为研究典型钢板组合梁截面在长时间平面爆炸波作用下的荷载特性，研究人员首先建立了长时间平面爆炸波的数值模型，并通过激波管试验验证了其可靠性。在此基础上，研究人员进行了数值分析，探究了不同入射荷载和间距比下钢板组合梁截面的阻力、升力和力矩特性。研究人员分析了钢板组

　　为研究典型钢板组合梁截面在长时间平面爆炸波作用下的荷载特性，研究人员首先建立了长时间平面爆炸波的数值模型，并通过激波管试验验证了其可靠性。在此基础上，研究人员进行了数值分析，探究了不同入射荷载和间距比下钢板组合梁截面的阻力、升力和力矩特性。研究人员分析了钢板组合梁截面表面反射超压和冲量的分布规律，并结合瞬时流场结构阐明了长时间爆炸荷载的机制。结果表明，钢板组合梁截面的等效阻力系数受入射荷载强度和工字钢间距比的影响较小，在快速工程计算中可近似取为常数。等效升力系数受入射荷载强度和工字钢间距比的显著影响。具体而言，该系数随入射荷载强度的增加先上升后趋于平稳，而随工字钢间距比的增加而下降。值得注意的是，当钢板组合梁截面的几何构型相似时，不同入射荷载和间距比下主梁表面的反射超压和冲量呈现相似的分布模式。反射超压的突变位置主要可分为两个区域：几何阴影区与内角叠加区。

　　**论文解读：典型钢板组合梁截面在长时间平面爆炸波下的荷载特性研究**

　　随着工业化进程的加快，高当量意外爆炸事故频发，爆炸波可辐射数公里。这类爆炸不仅对近场结构造成灾难性破坏，也对远场结构产生显著影响。桥梁作为陆路交通的关键节点，在国民经济和军事安全中具有不可替代的作用。现有研究表明，桥梁在远场爆炸波作用下容易受损，即使处于远场，长时间爆炸波仍保有足够能量导致桥梁结构破坏。因此，开展桥梁结构抗爆性能研究，对桥梁的防灾减灾设计、损伤评估与决策分析具有重要的理论意义和工程价值。

　　目前，针对远场爆炸的研究主要集中在H型柱、方柱和储罐结构上，相关研究确定了不同截面形状的阻力系数，但系统阐述结构表面流场特征和爆炸荷载分布规律的研究较少，且远场爆炸波对结构作用的固有机制尚未完全解释。钢板组合梁因其结构简单、成本低、施工方便等优点被广泛应用于城市桥梁建设中。然而，现有关于钢板组合梁抗爆性能的研究仍主要聚焦于近场爆炸，其结构表面流场特征与远场长时间平面波冲击下的情况差异显著，爆炸波的衍射和拖曳效应尚未被充分考虑。目前，长时间爆炸波作用下钢板组合梁周围的复杂流场特征和荷载分布规律尚未阐明，严重阻碍了桥梁的安全防护设计和灾害评估。

　　针对上述问题，研究人员本文首先通过激波管试验验证了远场爆炸冲击波流场数值方法的可靠性。随后，进行数值模拟以研究单个钢板组合梁在远场长时间爆炸波下的流场分布和荷载特性。鉴于远场爆炸场景中，作用于细长结构上的爆炸荷载通常假定沿跨度方向均匀，荷载特性主要由截面尺寸和几何形状决定，因此本文将钢板组合梁在远场爆炸荷载下的流场分析简化为二维可压缩流体动力学问题。研究考察了入射荷载强度和工字钢间距比对钢板组合梁截面升力、阻力特性、反射超压、冲量分布及流场结构的影响，并揭示了其物理机制。论文发表在《Results in Engineering》。

　　为了开展研究，研究人员采用了以下主要技术方法：首先，通过激波管试验验证了简化数值模型的可靠性，使用Fluent软件进行数值模拟。数值模型采用Realizable K-ε湍流模型描述大压差和流动分离条件下的湍流现象，并采用密度基隐式求解器耦合求解质量、动量和能量守恒方程。为保持与激波管试验的一致性，研究人员应用Hopkinson-Cranz缩放律将钢板组合梁截面尺寸按10:1比例缩小，同时将爆炸荷载正压持续时间按比例缩放。计算域入口边界设置为压力入口，通过定义总压、静压和总温度的时间历程曲线施加爆炸波荷载，出口边界设置为无反射压力出口。网格尺寸和时间步长经敏感性分析确定，最终采用4×4 mm网格和1×10-3ms时间步长。

　　研究人员分析了间距比为2的钢板组合梁截面在入射超压100 kPa至500 kPa下的阻力、升力和力矩。结果表明，阻力、升力和力矩在不同入射荷载下呈现相似趋势，且阻力冲量、升力冲量和力矩冲量的峰值随入射荷载增加而逐渐增大。阻力曲线 ms内出现两个明显峰值，第一个峰值源于爆炸波冲击左侧护栏梁产生的阻力，第二个峰值源于爆炸波作用于左侧工字钢腹板产生的阻力。升力曲线 ms内出现两个峰值，第一个峰值来自入射爆炸波作用于左侧桥面板悬臂段产生的升力，第二个峰值来自左侧工字钢腹板的反射波再次作用于同一悬臂段产生的升力。此外，升力曲线 ms内出现负值，这是由于入射爆炸波作用于桥面板上表面形成向下的压力场。

　　等效阻力系数（CD）在不同入射荷载下介于1.23至1.53之间，平均值约为1.41，各值偏离平均值最大不超过12%，因此工程计算中可采用平均阻力系数快速估算。等效升力系数（CL）随爆炸荷载增加从负值变为正值，并最终渐近稳定于0.26。当入射荷载从100 kPa增至300 kPa时，截面两工字钢之间的流场反射逐渐增强，导致升力增加，进而使升力系数增大；当入射荷载大于300 kPa时，流场变化特征基本一致，升力系数逐渐达到稳定值。

　　研究人员比较了入射压力200 kPa下间距比W/H为1、2、3时的阻力、升力和力矩曲线。结果表明，阻力随间距比增大变化很小，这是因为间距增大并未显著改变阻力方向的截面几何特征。然而，升力和力矩在不同间距比下变化显著。随着工字钢间距增大，升力减小而力矩增大，这是因为间距增大使桥面板宽度增加，从而增大了桥面板向下的压力，降低了升力；而力矩与力臂正相关，间距扩大使力臂增大，导致力矩增大。等效阻力系数随间距比增大逐渐趋近于1.41，但保持相对稳定（介于1.2至1.4之间），工程计算中可视为常数。等效升力系数则从正值逐渐减小至负值，变化范围为0.4至-0.2。值得注意的是，当间距比为2时，等效升力系数趋近于零（等于0.03），这表明较大间距比可能使失效模式从“抛射”（主梁沿正X/Y轴位移并沿力矩方向倾覆）转变为盖梁单侧倾覆（主梁沿正X轴位移并沿力矩方向倾覆）。这一结论可为桥梁失效模式快速分析提供支持，并为桥梁结构设计提供参考：若桥梁设计中将工字钢间距比设为2及以上，则上部结构在远场爆炸波冲击下不易发生落梁灾害。

　　研究人员在间距比W/H=2的截面布置了86个测点，分析了不同入射荷载下各测点的峰值反射超压和峰值冲量。结果表明，当截面几何轮廓不变时，各测点的峰值反射超压和峰值冲量在不同入射荷载下始终遵循相同趋势，且与入射荷载强度正相关。随着入射荷载强度增大，截面不同位置处的峰值反射超压和峰值冲量差异显著增大。例如，入射超压100 kPa时，最大峰值反射超压和峰值冲量分别为最小值的3.8倍和2.2倍；而当入射超压增至500 kPa时，相应倍数升至8.2和5.1，表明入射荷载增加加剧了钢板组合梁表面压力分布的不均匀性。

　　反射超压突变的测点位置大致可分为两个区域：一是迎风面测点超压显著高于相邻背风面测点，这是由于迎风面直接承受入射波并产生反射放大，背风面受几何阴影效应仅受衍射和稀疏波作用，压力降低；二是截面内角处测点反射超压显著高于相邻测点，这是因为内角几何构型起“爆炸波聚焦器”作用，使入射波与多次反射波在此空间叠加，形成局部强爆炸波。例如，入射超压500 kPa时，内角III处测点压力放大因子约为3.0，而平直壁面处约为2.3。研究人员进一步以500 kPa入射荷载为例，提取了典型位置测点的反射超压和冲量时程曲线，分析了护栏梁、工字钢腹板和主梁表面各测点的特征，揭示了爆炸波在结构表面的反射、衍射和多次反射机制。

　　研究人员比较了入射荷载200 kPa下间距比W/H=1、2、3时各测点的峰值反射超压和峰值冲量。结果表明，不同间距比下截面测点的峰值超压和冲量总体呈现相似的变化趋势，突变位置同样可分为几何阴影区和内角叠加区。然而，W/H=1时截面在区域“a”和“e”的内角处未出现明显的增强效应，这与之前的结论似乎矛盾。进一步分析表明，当间距比较小时，右侧工字钢仍处于左侧工字钢的“冲击阴影区”，左侧工字钢腹板对爆炸波产生显著的几何屏蔽效应，导致内角处压力降低。随着间距比增大，右侧工字钢逐渐移出直接阴影区，暴露于自由来流的面积增加，反射压力上升。对于不受几何屏蔽效应的区域（如区域“d”），不同间距比下测点反射超压时程和峰值基本一致。对于区域“e”，小间距比下左侧工字钢背风面压力显著降低，这是因为爆炸波在背风面发展不充分，主要受自身尾流区低压环境主导。

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　　研究人员通过密度梯度和反射超压分布云图直观展示了不同入射荷载下的流场结构。结果表明，不同入射荷载下爆炸波上游产生的流场结构基本相似：入射波在左侧护栏梁迎风面发生正反射，在护栏梁凸角处产生明显衍射，压力降低；随后爆炸波沿桥面板分为上、下两股，下股波继续冲击左侧工字钢腹板迎风面并产生规则反射，在工字钢翼缘处衍射；上股波沿桥面板传播直至被右侧护栏梁正反射。特别地，在入射超压100 kPa时，下股波绕左侧工字钢翼缘衍射后，在两工字钢腹板之间未发生反射；而在300 kPa和500 kPa时，爆炸波绕左侧工字钢翼缘后首先冲击右侧工字钢腹板，并在两腹板之间多次反射，形成局部增强效应，增加了截面升力。这从流场结构角度解释了升力和升力系数随入射荷载变化的原因。此外，内角位置（I、II、III）处反射超压显著增强，这是由于内角几何约束限制了爆炸波流动空间，迫使爆炸波在此处发生交叉、反射和汇合等复杂相互作用，导致局部压力升高。

　　研究人员还展示了不同入射荷载下的瞬时涡量云图。涡旋首先在左侧护栏梁和左侧工字钢后方产生，随后逐渐向爆炸波下游移动。低入射压力（100 kPa）时涡旋形状较规则，边界清晰；随着峰值超压增至300 kPa，涡旋开始扭曲；至500 kPa时，涡旋被严重拉伸，形状高度不规则，边界模糊。涡核为低压区，涡旋在物体背风侧形成并发展时，会在该侧产生局部低压区，加速压力场衰减。当涡旋向右侧护栏梁移动时，右侧护栏梁迎风面的压力衰减速率显著低于左侧护栏梁。

　　研究人员展示了不同间距比下的流场密度梯度和反射超压分布云图。结果表明，不同间距比下钢板组合梁截面的流场结构基本相似，主要差异同样在于两工字钢腹板之间。W/H=1时，由于间距较小，爆炸波绕左侧工字钢翼缘后立即冲击右侧工字钢翼缘，造成二次衍射，两腹板之间流场未充分发展，受左侧工字钢腹板几何屏蔽效应主导，形成较低压力场。随着间距比增大，爆炸波绕左侧工字钢翼缘后作用于右侧工字钢腹板，并在两腹板之间多次反射，产生较高反射压力场。然而，工字钢腹板之间压力场升高，但截面升力和升力系数反而下降。为进一步探究，研究人员比较了桥面板上下表面中点测点的峰值压力和峰值冲量。结果显示，上下表面中点反射压力均随间距比增大而上升，但峰值冲量呈现不同趋势。W/H=1时，下表面中点峰值冲量高于上表面中点；随着间距比增大，两者差异逐渐缩小。作用于桥面板上表面的压力逐渐主导截面升力，导致升力系数由正变负。因此，截面升力和升力系数随工字钢间距比增大而下降。此外，不同间距比下的瞬时涡量云图显示，小间距比（W/H=1）时流体受空间限制未能充分发展成完整稳定的涡旋结构，随着间距比增大，两工字钢之间逐渐形成较规则的涡旋结构，这在一定程度上加速了工字钢间反射压力的衰减速率，也可能是升力随间距比增加而下降的原因之一。

　　本研究系统数值研究了远场爆炸条件下典型钢板组合梁截面的长时间爆炸荷载特性。建立了工字钢间距比为1、2、3的钢板组合梁数值模型，利用入射峰值超压100 kPa至500 kPa的长时间爆炸波进行了参数分析，全面探究了截面阻力、升力和弯矩的演化规律，以及表面反射超压和冲量的空间分布特征，并阐明了爆炸波与流场的内在相互作用机制。主要结论如下：

　　（1）钢板组合梁截面的等效阻力系数对入射超压和工字钢间距比依赖性较弱。对于入射峰值超压100 kPa至500 kPa（马赫数Ma=1.05-1.25）的长时间平面爆炸波，建议该钢板组合梁截面的阻力系数取常值1.4。

　　（2）钢板组合梁的等效升力系数受入射超压和工字钢间距比共同影响。在固定间距比下，升力系数随入射荷载增加先上升后逐渐趋于平稳（0.26）。在恒定入射荷载下，等效升力系数随间距比增大而单调递减。

　　（3）在不同入射超压和工字钢间距比下，钢板组合梁截面的反射超压和冲量分布模式相似。根据爆炸波传播路径、壁面衍射行为和压力叠加机制，这些反射超压和冲量的突变区域可明确分为两类典型区域：几何阴影区和内角叠加区。几何阴影区源于梁结构自身对入射冲击路径的阻塞并伴随流动停滞；而内角叠加区则通过冲击波在结构内部凹角处的反射和汇聚叠加产生，导致局部反射超压急剧上升。

　　（4）当W/H=1时，下游工字钢处于“冲击阴影”中，形成低压区；当间距比较大时，半封闭空腔内的多次反射提升了局部压力。但反直觉的是，整体升力系数随间距比增大而减小，这是由于桥面板加宽后向下的主导压力所致。该发现为桥梁抗爆设计提供了指导：间距比≥2时，失效模式从垂向梁体抬升转变为侧向倾覆，降低了爆炸引起的倒塌风险。

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