(jié)構(gòu)間距過(guò)小，上部結(jié)構(gòu)相互碰撞;(4)逐跨施工的連續(xù)上部結(jié)構(gòu)在近墩處有一支承牛腿連接處，在爆炸作用下，連接破壞，導(dǎo)致梁體折斷下落;(5)由于這種連續(xù)高架橋的結(jié)合部設(shè)在跨內(nèi)彎矩較小處，結(jié)合部主要傳遞剪力，構(gòu)造簡(jiǎn)單，但牛腿太短，支承面過(guò)窄，在強(qiáng)烈的爆炸荷載作用下，結(jié)合部容易損壞，使結(jié)構(gòu)處于長(zhǎng)懸臂狀態(tài)，產(chǎn)生斷裂而倒塌;(6)橋墩強(qiáng)度與變形能力不足，導(dǎo)致橋墩破壞;(7)相鄰上部結(jié)構(gòu)的支座縱向破壞，位移過(guò)大。為了防止地震荷載下的落梁，學(xué)者們?cè)跇蛄阂?guī)范[5,48-50]中分別制定了相應(yīng)最小搭接長(zhǎng)度控制落梁, 而我國(guó)規(guī)范中[51]規(guī)定了6度抗震區(qū)，簡(jiǎn)支梁梁端至墩、臺(tái)帽或蓋梁邊緣應(yīng)有最小搭接長(zhǎng)度為：

圖6 梁端至墩、臺(tái)帽或蓋梁邊緣的最小距離Fig.6 Minimum distance from beam end to pier, cap and coping edges

(5)

式中：a為最小搭接長(zhǎng)度，cm；L為梁的計(jì)算跨徑，m，如圖6所示。

學(xué)者們對(duì)于梁式橋的落梁進(jìn)行了大量研究[5,47,52-55]，但是引發(fā)落梁的荷載主要為地震荷載。而近幾年的偶然性爆炸事件(如2013年2月1日我國(guó)義昌大橋坍塌事件等)表明，偶然性爆炸荷載即使荷載不大，但由于橋梁的結(jié)構(gòu)型式和爆炸位置特殊，也會(huì)引起也會(huì)造成較大的破壞。例如簡(jiǎn)支梁橋?qū)Ρê奢d較為敏感，其敏感性體現(xiàn)在即使很小的爆炸荷載作用下，若爆炸位置特殊，也可能發(fā)生落梁甚至由于局部落梁造成大橋的多跨跨塌。

1.2.4 橋索和橋塔受爆結(jié)構(gòu)的響應(yīng)

對(duì)于懸索橋，橋索和橋塔是斜拉橋的主要組成部分，即使較小的偶然性爆炸發(fā)生在橋塔或者橋索附近，也會(huì)發(fā)生大于爆炸規(guī)模的破壞[56]。斜拉橋是將主梁用許多拉索直接拉在橋塔上的一種橋梁，是由承壓的塔、受拉的索和承彎的梁體組合起來(lái)的一種結(jié)構(gòu)體系，也可以看作是拉索代替支墩的多跨彈性支承連續(xù)梁。和梁橋不同，懸索橋在橋面爆炸下可能會(huì)由于爆炸荷載靠近橋索，橋索和橋塔在爆炸下斷開(kāi)，會(huì)引起橋梁的內(nèi)力重分布，若破壞規(guī)模較大，將會(huì)引起橋梁的整體坍塌。K.N.Suthar[21]用SAP2000軟件研究了切薩皮克地區(qū)跨海懸索大橋在恒荷載，活荷載和爆炸荷載作用下的響應(yīng)，分別考慮了500 kgTNT在甲板上3種不同工況。當(dāng)達(dá)到承載力極限時(shí)，作者用非線(xiàn)性塑性鉸開(kāi)展了連續(xù)性倒塌分析。通過(guò)彎矩和構(gòu)件的變形情況可以看出，雖然懸索橋在爆炸荷載下遭遇了嚴(yán)重的局部損傷，然而橋面爆炸荷載下并不太可能發(fā)生橋梁的整體坍塌。K.C.Edmond等[35]和H.Hao等[36]用有限元軟件LS-DYNA計(jì)算了橋面、橋墩、橋索和橋塔爆炸下的損傷情況，同時(shí)考慮了用CFRP進(jìn)行加固，并對(duì)加固效果進(jìn)行了分析。王赟等[57]以潤(rùn)揚(yáng)懸索橋?yàn)槔?，針?duì)大跨度懸索橋可能遭受的爆炸沖擊波威脅，研究了空中爆炸沖擊波荷載作用下懸索橋的豎向彎曲振動(dòng)?；趹宜鳂驌隙壤碚摚捎媚B(tài)疊加法得到了懸索橋空中爆炸沖擊波作用下動(dòng)撓度的解析解為：

(6)

大跨度纜索承重橋梁遭受恐怖爆炸襲擊的風(fēng)險(xiǎn)比一般橋梁大。蔣志剛等[58]以潤(rùn)揚(yáng)懸索橋(主跨1 490 m)為例，針對(duì)大跨度懸索橋可能遭受的爆炸襲擊，運(yùn)用ANSYS 軟件進(jìn)行二維簡(jiǎn)化建模研究了空中爆炸沖擊波作用下懸索橋豎向彎曲響應(yīng)。研究表明: 懸索橋的豎彎響應(yīng)過(guò)程可分為非穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩階段，所有構(gòu)件的最大內(nèi)力均發(fā)生在非穩(wěn)態(tài)階段。非穩(wěn)態(tài)階段相聯(lián)構(gòu)件間相互作用強(qiáng)烈，構(gòu)件內(nèi)力變化大。穩(wěn)態(tài)階段構(gòu)件間的相互作用減弱，構(gòu)件內(nèi)力繞恒載值小幅波動(dòng)。裝藥水平位置對(duì)加勁梁和吊桿最大內(nèi)力影響顯著，但對(duì)主索最大內(nèi)力的影響不明顯; 加勁梁的最不利荷載位置在跨端，吊桿的最不利荷載位置在跨中。

1.2.5 橋梁的連續(xù)性倒塌

對(duì)于橋梁的連續(xù)性倒塌問(wèn)題僅有少量研究，比較典型的主要是U.Starossek[59-60]以一個(gè)多跨預(yù)應(yīng)力混凝土橋的連續(xù)性倒塌問(wèn)題為例，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)局部破壞引發(fā)的連續(xù)性倒塌問(wèn)題進(jìn)行了研究，給出了橋梁的連續(xù)性、冗余性和魯棒性在分析過(guò)程中的重要性，給出了一種橋梁連續(xù)性倒塌的分析方法和設(shè)計(jì)建議，研究彌補(bǔ)了現(xiàn)有橋梁規(guī)范抗連續(xù)性倒塌的不足。成丕富[61]對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌進(jìn)行了研究。在綜述建筑和橋梁抗連續(xù)倒塌的研究現(xiàn)狀及相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，分析了橋梁連續(xù)倒塌的特性及現(xiàn)行橋梁設(shè)計(jì)方法的缺陷。提出橋梁的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)體系及針對(duì)不同橋型的抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法。對(duì)于爆炸作用下橋梁的連續(xù)性倒塌問(wèn)題未見(jiàn)報(bào)道。

2 橋梁爆炸安全評(píng)估

橋梁的安全評(píng)估主要包括承載能力評(píng)估、耐久性評(píng)估和適用性評(píng)估, 其中承載力評(píng)估為安全評(píng)估的主要內(nèi)容。爆炸作用下橋梁的承載能力評(píng)估主要指爆炸作用下橋梁結(jié)構(gòu)各組成部分及整體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、剛度等方面是否滿(mǎn)足現(xiàn)有荷載等級(jí)的要求,以及其能否適應(yīng)爆炸荷載的進(jìn)一步發(fā)展的要求。其評(píng)估結(jié)果主要與橋梁結(jié)構(gòu)各組成部分或整體的極限強(qiáng)度、穩(wěn)定性有關(guān)。評(píng)估的目的是要找出橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際安全狀況，以避免橋梁在日常使用中發(fā)生災(zāi)難性的后果。安全評(píng)估的方法主要有專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)評(píng)定法、荷載試驗(yàn)法、基于設(shè)計(jì)規(guī)范的方法、基于結(jié)構(gòu)可靠性理論的方法、層次分析法、基于結(jié)構(gòu)可靠性理論的方法等。近年來(lái)，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范普遍依據(jù)結(jié)構(gòu)可靠度理論對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)估。結(jié)構(gòu)失效可以用2類(lèi)極限狀態(tài)表示：承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。具體實(shí)現(xiàn)方法有2種：其一是直接計(jì)算橋梁的可靠指標(biāo)，與目標(biāo)可靠指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比；其二是應(yīng)用基于可靠度的橋梁評(píng)估規(guī)范。對(duì)于重要、復(fù)雜橋梁可應(yīng)用直接計(jì)算方法，其主要的工作包括失效模式、結(jié)構(gòu)分析模型、荷載和抗力模型、目標(biāo)可靠度的確定，以及可靠指標(biāo)的計(jì)算和結(jié)構(gòu)安全判別等。

學(xué)者們對(duì)于橋梁爆炸的安全評(píng)估開(kāi)展了研究[14,62-63]，A.Islam[14]用AASHTO指定的概率為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法，評(píng)估了爆炸荷載作用下橋梁的安全, 建模并記錄了AASHTO梁、墩、柱等典型構(gòu)件在爆炸荷載下的性能，對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行了分析，給出必要的保護(hù)措施和橋梁改造和設(shè)計(jì)指南。B.Michele[62]對(duì)橋梁在恐怖襲擊下的易損性提出了一個(gè)合理的評(píng)估方法，該方法涉及的概率分析為一種理論分析方法，彌補(bǔ)了現(xiàn)有研究中的理論空缺。對(duì)于橋梁損傷程度的界定，可以分為單個(gè)構(gòu)件的界定和整體結(jié)構(gòu)的界定。對(duì)于橋梁?jiǎn)蝹€(gè)構(gòu)件損傷程度的具體界定，可以依據(jù)構(gòu)件喪失承載力的簡(jiǎn)化理論判據(jù)評(píng)估，將構(gòu)件的損傷程度依次劃分為3個(gè)等級(jí): 輕度損傷、中度損傷和嚴(yán)重?fù)p傷。A.R.Al-Wazeer[63]對(duì)橋梁進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，給出了基于風(fēng)險(xiǎn)的橋梁維護(hù)策略。對(duì)于橋梁的整體結(jié)構(gòu)損傷程度的界定，K.N.Suthar[21]對(duì)爆炸高度為6英尺，炸藥位置分別在中跨的跨中、邊跨的跨中和中跨的末端上3種工況對(duì)橋梁在爆炸荷載作用下的受力情況進(jìn)行了分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，把結(jié)構(gòu)破壞分為3個(gè)等級(jí)：瞬時(shí)破壞(immediate occupancy /IO)等級(jí)，該破壞為輕微破壞。此時(shí)結(jié)構(gòu)為對(duì)車(chē)輛仍可以安全同行，橋梁是穩(wěn)定的橋梁可以維修；生命安全(life safety /LS)等級(jí)。此時(shí)橋梁被嚴(yán)重破壞，然而橋梁沒(méi)有倒塌。在橋梁開(kāi)始繼續(xù)通行前必須進(jìn)行檢測(cè)盒維修；倒塌防護(hù)等級(jí)(collapse prevention /CP)，結(jié)構(gòu)在倒塌的邊緣。橋梁已經(jīng)達(dá)到應(yīng)力和變形極限，結(jié)構(gòu)已大面積被破壞，維修已經(jīng)不是一種經(jīng)濟(jì)型的選擇了。此時(shí)需要橋梁的重建，此時(shí)結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，生命將受到威脅。分析的過(guò)程中根據(jù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)過(guò)程中塑性鉸的發(fā)展程度判斷橋梁的性能進(jìn)行評(píng)估。

3 橋梁特殊爆炸問(wèn)題

3.1 橋梁爆破拆除

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，需要拆除的橋梁項(xiàng)目也會(huì)越來(lái)越多。城市爆破技術(shù)的關(guān)鍵在于通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)橋跨逐段連續(xù)倒塌落地，將塌落震動(dòng)分時(shí)段和分散體積對(duì)地面形成沖擊。于是，在設(shè)計(jì)時(shí)在藥孔設(shè)計(jì)上采用多鉆孔、少裝藥和延期起爆技術(shù)，使爆炸能量釋放均衡、爆炸荷載均布，爆炸作用合理調(diào)配，減少一次齊爆的總藥量。龍?jiān)吹萚64]采用控爆法成功拆除一座危橋，文章闡述了拱肋、橋面梁、橋墩、橋柱各部位爆破參數(shù)的選擇，起爆網(wǎng)路形式和起爆延時(shí)的設(shè)計(jì)，以及爆破安全校核，可供類(lèi)似工程參考。紀(jì)沖等[65]針對(duì)城市橋梁橋體沖擊地面作用過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，描述了橋體沖擊作用下在介質(zhì)中產(chǎn)生的彈塑性應(yīng)力波的傳播衰減過(guò)程，進(jìn)而分析了隧道結(jié)構(gòu)在橋梁爆破拆除塌落沖擊作用下動(dòng)力響應(yīng)。研究表明：橋體在塌落觸地時(shí)對(duì)地面的沖擊振動(dòng)有可能對(duì)地鐵隧道的穩(wěn)定性構(gòu)成危害。為切實(shí)保證爆破后地鐵隧道的安全穩(wěn)定性，采用在橋下方鋪設(shè)鋼板/橡膠輪胎復(fù)合式結(jié)構(gòu)緩沖防護(hù)層的方式以達(dá)到防護(hù)減振的效果。楊國(guó)良等[66]利用有限元ANSYS/LS-DYNA對(duì)某公路橋梁的爆破拆除過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，準(zhǔn)確的再現(xiàn)了該橋的爆破拆除過(guò)程，并對(duì)該橋的爆破失穩(wěn)、倒塌機(jī)理進(jìn)行了詳盡分析。

3.2 近地下爆炸對(duì)橋梁的響應(yīng)

隨著地下空間地開(kāi)發(fā)和利用，地下爆炸也會(huì)對(duì)附近地表結(jié)構(gòu)造成一定影響，造成不同程度的破壞。趙曙光[67]針對(duì)連續(xù)梁橋、桁架橋和斜拉橋等3類(lèi)不同橋型結(jié)構(gòu)在遭受鄰近地下隧道內(nèi)爆炸作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，對(duì)半無(wú)限地基土和埋置于其中的地鐵隧道以及地面上不同的橋梁結(jié)構(gòu)所組成的體系建立了適當(dāng)?shù)臄?shù)值模型，并利用LS-DYNA有限元軟件計(jì)算出了隧道內(nèi)點(diǎn)源爆炸在其內(nèi)壁產(chǎn)生的爆炸超壓荷載，針對(duì)所建立的不同類(lèi)型橋梁結(jié)構(gòu)在臨近地下隧道內(nèi)突發(fā)爆炸時(shí)產(chǎn)生的彈塑性動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)進(jìn)行分析研究。通過(guò)變換爆炸荷載和結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)，得到不同參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響。

4 存在的問(wèn)題與建議

綜上所述，對(duì)橋梁抗爆的安全評(píng)估研究開(kāi)展時(shí)間較晚，研究多以試驗(yàn)和數(shù)值模擬為主，尚未建立合理的橋梁爆炸力學(xué)模型和有效的抗爆設(shè)計(jì)和加固方法。針對(duì)研究中的不足，提出以下建議：

(1)建立、健全安全等級(jí)分類(lèi)。對(duì)所有橋梁進(jìn)行抗爆設(shè)計(jì)是不經(jīng)濟(jì)的，所以應(yīng)合理地對(duì)結(jié)構(gòu)遭受爆炸概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)爆炸荷載可能出現(xiàn)的規(guī)模進(jìn)行分級(jí)，同時(shí)對(duì)建筑物按照用途、設(shè)計(jì)使用年限和重要性進(jìn)行分類(lèi)，根據(jù)分類(lèi)提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求。

(2)不同類(lèi)型橋梁體系建立不同的抗爆方案。橋梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式眾多，不同類(lèi)型結(jié)構(gòu)體系在爆炸荷載的作用下的材料特性、結(jié)構(gòu)局部破壞和整體失穩(wěn)模式都不同，因此，需要分別考慮和制定不同的抗爆設(shè)計(jì)方法。

(3)合理的加固建議。橋梁的抗爆加固主要分為材料加固和結(jié)構(gòu)加固。對(duì)于橋梁抗爆的結(jié)構(gòu)加固方法還不成熟，較為常用的復(fù)合材料是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)，用復(fù)合材料對(duì)橋梁進(jìn)行抗爆加固，可以提高結(jié)構(gòu)局部和整體的抗爆性能。

(4)規(guī)范建議。爆炸荷載作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)和破壞的計(jì)算方法在防護(hù)工程各類(lèi)規(guī)范中已經(jīng)有了系統(tǒng)的闡述，橋梁結(jié)構(gòu)的相應(yīng)計(jì)算和設(shè)計(jì)可參照防護(hù)工程規(guī)范開(kāi)展研究工作。同時(shí)鑒于爆炸荷載和地震荷載有著一定的相似性，也可適當(dāng)參照橋梁抗震的設(shè)計(jì)規(guī)范。

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(責(zé)任編輯 王易難)

Research advances of safety assessment of bridges under blast load

Zhang Yu1,2,3, Li Guoqiang2, Chen Kepeng4, Chen Airong2

(1.DepartmentofBuildingEngineering,LogisticsUniversityofPAPF,Tianjin300162,China;2.CollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;3.StateKeyLaboratoryforStrengthandVibrationofMechanicalStructures,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,Shaanxi,China;4.TheArchitecturalDesign&ResearchInstitute,ZhejiangUniversity,Hangzhou310000,Zhejiang,China)

With the potential increase of terrorist attacks and blasting accidents, bridge safety has become a major public concern and greater attention is paid to the safety assessment of bridges under blast load. In this paper, the most recent research of bridges under blast load is systematically analyzed. Firstly, the simplified theories and dynamic response of pier, deck, cable and tower under blast load are sequentially analyzed and it has been demonstrated that the continuity, redundancy and robustness affect the progressive collapse of a bridge. Based on the review of the latest study on the progressive collapse of architecture and bridges and, in view of the relevant standards, the features of bridges' progressive collapse and shortages in the design methods are analyzed. Secondly, the recent study on bridge safety assessment, including load capacity evaluation, endurance evaluation and adaptability evaluation, is reviewed. Thirdly, a study of two specific blast problems of bridges, which are blasting demolition and dynamic response and damage of the bridge under near surface blast, is presented. Finally, suggestions are put forward aiming at rectifying the shortage in the recent bridge safety research

mechanics of explosion; safety assessment; structural reinforcement; dynamic response; blast load; bridge structure

10.11883/1001-1455(2016)01-0135-10

2014-01-02； < class="emphasis_bold">修回日期：2014-03-10

2014-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51508412);中國(guó)博士后基金項(xiàng)目(2014M551451); 西安交通大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(SV2014-KF-17)

張 宇(1983— )，女，博士，講師，zhangyu1983xinxin@163.com。

O383 <國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：1303510 class="emphasis_bold"> 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：1303510 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：1303510

A