摘 要

斜拉桥作为国民基础设施的一个重要部分，给人们的出行带来了极大的方便，桥梁也成陆路交通的关键枢纽。鉴于斜拉桥的宏伟大气的特点，甚至成为了很多城市地标性的建筑。在总体和平，局部动乱的国际形势的现在，桥梁在恐怖主义和战争的威胁下所表现的脆弱性越来越引起了人们的重视，桥梁的关键位置可能在爆炸荷载的作用下引起结构损坏。一旦出现这种事故就会造成交通瘫痪和人员伤亡。因此，针对斜拉桥结构在爆炸荷载下的动态响应与破坏机理开展参数化研究，为桥梁抗爆设计提供依据还是非常有必要的。本文针对爆炸冲击波的传播规律和大跨度混凝土斜拉桥在爆炸荷载作用下的动力响应进行了数值模拟研究，主要进行了以下几个方面的工作：

1、深入研究了爆炸现象，分析了爆炸冲击波产生的原因和特点，研究了爆炸冲击波的正反射、斜反射和马赫反射，提出了爆炸冲击波参数的经验公式。

2、基于有限元的原理，利用有限元软件 ANSYS 建立该背景斜拉桥的空间动力有限元模型，对该斜拉桥空间动力模型进行自振特性分析，计算其频率和振型。

3、采用非线性有限元软件LS-DYNA对斜拉桥结构在爆炸荷载作用下的动力响应分析，用LS-PrePost软件进行后处理分析。分析爆炸荷载作用于主梁不同位置时主梁的损伤情况，不同当量的TNT作用于主梁时主梁的损伤，提取出各测点的位移、速度时程曲线。分析爆炸作用过程中斜拉桥的斜拉索的索力变化情况。

关键词：爆炸荷载;大跨度混凝土斜拉桥;动力响应

Abstract

As an important part of the national infrastructure, cable-stayed bridges bring great convenience for people to travel. The bridge is also a key hub for land transport. Many cable-stayed bridges even become a landmark building for a city because it is magnificent. According to the international situation of overall peace and local unrest, bridges may be destroyed under the threat of terrorism and war. The key position of the bridge may cause structural damage under blast loading effects. Once this accident had happened, it would cause traffic jam and casualties. Therefore, it is necessary for us to study dynamic response of cable-stayed bridge and its failure mechanism under blast loading. Aiming at the propagation rules of explosive shock wave and dynamic response of cable-stayed bridge under blast load, the following aspects of the work has been done:

1. The phenomenon of the explosion is studied. The cause and feature of the explosion shock wave are analyzed. The regular reflection, oblique reflection and Mach reflection of the explosion shock are studied. And empirical formulas of the explosion shock are put forward.

2. Based on the principle of finite element, the cable-stayed bridge space dynamic finite element model is built by the finite element software ANSYS. The spatial dynamic model of the cable stayed bridge is analyzed, and its frequency and vibration mode are calculated.

3. Using nonlinear finite element software LS-DYNA to analyze dynamic response analysis of cable stayed bridge structure under blast loading. LS-PrePost software is used to post processing analysis. The damage of the main beam in different position of the main beam is analyzed. The damage of the main girder of the main beam with different equivalent TNT is analyzed. The displacement of each measuring point is extracted, and the velocity time history curve is determined. Analysis of the variation of the axial force of cable stayed cable of cable stayed bridge during the explosion.

Key words: blast load; long span concrete cable stayed bridge; dynamic response.

目录

第1章 绪论 1

1.1 斜拉桥概述 1

1.2 大跨度斜拉桥的特点 1

1.3 斜拉桥的发展 2

1.3.1 斜拉桥的发展历史 2

1.3.2 斜拉桥的发展趋势 4

1.3.3 斜拉桥发展中存在的问题 5

1.3.4 大跨径混凝土斜拉桥的发展 6

1.4 本文的研究意义及国内外现状分析 6

1.4.1 本文研究的意义 6

1.4.2 国内外现状分析 7

1.5本文研究的主要内容 8

第2章 爆炸冲击波基本理论 9

2.1爆炸基本现象简介 9

2.2爆炸冲击波的产生及特点 10

2.3爆炸冲击波的反射 10

2.3.1 爆炸冲击波在障碍物上的正反射 11

2.3.2 爆炸冲击波在障碍物上的斜反射 11

2.3.3 空气中爆炸时空气冲击波的马赫反射 12

2.4爆炸冲击波的参数的经验公式 12

2.5 本章小结 14

第3章 有限元模型的建立 15

3.1 斜拉桥实例概况 15

3.2斜拉桥有限元模型的建立 15

3.2.1 斜拉桥各部分材料特性 15

3.2.2 斜拉桥的主梁的模拟 16

3.2.3 斜拉桥的主塔的模拟 19

3.2.4斜拉桥的斜拉索的模拟 21

3.2.5斜拉桥全桥模型的网格划分 22

3.2.6斜拉索与主梁桥塔的耦合以及主梁桥塔耦合 24

3.2.7约束的施加 26

3.2.8全桥的有限元模型 26

3.3动力特性分析 27

3.3.1自振特性计算理论 27

3.3.2汉江三桥模态分析 28

3.4本章小结 31

第4章 爆炸荷载作用下的斜拉桥动力响应 32

4.1应用ANSYS/LS-DYNA分析爆炸问题概述 32

4.2爆炸荷载的定义 32

4.3材料失效的定义 34

4.4爆炸荷载作用下的斜拉桥动力响应分析 34

4.4.1TNT当量的确定 34

4.4.2起爆位置不同时对主梁的损伤程度的分析 34

4.4.3TNT当量不同时对主梁的损伤程度的分析 36

4.4.4沿纵桥向测点的位移，速度分布规律 37

4.4.5 爆炸过程中的索力的变化分析 39

4.5本章小结 39

第5章 结论与展望 41

5.1结论 41

5.2展望 41

致谢 42

参考文献 43

第1章 绪论

1.1 斜拉桥概述

斜拉桥又叫做斜张桥，是一种斜拉索直接将主梁悬吊在塔柱上的桥梁。斜拉桥是一种组合受力体系的桥梁，外荷载靠主梁受弯压、斜拉索受拉来共同承担。

主梁、索塔和斜拉索三大部分组成了斜拉桥。主梁一般采用混凝土结构，钢-混凝土组合结构或钢结构，索塔大多采用混凝土结构，而斜拉索则采用高强材料（高强钢丝或钢绞线）制成。在斜拉桥中，荷载的传递途径为：斜拉索的两端分别锚固在主梁和索塔上，将荷载由主梁传递到主塔，再由主塔传递到地基。因而主梁在斜拉索的各点支撑作用下，像多跨弹性支撑连续梁一样，使得弯矩大大的降低，这不但使得主梁的尺寸大大的减小（梁高和跨径之比一般为1/50～1/200，甚至更小），而且由于结构自重显著降低，既使得结构材料大大减少，又使得桥梁的跨越能力增大了。需要指出的是：只有在斜拉索始终处于拉紧状态时，斜拉桥对主梁的多点弹性支撑作用才能得以充分发挥。所以在主梁承受荷载之前，必须对斜拉索进行预张拉。预张拉力结果可以给主梁一个初始支撑力，以调整主梁的初始内力，使得主梁的受力状况更趋于合理，并且可以提高斜拉索的刚度^[1]。此外，与悬索桥相比，斜拉桥的刚度大，在荷载作用下结构的变形要小得多，其抗风抗震能力也比悬索桥要好，并且不需要巨大的锚碇结构，这使得斜拉桥在可能达到大跨度的情况下使悬索桥逊色的重要因素。

斜拉桥是70多年以来最富有想象力和构思内涵最丰富具有跨时代意义的桥型，其广泛的适用性使其如雨后春笋一般孕育而生。近半个世纪以来发展速度令人叹为观止。跨度从200m到700m，甚至于超过1000m的桥梁，都有斜拉桥的身影。尤其是大跨径的斜拉桥，发展更是迅速。跨径1000m级的斜拉桥已经不再是技术问题。可以相信，随着高性能材料的开发，施工技术的发展，斜拉桥还会朝着更大跨度和更新的结构形式发展。

1.2 大跨度斜拉桥的特点

斜拉桥是一种多次超静定结构,是从索塔上用若干斜向拉索将梁吊起,于是梁跨内增加了若干的弹性支点,可以大大的减少斜拉桥主梁内的弯矩。