懸索拱橋爆破拆除的有限元力學(xué)分析

馮曉臣

（沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽110159）

隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，越來越多的橋梁已不能滿足安全使用、交通暢通的需求，需要對其進(jìn)行爆破拆除[1]。經(jīng)過數(shù)十年的實踐，廣大爆破工作者在橋梁拆除爆破領(lǐng)域已經(jīng)積累了非常豐富的經(jīng)驗，但是，隨著爆破的作業(yè)環(huán)境變得越來越復(fù)雜，給橋梁爆破作業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)[2]。另外，當(dāng)前最常用的控制爆破拆除技術(shù)，其規(guī)范仍處于定性設(shè)計的范疇，理論研究落后于工程實踐，爆破事故時有發(fā)生，限制了此技術(shù)的發(fā)展[3]。因此選擇高效、經(jīng)濟(jì)、安全的橋梁拆除方案顯得尤為重要[4]。所以通過ANSYS 有限元軟件對橋梁進(jìn)行數(shù)值模擬受力分析，并即將其受力分析的結(jié)果應(yīng)用于爆破方案的設(shè)計，可以較為合理的設(shè)計橋梁爆破方案。

1 有限元軟件簡介

ANSYS 軟件是美國ANSYS 公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，它是世界范圍內(nèi)增長最快的CAE 軟件，能夠進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體、以及電磁場等學(xué)科的研究，在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[4]。它能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析、非線性分析以及結(jié)構(gòu)疲勞分析等，因其具有的強(qiáng)大功能，它被應(yīng)用于各行各業(yè)，幾乎能夠滿足用戶的各種復(fù)雜模型分析。

2 模擬結(jié)果及受力分析

2.1 施加位移約束：在懸索拱橋左端的9 號和25 號節(jié)點處施加位移約束，使其在X、Y、Z 三個方向上不能發(fā)生位移。在右端的16 號和32 號節(jié)點處施加Y 和Z 兩個方向上的位移約束使之不能發(fā)生位移。

2.2 施加集中力：在懸索拱橋的一側(cè)位置即11、12、13、14 節(jié)點處施加-1x108N 大小的集中力，方向為Y 方向。另一側(cè)施加同樣大小和方向的集中力。

2.3 施加重力：在建模前已經(jīng)選取了橋體框架和橋面的材料模型，同時定義了它們的彈性模量、泊松比和密度大小。根據(jù)橋梁的體積系統(tǒng)能自動計算出橋梁的重力，如圖1 所示。在1x108N 大小的載荷下橋梁發(fā)生結(jié)構(gòu)變形如圖2 所示。

圖1 施加載荷后的模型

圖2 結(jié)構(gòu)變形圖

因為橋梁的左端被固定，右端只能發(fā)生X 方向上的位移，在重力的作用下，橋面下面的拱橋支柱向左發(fā)生位移，左端橋面逐漸向下傾斜，然后中間橋面向下塌陷，整座橋梁向左小幅度偏移，橋面上的各節(jié)點發(fā)生不同程度的位移。整座橋體發(fā)生變形后，橋面開裂。由于橋面發(fā)生塌陷，所以懸索和橋拱隨著橋面向下而發(fā)生變形。橋梁的平衡被打破，整體發(fā)生失穩(wěn)。如圖3 和圖4 所示。

圖4 節(jié)點位移矢量圖

通過圖3 可以看出，橋梁兩端發(fā)生位移最小，從左到右位移逐漸增大然后再減小，直至在右端懸索與橋拱連接處以及橋拱和橋面連接處達(dá)到最大，隨后再緩慢減小。圖3 清晰的表示出了橋梁各個部件的位移發(fā)生情況，對橋梁拆除爆破的設(shè)計具有一定的參考價值。

圖6 剪力圖

圖7 彎矩圖

圖5、圖6 和圖7 分別是橋梁在1x108N 載荷下的軸力圖、剪力圖和彎矩圖。從圖5 可以看出，橋拱一側(cè)的兩端軸力最小，另一側(cè)的軸力大小變化趨勢是從左到右逐漸增加。橋面下面的橋拱支座軸力最大。圖6 顯示了橋梁最左側(cè)的橋拱剪力最小，左端橋面下面的豎直橋體支座和右端的橋拱所受剪力最大。橋面上方的橋拱剪力變化是從左到右逐漸減小。圖7 是彎矩圖，在橋面上方的橋拱兩端即橋面和橋拱連接處彎矩最大，橋面下的橋拱支座彎矩最小。從3 號節(jié)點到6 號節(jié)點彎矩是先減小后增大再減小，從6 號節(jié)點到7 號節(jié)點彎矩大小是逐漸增大，直至達(dá)到最大值。由對稱性可知，另一側(cè)的彎矩情況和剛才分析的一樣。三幅圖中懸索的軸力，剪力和彎矩大小都是所在圖中所受力的中間值。由上述受力分析可知，在進(jìn)行橋梁的爆破拆除時，可根據(jù)受力情況布置炮孔。受力大的部位，炮孔少，裝藥量少，受力小的部位，炮孔和裝藥量相對多一些。

表1 是各節(jié)點位移，每個節(jié)點的位移都不一樣。其中8 號節(jié)點在X 軸方向上位移最大，6 號節(jié)點在Y 軸方向位移最大，5 號節(jié)點在Z 軸方向上最大。從表2 可以看出9 號節(jié)點所受軸力最小，8 號節(jié)點所受軸力最大。剪力大小則是8 號節(jié)點最小，7 號節(jié)點最大。軸力主要集中在橋梁的橋拱和懸索上，彎矩次之，最后是剪力。從橋梁的總體受力情況來看，軸力是最主要的，剪力和彎矩很小，有的部位甚至為零，所以橋梁塌陷時的受力分析主要放在拱橋和懸索上。

表1 各節(jié)點在三個坐標(biāo)軸方向的位移

表2 各節(jié)點元素上受軸力、剪力和彎矩的情況

結(jié)束語

運(yùn)用ANSYS 軟件建立懸索拱橋的有限元模型，模擬了橋梁在集中力的作用下的位移變化以及結(jié)構(gòu)變形情況，運(yùn)用結(jié)構(gòu)靜力學(xué)方法對橋梁進(jìn)行受力分析。當(dāng)對懸索拱橋進(jìn)行爆破拆除時可根據(jù)懸索拱橋的受力情況合理設(shè)計爆破拆除方案。最后通過對橋梁的仿真模擬，為以后其它類型的橋梁的分析提供了借鑒，具有一定的現(xiàn)實參考意義。