我国的桥梁设计使用年限为100年，作为重要的交通基础设施，桥梁结构整个寿命周期中将承受永久荷载、可变荷载和偶然荷载的作用。偶然荷载不仅严重威胁人类的生命财产安全，影响正常的经济活动，而且给桥梁结构带来巨大的破坏作用。但传统的桥梁结构设计将各种偶然荷载对桥梁的作用分开考虑，只针对单一荷载独立进行结构验算并调整方案，较少协同考虑不同偶然荷载的综合需求，极少考虑偶然荷载的组合^[1]，造成设计结果对某些灾害不够安全，对另一些灾害又不够经济。如何在桥梁结构的全寿命周期中考虑多重灾害的作用，建立合理的多灾害作用下桥梁设计方法，提升防灾减灾的能力，降低灾变破坏的风险，有重要的理论意义和应用价值。

从2001年起，Wen等^[2]明确提出了综合考虑多灾害作用进行结构设计，建立了多灾害作用下结构寿命期总成本的数学模型。Adey等^[3]考虑了过载和洪水2种灾害作用下混凝土桥梁减灾措施的比选。Ellingwood等^[4]考虑了地震和飓风2种灾害作用下建筑结构的加固设计。Ataei等^[5]建立了简支梁桥在风暴潮和波浪共同作用下主要失效模式的概率需求和能力模型，发展了基于可靠度和风险的评价方法。Liang等^[6-7]基于综合可靠性和部分失效概率对多重抗灾桥梁进行了研究，引入部分失效概率，将多重灾害分解为单一效应，以卡车和地震荷载为例进行了讨论。近年来，多灾害研究中涉及的荷载组合也不断扩展，包括地震和洪水冲刷^[8-9]、地震和风荷载^[10-11]等。

整体来看，现有研究中一些灾害组合场景下桥梁的分析方法正在快速发展，但涉及的灾害组合场景有限，而且对于如何考虑不同极端荷载的联合作用也未有定论。在众多的偶然荷载中，地震和爆炸对桥梁结构的破坏作用显著。桥梁结构在地震作用下非常脆弱，一旦发生损毁甚至倒塌，会造成巨大的经济损失和人员伤亡。且地震发生时，存在爆炸荷载伴随出现的风险。如桥梁结构上运输火工物品及危险品的车辆因倾倒、侧翻、碰撞、坠落从而诱发爆炸事故，或者随桥铺设的燃气管道因地震的作用发生破裂泄露造成意外爆炸等。这些事故场景的发生均会使桥梁结构处于地震、爆炸双重荷载的作用下，受到超出预先设计值的荷载作用。虽然桥梁的抗震减震工作已相对成熟，设计规范相对完善，减隔震技术也有了长足的发展。但是，基于抗震性能设计的桥梁能否同时抵御地震和爆炸荷载的作用尚待研究。因此，有必要针对地震与爆炸二重极端灾害作用对桥梁结构的影响开展研究。

本文针对某30 m跨径简支梁桥，利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析平台，提出了一种可同时考虑地震和爆炸2种极端荷载联合作用的有限元数值模拟方法。通过在地震荷载持续过程中利用CONWEP经验爆炸模型在不同时刻向结构施加爆炸荷载，实现了在同一位置、特定爆炸当量、不同时刻下综合考虑2种极端荷载的作用。基于此，分别研究了主梁、桥墩不同结构构件在地震、爆炸联合作用下的动力响应和损伤情况，通过分析单独和组合作用所得计算结果的差别，总结了桥梁结构构件在联合荷载作用下的损伤情况和失效类型，为桥梁的多灾害设计与防护提供了一定的参考。

1 有限元模型的建立

以某30 m跨径钢筋混凝土简支梁桥作为研究对象，该桥跨度30 m，由5片箱梁组成，宽度13 m，高度1.22 m，主梁纵向钢筋Φ25，箍筋Φ14。桥墩为2 m×2 m的矩形截面双柱墩，墩高13 m，墩间距离6 m，盖梁为12 m×3 m×2 m的长方体。桥墩主筋16Φ32和箍筋Φ16@50，主梁与桥墩之间设置板式橡胶支座。主梁采用C50混凝土，盖梁和桥墩采用C40混凝土。建模过程中根据截面刚度不变的原则将主梁进行简化得到等效模型截面。其中，主梁、盖梁和桥墩混凝土采用SOLID164实体单元模拟，主筋、箍筋和预应力筋采用BEAM161单元模拟。主梁和桥墩混凝土采用3号材料模拟，盖梁采用1号弹性材料模拟，主筋和箍筋采用3号材料模拟，具体的材料参数见表 1。模拟时采用应力强化系数考虑混凝土的应变率效应，通过Cowper-Symonds模型考虑钢筋的应变率效应。钢筋和混凝土单独建模，独立划分网格，通过节点耦合共同发挥作用。桥梁结构模型中板式橡胶支座用接触模拟^[12]，桥墩底部0.2 m范围内的节点全部固结，建立的有限元模型见图 1。

利用动力松弛方法计算桥梁的初始应力，地震、爆炸荷载则采用显式积分的方式实现。爆炸荷载通过CONWEP程序对结构进行施加，地震动作为给定的节点运动输入到桥墩底部节点。为提高计算效率，将主梁和桥墩分开计算。

2 荷载模型和组合场景 2.1 爆炸荷载

选用250 kg TNT作为爆炸荷载分别施加在主梁的跨中和桥墩的正、侧面。同时，考虑到一般运输车辆运载货物时相对车辆底部和身侧的距离^[13]，将炸药中心设置于梁上方1.2 m处，桥墩正面和侧面设置在距离墩身、墩底1.5 m处。主梁和桥墩的爆炸荷载作用场景如图 2、图 3所示。

2.2 地震荷载

选择EL Centro波作为地震动输入荷载，将地震波的加速度峰值调整为0.6 g，对应的位移时程峰值为26.19 cm，调整后的地震波时程曲线如图 4。

2.3 组合作用

研究中假设在地震的过程中只发生一次爆炸，考虑到爆炸发生时间的随机性，在地震持续时间内的不同时间点设置爆炸以进行2种极端荷载的组合。分别对主梁、桥墩进行模拟，提出不同的荷载组合场景。考虑地震波纵向输入和主梁爆炸场景组合，设定爆炸分别发生在地震持时的5、15、25和35 s共4个时间点，形成4个地震、爆炸组合作用工况。对于桥墩，分别考虑地震波纵向和横向输入，对地震和爆炸进行同向耦合以获取最不利受载情况。当地震波纵桥向输入时，设定桥墩正面发生爆炸，当地震波横向输入时，桥墩侧面发生爆炸。同时，考虑爆炸分别发生在5、10、15、20、25、30和35 s共7个时间点，形成14个地震、爆炸组合作用工况(见表 2)。

3 地震爆炸联合作用下桥梁结构响应分析 3.1 主梁损伤机理

主梁在地震、爆炸联合作用下的损伤情况见表 3。由于地震动为水平向作用，与主梁的竖向冲击损伤没有耦合，因此损伤面大小与单独爆炸作用基本一致。图 5给出了地震持时内不同时刻发生爆炸时主梁在组合作用下梁端的纵向位移曲线，可以看出，爆炸发生前各工况的纵向位移曲线重合；爆炸发生瞬间，爆炸作用使得主梁纵桥向位移产生了大的突变，位移值出现不同程度的增大或减小。其中，地震持时内第5 s发生爆炸造成的位移变化值最大，达12.6 cm。由于主梁在地震作用下处于往复运动状态，爆炸冲击可能增大或减小主梁的纵向位移。当爆炸冲击增强主梁的位移响应时，主梁有落梁风险。为避免主梁在地震、爆炸组合作用下从支座上滑落，推荐采用合理的防落梁措施进行加固^[14-15]。

3.2 桥墩损伤机理 3.2.1 纵桥向组合作用

图 6给出单独爆炸荷载(250 kg TNT)作用在桥墩正面和侧面时的结构损伤，图 7给出了纵桥向地震、爆炸组合作用下桥墩的损伤情况。地震持时5、10 s分别发生爆炸，桥墩在组合作用下的损伤严重，墩底发生整体剪切破坏，损伤深度达1.2 m，大于单独爆炸作用的0.8 m，损伤比单独爆炸作用严重。地震持时15、20和25 s时分别爆炸，桥墩损伤情况接近，损伤域大于单独爆炸作用。地震持时30、35 s时发生爆炸，由于进入地震作用的后期，结构组合响应较小，造成的损伤比单独爆炸作用略微严重。

图 8给出了纵桥向地震、爆炸组合作用下桥墩的墩顶位移曲线。地震持时5 s发生爆炸，组合作用引起的墩顶位移增量可观，最大值由单独地震作用的8.3 cm增大到组合作用的12.4 cm。地震持时10 s时发生爆炸，爆炸发生瞬间墩顶位移没有明显变化，但随地震响应的增大，组合作用和单独地震作用的墩顶位移差别显现，10~15 s间的墩顶位移最大值由单独地震作用的6.6 cm增大到组合作用的8.0 cm，两者差值小于地震持时5 s时发生爆炸所得。地震持时15、20和25 s时分别爆炸所得墩顶位移曲线变化趋势接近，爆炸发生瞬间墩顶位移没有明显变化，随地震的进行，组合作用位移值稍大于地震作用位移值。地震持时30、35 s发生爆炸，组合作用的墩顶位移较单独地震作用偏离很小，可忽略。

图 9为纵桥向地震、爆炸组合作用下墩底弯矩曲线。地震持时5、10 s分别发生爆炸，爆炸发生后墩底弯矩迅速减小，墩底剪切破坏，桥墩失去抗弯能力。地震持时15、20、25、30和35 s分别发生爆炸，爆炸发生瞬间墩底弯矩增大，但由于墩底单元在组合作用下受到了损伤，部分单元失效，随后组合作用的弯矩值小于单独地震作用。地震持时中爆炸发生的越晚，组合作用和单独地震作用所得墩底弯矩的差别越小。地震持时30、35 s发生爆炸时，因为地震在桥墩中产生的弯矩与爆炸产生的弯矩方向相同，二者叠加放大，使得墩底弯矩在爆炸瞬间明显增大。

3.2.2 横桥向组合作用

图 10给出了横桥向地震、爆炸组合作用下桥墩的损伤情况。与纵向组合作用相比，地震持时5、10 s分别爆炸时，桥墩的损伤较轻，墩底没有发生整体剪断。地震持时15、20和25 s分别爆炸，桥墩的损伤不断加重，损伤域和深度更大。其中，15 s和20 s爆炸时墩底出现严重剪切破坏，趋于剪断。地震持时30、35 s爆炸工况下，桥墩的损伤情况与单独爆炸作用基本一致，墩底被整体剪断。

图 11给出了横桥向地震、爆炸组合作用下墩顶位移时程曲线。地震持时5 s和10 s分别发生爆炸，爆炸发生瞬时墩顶位移没有明显变化，随爆炸响应在结构内部的传递，组合作用产生的墩顶位移值明显大于单独地震作用。地震持时15、20和25 s分别爆炸时，墩顶位移曲线在爆炸发生时明显增大，超过单独地震作用。地震持时30、35 s分别爆炸时，墩顶位移曲线在爆炸发生后明显增大，并因墩底整体剪断而产生残余位移。在地震、爆炸横向组合作用下，桥墩表现出明显的剪切破坏特征。

图 12给出了横桥向地震、爆炸组合作用下，地震持时5 s发生爆炸的墩底弯矩曲线。由于桥墩底部出现不同程度的剪切破坏，大量单元失效，桥墩有效抗剪和抗弯截面减小，抗弯能力下降，故而爆炸发生后墩底弯矩迅速减小。综合比较桥墩在地震、爆炸组合作用下的损伤(表 4)，可以看出当地震、爆炸同时纵向作用时，桥墩达到最大损伤状态工况的爆炸发生时间与结构地震最大响应时间基本一致；当两者同时横向作用时，出现桥墩最大损伤状态的工况其爆炸发生时间较结构地震最大响应时间靠后，且横向组合作用下桥墩损伤程度比同时刻发生爆炸的纵向组合作用严重，墩底受剪切破坏范围更大，直至最终剪坏。

4 数值模拟方法的有效性验证 4.1 结构爆炸响应数值模拟的有效性

为验证结构爆炸响应数值模拟的有效性，将本文模拟结果与文献[16]的试验结果进行对比。文献中，试件长1 720 mm，截面尺寸300 mm×160 mm，混凝土抗压强度为43 MPa，钢筋屈服强度为604 MPa，保护层厚度25 mm。实验中所得冲击波荷载参数及构件破坏时的位移、支座最大反力见表 5，试验与模拟结果对比见图 13。实验中爆炸冲击波作用下，梁呈现受拉和斜剪破坏，模拟梁破坏形态与试验基本吻合。支座反力最大值及跨中破坏时位移误差分别为5.45%和7.42%，在可接受范围内，说明本文采用的爆炸响应模拟方法是有效性的。

4.2 结构地震响应数值模拟的有效性

为验证LS-DYNA计算地震作用的准确性，取某双柱墩为研究对象，墩矩形截面尺寸2 m×2 m，高度13 m，中心距8 m，盖梁尺寸3 m×2 m×11 m。地震动输入选择实测地震波Trinidad，分别利用SAP2000和LS-DYNA在墩底输入加速度时程及位移时程的方式进行计算(见表 6)。可以看出，2种方法计算所得的墩底轴力基本一致，故利用LS-DYNA加载地震动位移时程来计算地震作用是合理可行的。

5 结论

1) 当地震、爆炸联合作用于主梁时，主梁的损伤情况相比单独爆炸作用基本一致。但纵桥向位移增加，尤其当爆炸发生在主梁地震响应较大时，位移增大更为显著，可能导致主梁从支座滑落，发生落梁，需设置限位装置。

2) 纵向地震、爆炸联合作用下，桥墩的损伤面积、损伤深度均有不同程度增大，墩底甚至被整体剪断。桥墩最大损伤发生时间与地震最大响应的时间基本一致，当爆炸发生在桥墩地震响应较大时，墩顶的位移增大明显，需设置限位装置。

3) 横向地震、爆炸联合作用下，桥墩的损伤面积、损伤深度、墩顶位移均有不同程度增加，而墩底弯矩因底部剪切破坏引起的单元失效有所减小。墩底发生整体剪断等严重损伤的时间较桥墩地震最大响应的时间延后，且出现墩底剪切损伤的时间范围更大。与纵向地震爆炸组合作用相比，横向组合作用下桥墩产生的损伤更为严重。为提高桥墩在纵横向荷载组合作用下的承载能力，应采取相应的防护加固措施。