梁板橋爆破拆除的數(shù)值模擬研究

吳可胤，余紅兵

(1.貴州貴安商貿(mào)投資有限公司， 貴州貴陽(yáng) 550025；2.貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司， 貴州貴陽(yáng) 550002)

梁板橋爆破拆除的數(shù)值模擬研究

吳可胤1，余紅兵2

(1.貴州貴安商貿(mào)投資有限公司， 貴州貴陽(yáng) 550025；2.貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司， 貴州貴陽(yáng) 550002)

為研究梁板橋爆破拆除中的失穩(wěn)機(jī)理，保護(hù)一側(cè)橋臺(tái)下方管道和附近居民樓，利用工程實(shí)例建立了有限元數(shù)值仿真模型，通過(guò)ANSYS數(shù)值模擬對(duì)梁板橋爆破拆除倒塌過(guò)程中的橋梁位移和應(yīng)力分布進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:在控制爆破微差時(shí)間作用下，使得橋面向某一側(cè)發(fā)生偏移坍塌，減小爆破危害的影響；橋面和橋臺(tái)之間發(fā)生鉸鏈旋轉(zhuǎn)，使得橋面斜搭在橋臺(tái)上，保護(hù)橋臺(tái)下面管道。高速攝影和爆破效果驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性并對(duì)相似工程實(shí)例提出了建設(shè)性意見(jiàn)。

梁板橋；爆破拆除；數(shù)值模擬；微差爆破

1 工程概況

某跨河公路梁板橋由于經(jīng)常有大噸位車(chē)輛從橋上通過(guò)，致使橋體嚴(yán)重受損成為一座特危橋[1]:橋面板開(kāi)裂；鋼筋籠鋼筋過(guò)細(xì)，箍筋銹蝕。因此對(duì)其實(shí)施爆破拆除，橋梁拆除前的整體結(jié)構(gòu)和剖面如圖1所示。橋右側(cè)下方有保護(hù)管道，右側(cè)距離民房最近只有5 m，因此必須實(shí)行控制爆破保護(hù)管道和民房不受爆破危害影響。

該橋是一座由預(yù)制板鋪設(shè)，爪形墩柱支撐的梁板橋，全橋長(zhǎng)60 m，寬3 m，每孔跨徑12 m。整個(gè)大橋共有4座墩柱。在7座墩柱的上方，支撐著5個(gè)橋孔。墩柱高8.5 m，剖面為0.4 m×0.4 m正方形。每座墩柱南北各有3根墩柱，其角度為15°。墩柱之間有3根3 m長(zhǎng)橫梁。在中間2座墩柱的橫梁處均設(shè)置固定支座。兩岸橋臺(tái)為漿砌料石結(jié)構(gòu)。

圖1 公路梁板橋整體結(jié)構(gòu)和剖面

2 爆破方案

根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，參照相似工程實(shí)例[2-5]，采用原地坍塌方案實(shí)施爆破，對(duì)墩柱和橫梁進(jìn)行爆破拆除，橋身結(jié)構(gòu)在自重作用下進(jìn)行解體，利用微差時(shí)間控制最大單響藥量，減小爆破危害，具體爆破拆除方案如下。

(1)采用水平淺孔爆破法，鉆孔采用7655型鑿巖機(jī)，孔徑40 mm；炸藥采用32 mm的乳化炸藥藥卷，孔深為25 cm，孔間距為30 cm。采用單排布孔方式。爪型柱每根立方柱上部 3個(gè)孔，下部 6個(gè)孔，每根支架梁左右各3個(gè)孔，共計(jì)288個(gè)炮孔，單耗q取0.8 kg/m3，每孔裝藥量取40 g。

(2)4個(gè)墩柱之間從中間向兩邊采用微差延時(shí)爆破，孔內(nèi)采用11段非電導(dǎo)爆管雷管，墩柱之間采用9段管進(jìn)行微差延期，從2號(hào)墩柱開(kāi)始起爆，其次為1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)墩柱。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

模擬采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，在ANSYS環(huán)境下建立有限元模型并進(jìn)行求解。采用分離式共節(jié)點(diǎn)模型，充分體現(xiàn)結(jié)構(gòu)倒塌過(guò)程中的拉應(yīng)力作用。由于橋體采用梁板結(jié)構(gòu)，且爪形墩柱和橫梁的不規(guī)則性，模型采用4面體劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸大小控制為 0.4 m，模擬中，地面單元選擇SHELL163單元，橋體單元選擇SOLID164單元[6-9]。模型完全按照實(shí)際結(jié)構(gòu)的尺寸1∶1建立，如圖2所示。

圖2 公路梁板橋分離式共節(jié)點(diǎn)模型

3.2 模擬結(jié)果分析

不考慮炸藥爆炸的影響，橋體在爆破切口形成后墩柱連接處應(yīng)力集中，在自重作用下塌落。因此在加載過(guò)程中，可以定義爆破切口上部的節(jié)點(diǎn)組元，通過(guò)向節(jié)點(diǎn)組元施加重力加速度的時(shí)程曲線來(lái)模擬橋梁的重力荷載。模型中約束爆破切口下部墩柱及地面所有節(jié)點(diǎn)單元，公路梁板橋模型除了需要約束爆破切口下部墩柱及地面所有節(jié)點(diǎn)單元外，還需要對(duì)橋梁兩個(gè)端面施加水平向上和垂直端面向里的力，以模擬橋臺(tái)的承載作用。在本次模擬分析中，采用主應(yīng)力控制爆破缺口墩柱的失效，主應(yīng)力和主應(yīng)變共同控制橋面在坍塌過(guò)程中的失效。圖3為不同時(shí)刻橋體的有效應(yīng)力云圖。

圖3 橋梁爆破坍塌過(guò)程有效應(yīng)力云圖

t＝0.31 s，1號(hào)起爆點(diǎn)起爆，在第二組爪型柱形成第一個(gè)爆破切口；t＝0.62 s，2號(hào)起爆點(diǎn)起爆，在第一、三組爪型柱形成第二組爆破切口；t＝0.93 s，3號(hào)起爆點(diǎn)起爆，在第四組爪型柱形成第三個(gè)爆破切口。左岸第一組爪型柱和第三組爪型柱向中間擠壓，第三組爪型柱上部與第四組爪型柱上部橋面在爆破弱化區(qū)域發(fā)生斷裂；t＝1.20 s，第二組爪型柱變形加大，壓應(yīng)力超過(guò)支架梁的屈服強(qiáng)度，支架梁破壞，爪型柱上部橋面受壓向中間擠壓折疊；t＝1.38 s，第一組爪型柱觸地，第二組爪型柱上部橋面折疊破壞；t＝1.73 s，第三個(gè)切口處的爪型柱開(kāi)始著地，第一組和第三組爪型柱上部橋面折疊破壞；t＝1.98 s，左岸橋臺(tái)附近的橋面開(kāi)始著地，右岸橋臺(tái)附近的橋面出現(xiàn)應(yīng)力集中。

根據(jù)以上分析，由于不同墩柱的起爆時(shí)間不同，不同橋面受到的應(yīng)力破壞情況都各不相同，其中，第一、二組爪型柱上部橋面主要受到壓破壞，第三、四組爪型柱上部選取右岸橋面兩個(gè)單元進(jìn)行橋面軸線方向的位移分析，所得的位移時(shí)間曲線見(jiàn)圖4。

圖4 右岸橋面單元位移時(shí)間曲線

從圖4分析得知，隨著第一和第三組爪型柱起爆形成爆破缺口(t＝0.62 s)，右岸橋面單元受到向左的拉力作用，產(chǎn)生Z軸正向微小變形。當(dāng)t＞1.1 s后，橋面單元受到右岸約束端作用，以約束端為轉(zhuǎn)軸向地面塌落，下落軌跡形如圓弧。說(shuō)明采用這種爆破施工方案，右岸橋梁底部管道不會(huì)受到上部橋面的沖擊作用，證明爆破順序是合理的。橋面主要受到拉破壞，整個(gè)橋面向左側(cè)偏移。

4 爆破效果

裝藥起爆后，爆破部位充分解體，橋身按設(shè)計(jì)下塌在自重作用下破碎，爆破飛石控制在10 m范圍之內(nèi)，通過(guò)TC-4850測(cè)振儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量測(cè)得附近居民樓最大振動(dòng)速度為0.75 cm/s，爆破危害滿足《爆破安全規(guī)程》GB6722-2014的安全要求，未對(duì)周?chē)?gòu)筑物構(gòu)成危害。

圖5為爆破倒塌后橋面狀態(tài)和實(shí)際爆破施工中橋體中跨塌落地后最終的堆散狀態(tài)示意圖，對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果，可以看到，橋面板基本保持完好，橋面都在支柱部位折斷，兩端分別搭接在墩柱上。數(shù)值模擬與工程實(shí)際非常吻合。從爆破效果上看，橋面整體塌落于地面上，墩柱充分解體；從中間第二組墩柱起爆，控制微差時(shí)間，鄰近橋面受到拉應(yīng)力作用，具有向該墩柱移動(dòng)的趨勢(shì)，控制橋身落地時(shí)重心向2號(hào)墩柱偏移；鄰近橋臺(tái)的橋面在墩柱爆破后以橋臺(tái)接觸點(diǎn)為支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，最后在重力作用下發(fā)生斷裂，但水平位移較小，使得橋面斜搭在橋臺(tái)上，使得底部留下足夠的保護(hù)空間。

圖5 爆破倒塌后橋面狀態(tài)和爆堆示意圖

5 結(jié) 論

(1)梁板橋的拆除只需在承重部分進(jìn)行爆破處理形成多個(gè)塑性鉸鏈，在橋體自重作用下，混凝土應(yīng)力迅速集中，很快達(dá)到失效強(qiáng)度，最后橋面板搭落在墩柱廢墟上。

(2)數(shù)值模擬再現(xiàn)了橋體從起爆到結(jié)構(gòu)失穩(wěn)倒塌的整個(gè)過(guò)程。對(duì)于需要保護(hù)的建(構(gòu))筑物一側(cè)，可以通過(guò)微差延遲時(shí)間控制起爆順序使得橋面向某一側(cè)偏移，增大保護(hù)側(cè)建(構(gòu))筑物與橋梁觸地點(diǎn)距離。

(3)利用橋臺(tái)和橋面接觸點(diǎn)形成鉸鏈發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，在重力作用下橋臺(tái)位置處橋面板水平位移較小致使橋面斜搭在橋臺(tái)側(cè)面，有利于對(duì)橋臺(tái)下方的管道等進(jìn)行保護(hù)。

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2015-12-07)

吳可胤(1977-)，貴州綏陽(yáng)人，爆破工程師，現(xiàn)從事爆破工程管理工作，Email:570771222@qq.com。