獨(dú)塔單索面預(yù)應(yīng)力斜拉橋爆破拆除倒塌解體過程分析*

黃小武，謝先啟，陳德志，劉昌邦，伍 岳，周祥磊

(1.武漢科技大學(xué) 理學(xué)院，武漢 430065；2.江漢大學(xué) 精細(xì)爆破國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430056；3.武漢爆破有限公司，武漢 430056；4.中鋼集團(tuán) 武漢安全環(huán)保研究院有限公司，武漢 430081)

拆除爆破是爆破工程的重要分支，相比人工、機(jī)械拆除方式，爆破拆除技術(shù)在一次性拆除高大建筑物、高聳構(gòu)筑物和超長(zhǎng)橋梁等對(duì)象時(shí)，其安全、高效、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)尤為顯著。近年來，國(guó)內(nèi)外實(shí)施了多項(xiàng)不同結(jié)構(gòu)類型橋梁的爆破拆除項(xiàng)目，有城市高架橋、跨江/河拱橋(梁橋)、鋼結(jié)構(gòu)橋和斜拉橋等等。例如，湖北省武漢3.5 km沌陽高架橋(簡(jiǎn)支梁橋)、四川省簡(jiǎn)陽590.08 m沱江大橋(雙曲拱橋)、美國(guó)紐約舊塔潘齊大橋(鋼結(jié)構(gòu)橋)。橋梁爆破拆除技術(shù)比較成熟，爆破工程師們?cè)诳偨Y(jié)實(shí)踐成果的基礎(chǔ)上，得到了橋梁爆破拆除中關(guān)于爆破切口、起爆網(wǎng)路、延期時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以及合理的安全防護(hù)措施和科學(xué)的現(xiàn)代管理方法[1-4]。一方面，在工程實(shí)踐中，橋梁爆破拆除的對(duì)象多為梁式橋和拱橋，斜拉橋則相對(duì)較少，有關(guān)斜拉橋爆破拆除技術(shù)及其科學(xué)問題研究更不多見。另一方面，斜拉橋由于其結(jié)構(gòu)形式合理、跨越性能良好、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、外形優(yōu)美等優(yōu)點(diǎn)，在大跨度橋梁中占比逐年增大。因此，斜拉橋爆破拆除技術(shù)及其相關(guān)課題值得深入探究，為以后類似爆破拆除工程提供技術(shù)儲(chǔ)備。

斜拉橋是由主塔、主梁、斜拉索三種基本構(gòu)件組成，屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)體系，橋面以加勁梁受壓或受彎為主，支撐體系主要是斜拉索受拉及橋塔受壓為主[5]。斜拉橋爆破拆除技術(shù)研究方面，周祥磊等采用橋面原地坍塌爆破技術(shù)與主塔定向控制爆破技術(shù)相結(jié)合的手段成功爆破拆除了獨(dú)塔單索面預(yù)應(yīng)力斜拉橋[6]，爆破效果良好。斜拉橋動(dòng)態(tài)沖擊響應(yīng)問題研究方面，陳祺以安徽省內(nèi)某千米級(jí)斜拉橋?yàn)楸尘斑M(jìn)行了整船整橋碰撞模擬分析，依據(jù)模擬分析得到的最大碰撞力、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等數(shù)據(jù)[7]，為橋梁設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。戴智涵根據(jù)某斜拉橋工程模型建立了A型斜拉橋橋塔有限元模型，運(yùn)用LS-DYNA軟件，采用“三階段連續(xù)耦合”有限元方法對(duì)橋塔爆炸損傷破壞直至倒塌全過程進(jìn)行了數(shù)值模擬[8]，研究了橋塔局部破壞和整體倒塌階段過程，分析了橋塔局部響應(yīng)和整體響應(yīng)階段的破壞機(jī)理和破壞模式。Cyrille Denis Tetougueni等通過非線性動(dòng)力分析，對(duì)三種結(jié)構(gòu)形式的斜拉橋的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了評(píng)估[9]，并根據(jù)不同的荷載參數(shù)和荷載位置，得出了斜拉橋可能的直接和即將發(fā)生的損傷。Hashemi S K通過估算爆炸荷載、構(gòu)建精細(xì)的仿真模型和合理的材料參數(shù)，分析了橋面上方和橋塔附近不同爆炸位置以及不同爆炸范圍情況下，斜拉橋結(jié)構(gòu)構(gòu)件在爆炸荷載作用下的局部破壞規(guī)律以及整體結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌趨勢(shì)[10,11]。Edmond K.C.分析了斜拉橋在距離橋塔和橋墩0.5 m、橋面上方1.0 m處遭受1000 kg TNT當(dāng)量的爆炸荷載作用下，橋塔、橋墩和橋面的損傷機(jī)理和嚴(yán)重程度，并研究了橋梁在采用FRP加固橋梁后跨時(shí)的抗爆效果[12,13]。

有關(guān)斜拉橋動(dòng)態(tài)沖擊破壞問題研究，多集中在橋塔、主梁和斜拉索等主要構(gòu)件受碰撞、爆炸等偶然動(dòng)荷載作用下的損傷破壞規(guī)律，而關(guān)于斜拉橋整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)倒塌規(guī)律的相關(guān)研究相對(duì)較少。本文以文獻(xiàn)[6]為工程背景，通過LS-DYNA動(dòng)力學(xué)有限元軟件構(gòu)建等比例獨(dú)塔單索面預(yù)應(yīng)力斜拉橋有限元模型，計(jì)算其爆破拆除時(shí)的失穩(wěn)倒塌運(yùn)動(dòng)全過程，重點(diǎn)分析主塔、主梁和斜拉索的動(dòng)力響應(yīng)特征，并研究各主要構(gòu)件的沖擊破壞規(guī)律。

1 獨(dú)塔單索面預(yù)應(yīng)力斜拉橋有限元模型

1.1 主塔、主梁及斜拉索模型

獨(dú)塔單索面預(yù)應(yīng)力斜拉橋由主塔、墩柱、橋梁和斜拉索組成，橋梁結(jié)構(gòu)如圖1所示。主塔為空心鋼筋砼結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)5 m，寬2.7 m，高64 m，內(nèi)圈為勁性骨架，采用C50號(hào)混凝土，主塔重量約為1856 t。主墩為實(shí)心鋼筋砼結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)17 m，寬5 m，河床面以上高9.5 m。橋梁由19個(gè)梁塊、合攏段和協(xié)作體系組成，主梁為單箱三室預(yù)應(yīng)力砼薄腹箱梁，梁塊呈倒梯形，上邊長(zhǎng)24.7 m，下邊長(zhǎng)13.5 m，高2.2 m，板壁厚為0.25 m。見圖2。9對(duì)斜拉索分別施加軸向預(yù)應(yīng)力，呈平行對(duì)稱布置，水平夾角為30°，梁上索距為9 m。獨(dú)塔單索面預(yù)應(yīng)力斜拉橋爆破拆除方案，詳見文獻(xiàn)[6]。

圖 1 斜拉橋模型Fig. 1 Cable-stayed bridge model

圖 2 主梁橫截面(單位：m)Fig. 2 Cross section of main beam(unit:m)

斜拉橋的主塔、主墩均采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，主梁采用4節(jié)點(diǎn)殼單元，斜拉索采用梁?jiǎn)卧?。網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)為4cm，局部有限元網(wǎng)格精細(xì)劃分，整個(gè)有限元模型包含131456個(gè)實(shí)體單元、70550個(gè)殼單元、2948個(gè)梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)總數(shù)為258840。見圖3、圖4。

圖 3 斜拉橋有限元模型Fig. 3 FEM model of cable-stayed bridge

圖 4 主梁網(wǎng)格單元Fig.4 Mesh elements of main beam

1.2 材料模型及關(guān)鍵參數(shù)

鋼筋混凝土材料采用“整體式”模型[14]，其失穩(wěn)倒塌破壞過程的彈塑性力學(xué)行為采用PLASTIC_KINEMATIC(MAT_003)材料模型來描述，該材料模型需要定義的參數(shù)較少，使用方便，計(jì)算效率較高；通過定義失效應(yīng)變參數(shù)εf=0.0065，控制實(shí)體單元的破壞失效。斜拉索只承受拉力而不能承受壓力，采用離散單元材料模型CABLE_DISCRETE_BEAM(MAT_071)進(jìn)行模擬?？紤]斜拉索的預(yù)應(yīng)力，自外向內(nèi)每3根拉索的預(yù)應(yīng)力分別為7.0 MPa、6.5 MPa和6.0 MPa。主塔爆破切口形成瞬間，斜拉索預(yù)應(yīng)力開始松弛，設(shè)置預(yù)應(yīng)力持續(xù)時(shí)間為1.6 s。索單元兩端采用共節(jié)點(diǎn)方式分別與主梁和主塔連接，臨近的單元采用剛體材料RIGID(MAT_020)實(shí)現(xiàn)錨固效果。河床簡(jiǎn)化為平面，也采用剛性材料。見表1。

1.3 初始應(yīng)力與動(dòng)態(tài)接觸算法

在爆破切口形成前，考慮橋梁結(jié)構(gòu)的自身重力和斜拉索預(yù)應(yīng)力，分析斜拉橋的初始應(yīng)力狀態(tài)。在前處理過程中，將結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)定義為節(jié)點(diǎn)組，通過定義重力加速度時(shí)程曲線，利用關(guān)鍵字*LOAD_BODY_GENERIZED將重力荷載施加到結(jié)構(gòu)上。為避免顯式突加荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的震蕩效應(yīng)，采用半波余弦函數(shù)形式的加載曲線作為重力荷載，其表達(dá)式為

表 1 材料物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of material

(1)

式中：g為重力加速度；t0為正弦加載時(shí)間。

為得到穩(wěn)定的重力場(chǎng)，通過試運(yùn)算，可知整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)在1.6 s后振動(dòng)趨于穩(wěn)定；即爆破切口范圍的實(shí)體單元在1.6 s后通過MAT_ADD_EROSION定義失效時(shí)間實(shí)現(xiàn)失穩(wěn)倒塌效果。

有限元網(wǎng)格界面之間的動(dòng)態(tài)接觸采用罰函數(shù)法定義，該方法通過定義主動(dòng)節(jié)點(diǎn)與接觸面之間的虛擬法向界面彈簧，從而避免網(wǎng)格界面之間相互穿透[15]。采用自動(dòng)侵蝕單面接觸模式(CONTACT_AUTOMATIC_ERODING_SINGLE_SURFACE)避免不同材料性質(zhì)的實(shí)體單元網(wǎng)格界面的穿透(如橋塔-主梁、橋塔-地面和主梁-地面之間的接觸)；采用自動(dòng)點(diǎn)面接觸模式(CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE)避免梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)在不同尺寸網(wǎng)格之間的穿透(如斜拉索-主梁和斜拉索-地面之間的接觸)。

2 仿真結(jié)果及分析

通過LS-PrePost后處理軟件讀取斜拉橋爆破拆除失穩(wěn)倒塌過程，如圖5所示，斜拉橋失穩(wěn)、倒塌、觸地整個(gè)過程總歷時(shí)約9.9 s，倒塌過程與文獻(xiàn)[6]的觀測(cè)結(jié)果基本吻合。

圖 5 斜拉橋爆破拆除失穩(wěn)倒塌過程Fig. 5 Collapse process of cable-stayed bridge induced by blasting demolition

2.1 主塔倒塌過程分析

選取主塔頂部7390號(hào)單元，讀取其豎向位移、豎向速度時(shí)程曲線，如圖6所示。可以看出，塔身運(yùn)動(dòng)過程總體呈現(xiàn)“首次下坐→緩慢偏轉(zhuǎn)→二次下坐→加速偏轉(zhuǎn)”四個(gè)階段：(1)主塔爆破切口形成時(shí)，出現(xiàn)“首次下坐”(從1.6 s至3.2 s)，塔身失重、超重狀態(tài)轉(zhuǎn)換頻率快，導(dǎo)致爆破切口附近的單元壓潰失效，主塔爆破切口逐漸閉合；(2)塔身開始朝著設(shè)計(jì)的倒塌方向緩慢偏轉(zhuǎn)(從3.2 s至6.2 s)；(3)主墩爆破切口形成(6.2 s)，塔身出現(xiàn)“二次下坐”(從6.2 s至7.8 s)，塔身失重、超重狀態(tài)轉(zhuǎn)換頻率較慢；(4)塔身繞著底部支點(diǎn)加速偏轉(zhuǎn)，觸地瞬間豎向速度峰峰值達(dá)41.3 m/s，與河床地面高速?zèng)_擊，直接導(dǎo)致主塔端部破碎解體。

2.2 斜拉索動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

依次選取1#～18#斜拉索的中間單元，讀取其軸向應(yīng)力時(shí)程曲線，其動(dòng)態(tài)特征基本相似；以14#拉索中間26370號(hào)單元的軸向應(yīng)力時(shí)程曲線為例，如圖7(a)所示。從圖中可以看出，自主塔爆破切口形成時(shí)(1.6 s)，斜拉索預(yù)應(yīng)力松弛歸零。在主塔爆破切口形成時(shí)(2.3 s)，斜拉索軸向應(yīng)力陡增，并到達(dá)峰峰值。在隨著主塔定向倒塌的過程中，軸向應(yīng)力起伏振蕩頻繁。依次讀取1#～18#斜拉索在2.3 s時(shí)的峰峰值，如圖7(b)所示。由圖可見，各處斜拉索的峰峰值呈現(xiàn)無規(guī)律性的起伏變化，左側(cè)斜拉索軸向應(yīng)力峰峰值區(qū)間為[7.16 MPa，11.5 MPa]，右側(cè)斜拉索軸向應(yīng)力峰峰值區(qū)間為[4.81 MPa，14.9 MPa]。

圖 6 主塔頂部單元(No.7390)運(yùn)動(dòng)過程Fig. 6 Movement process of top element (No.7390) on main tower

圖 7 斜拉索動(dòng)力響應(yīng)特征Fig. 7 Dynamic response characteristic of stay cables

2.3 主梁坍塌過程分析

依次讀取斜拉橋主梁左側(cè)端點(diǎn)(No.72495)、1/4處(No.80475)和中間位置(No.66435)3處節(jié)點(diǎn)的豎向位移時(shí)程曲線，如圖8(a)所示。計(jì)算結(jié)果表明，端點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)和1/4處節(jié)點(diǎn)的豎向位移時(shí)域特征幾乎一致，總體經(jīng)歷了兩次坍塌過程：(1)主塔爆破切口形成后(1.6 s)，斜拉索預(yù)應(yīng)力松弛歸零，主梁垂直坍塌；(2)主墩爆破切口形成后(6.2 s)，主梁繼續(xù)坍塌。而斜拉橋中間位置節(jié)點(diǎn)由于主墩的支撐作用，只在主墩爆破切口形成后，經(jīng)歷了一次坍塌觸地過程。但是，文獻(xiàn)[6]的影像資料表明，除主梁的中間部分受主墩支撐作用外，兩側(cè)的梁體在主塔爆破切口形成后直接一次性坍塌觸地，并沒有經(jīng)歷兩次坍塌過程。究其原因，是由于主梁在有限元建模時(shí)簡(jiǎn)化為連續(xù)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致計(jì)算剛度大于實(shí)際剛度，造成主梁自斜拉索預(yù)應(yīng)力解除至主墩爆破切口形成(1.6～6.2 s)，仍然能夠支撐起自身結(jié)構(gòu)。

選取主塔爆破切口閉合時(shí)刻(3.2 s)，依次讀取主梁上斜拉索錨點(diǎn)(Sx=0的位置對(duì)應(yīng)主塔)的豎向位移，如圖8(b)所示。結(jié)果表明，在主墩的支撐作用下，主梁整體呈現(xiàn)“中間高、兩頭低”的姿態(tài)，最大位移差為2.62 m，剪切破壞作用明顯。

圖 8 主梁動(dòng)力響應(yīng)特征Fig. 8 Dynamic response characteristic of main beam

3 結(jié)論

依托金婺大橋爆破拆除工程案例，通過動(dòng)力學(xué)有限元仿真技術(shù)模擬了斜拉橋整體模型失穩(wěn)、倒塌全過程，重點(diǎn)分析了主塔、斜拉索和主梁三大基本構(gòu)件的倒塌運(yùn)動(dòng)過程及其動(dòng)力學(xué)特征，得到如下結(jié)論：

(1)離散單元材料模型CABLE_DISCRETE_BEAM(MAT_071)可以很好地模擬斜拉索的預(yù)應(yīng)力作用，以及失穩(wěn)倒塌過程中斜拉索的動(dòng)力學(xué)特征；采用半波余弦函數(shù)形式的加載曲線作為重力荷載，有效避免了顯式突加荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的震蕩效應(yīng)。

(2)主塔定向倒塌是斜拉橋失穩(wěn)倒塌的核心，塔身運(yùn)動(dòng)姿態(tài)符合爆破設(shè)計(jì)方案，總體呈現(xiàn)“首次下坐→緩慢偏轉(zhuǎn)→二次下坐→加速偏轉(zhuǎn)”四個(gè)階段；主塔端部觸地瞬間豎向速度峰峰值達(dá)41.3 m/s，與河床地面高速?zèng)_擊，直接導(dǎo)致端部破碎解體。

(3)斜拉索自主塔爆破切口形成時(shí)(1.6 s)預(yù)應(yīng)力松弛歸零，在主塔爆破切口形成時(shí)(2.3 s)軸向應(yīng)力陡增，并到達(dá)峰峰值；在隨著主塔定向倒塌的過程中，斜拉索軸向動(dòng)力響應(yīng)復(fù)雜，應(yīng)力起伏振蕩頻繁，應(yīng)力峰峰值區(qū)間為4.81～14.9 MPa。

(4)在主墩的支撐作用下，主梁在失穩(wěn)坍塌過程中整體呈現(xiàn)“中間高、兩頭低”的姿態(tài)，最大位移差為2.62 m，局部剪切破壞作用明顯。