基于數(shù)值模擬的多跨簡支梁橋拆除爆破技術(shù)

蔣文俊，唐春海，程貴海

(廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院，南寧 530004)

隨著國家持續(xù)對公共基礎(chǔ)設(shè)施不斷投入與完善，高速公路改擴建項目日益增多，許多高速公路橋梁因不能滿足日益增長的交通需求而面臨拆除。然而許多改擴建項目是在既有線上完成的，新建橋梁位置與待拆除橋梁位置在空間上會產(chǎn)生一定的重疊，為了較小程度的影響現(xiàn)有交通，一般是在待拆橋梁一側(cè)先新建一座橋梁，達到通行條件后，再拆除舊橋梁。簡支梁橋廣泛應(yīng)用在高速公路中，隨著改擴建高速公路項目持續(xù)推進，簡支梁橋拆除是某些公路施工中不可避免的問題，因此，鄰近新建橋梁的簡支梁橋拆除將是未來道路施工中經(jīng)常遇到的問題[1-2]。并且部分項目緊鄰城區(qū)，周邊環(huán)境復(fù)雜，需要保護的建(構(gòu))筑物較多，在確保橋梁順利拆除的同時又要嚴格控制爆破危害效應(yīng)，這對爆破技術(shù)提出了更高的要求，緊鄰運營新橋的簡支梁橋拆除爆破技術(shù)成為了一項值得深入研究的技術(shù)問題。

隨著計算機水平與拆除爆破相關(guān)理論不斷的進步，正確地使用AUTODYN與ANSYS/LS-DYNA等數(shù)值模擬軟件進行爆破模擬分析可以預(yù)先得到待拆橋梁合理的爆破參數(shù)，為爆破設(shè)計與施工提供指導(dǎo)[3]。

本文針對柳南高速公路改快速路工程(三岸收費站-那容互通立交)(三岸收費站～那平江)項目那平大橋拆除爆破工程，運用數(shù)值模擬技術(shù)對橋梁的主要承重墩柱進行了爆炸分析，確定了墩柱炮孔合理的孔距、孔深、單耗以及單孔裝藥量，待拆除橋梁的炮孔數(shù)量及單孔裝藥量得到了精準(zhǔn)控制；運用數(shù)值模擬技術(shù)對橋梁進行倒塌分析，對橋梁的倒塌方式以及分段延時的合理性進行了驗證；橋梁采用定向傾斜倒塌，確保了待拆橋梁的倒塌方向及倒塌范圍可控，并且保證了橋梁在倒塌過程中不會對新橋產(chǎn)生影響；橋梁采用一次拆除爆破，對現(xiàn)有交通影響較小。

本文的研究對今后復(fù)雜環(huán)境下的高速公路多跨簡支梁橋拆除爆破施工、有限元數(shù)值模擬計算結(jié)果指導(dǎo)實際拆除爆破施工提供了寶貴的經(jīng)驗，在類似爆破工程中具有很好的應(yīng)用前景。

1 工程概況

1.1 待拆橋梁規(guī)模及結(jié)構(gòu)尺寸

那平大橋?qū)儆诙嗫缪b配式簡支梁橋，全長105 m，總寬28 m(斜寬39.57 m)，分左右兩幅，單幅寬13.65 m，兩幅間隔0.7 m，河面以上高16 m。全橋共5跨，長5×20 m，兩側(cè)有橋臺外伸長2.5 m；橋身為預(yù)制結(jié)構(gòu)，總寬28 m，分左右兩幅，單幅13.65 m；橋身下部為4列橋墩支撐，與橋身呈45°斜向布置，每列6根墩柱，墩柱上部直徑1.3m、高h1=9.772～10.02 m，下部直徑1.5 m、高4.576～6.376 m，h2=2.576～3.376 m；單幅由10根空心梁拼接而成，預(yù)制梁長20 m，寬1.265 m，高0.95 m，中空直徑0.55 m，壁厚0.175 m，底厚0.2 m，頂厚0.2 m；上部橋面鋪裝0.2 m；橋臺長39.57 m，寬4.5 m，高2.539 m，其中蓋梁長39.57 m，寬2.4 m，高1.2 m，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，那平大橋結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 那平大橋結(jié)構(gòu)

1.2 周邊環(huán)境

那平大橋周邊環(huán)境極其復(fù)雜，東西兩側(cè)連接原柳南高速公路，東側(cè)179 m有村莊民房，東北側(cè)227 m有村莊民房；南側(cè)為新建大橋，新舊兩橋橋面最近水平距離僅0.94 m(新橋橋面高0.5 m)，下部橋墩間最近距離僅10.7 m，新橋墩與舊橋垂直水平距離僅8.5 m，南側(cè)156 m為半島閑居小區(qū)；西南側(cè)78 m為南寧市仙葫學(xué)校圍墻，圍墻內(nèi)為球場，與學(xué)校樓房最近距離193 m；西側(cè)289 m有村莊民房；北側(cè)300 m范圍內(nèi)無村莊民房、管線等重要保護建(構(gòu))筑物，爆破區(qū)域周邊環(huán)境如圖2所示。

圖2 周邊環(huán)境

1.3 工程難點

1)周邊環(huán)境復(fù)雜，新建橋梁與待拆除橋面最近水平距離僅0.94 m，待拆除橋梁在爆破倒塌過程中要確保新橋的結(jié)構(gòu)安全，同時也要確保周邊其他建(構(gòu))筑物的安全，爆破防護要求嚴格。

2)待拆除橋梁鋼筋密度大，對鉆孔要求較高，炮孔精準(zhǔn)度較難控制。

3)待拆除橋梁墩柱多，炮孔數(shù)量多，要確保倒塌方式及延時合理，起爆網(wǎng)路可靠。

2 數(shù)值模擬

2.1 墩柱爆炸數(shù)值模擬

根據(jù)待拆除橋梁的結(jié)構(gòu)特點，橋梁能否順利倒塌關(guān)鍵在于對墩柱支撐結(jié)構(gòu)的破壞[4-5]，在對類似大型橋梁正式實施爆破施工前，前期通常會進行相應(yīng)的試爆實驗，驗證單耗、孔排距等爆破參數(shù)取值的合理性。采用AUTODYN軟件，運用數(shù)值模擬技術(shù)來驗證相關(guān)爆破參數(shù)的準(zhǔn)確性。由于待拆除橋梁地面上的墩柱主要以直徑1.3 m的墩柱為主，考慮到硬件設(shè)施條件有限，因此，取一段高2 m直徑為1.3 m的墩柱進行模擬計算。

2.1.1 墩柱有限元模型

對模擬墩柱爆破部位設(shè)計單排布置炮孔方式，炮孔直徑d=38 mm，采用φ32 mm巖石乳化炸藥，規(guī)格為300 g/卷，單卷長度為30 cm，設(shè)計孔深L=0.87 m，抵抗線W=0.43 m，孔距a=0.5 m，單耗q=0.65 kg/m3,單孔裝藥量Q=qsa=0.43 kg[6](s為墩柱橫截面面積)，共布置3個炮孔且同時起爆，墩柱炮孔布置及裝藥如圖3所示。墩柱有限元模型如圖4所示，鋼筋及藥包布置如圖5所示。

圖3 炮孔布置及裝藥

圖4 墩柱有限元模型

圖5 鋼筋及藥包布置

2.1.2 墩柱在爆炸荷載下的損傷破壞分析

由鋼筋混凝土墩柱在爆炸荷載下的損傷破壞過程(見圖6)可知，t=2.25 ms時，由于混凝土受到強烈的徑向壓縮，使得混凝土單元產(chǎn)生徑向位移，導(dǎo)致了墩柱外部混凝土徑向擴張，可以看到墩柱頂部與中部出現(xiàn)了輕微的鼓包；t=9.3 ms時，墩柱外表面炮孔最小抵抗線方向形成較多徑向裂隙，小部分混凝土失效，由于墩柱模型中頂面為自由面，而墩柱外側(cè)混凝土與鋼筋共同受力，即使1號炮孔藥包中心與頂面的距離(0.5 m)大于最小抵抗線(0.43 m)，墩柱頂面中部較炮孔最小抵抗線方向出現(xiàn)了較大部分混凝土破碎并向上逸散的現(xiàn)象；t=12 ms時，墩柱外側(cè)混凝土持續(xù)擴張，由于墩柱底部為固定端，受到的牽制作用較強，底部的鋼筋混凝土向外擴張幅度較?。籺=19 ms時，除了墩柱底部跟頂部有少量的混凝土與鋼筋黏結(jié)在一起之外，墩柱其余部位的混凝土幾乎全部破碎并脫離鋼筋骨架，主筋在拉、壓、剪力的作用下變形，具有一定向墩柱內(nèi)側(cè)的彎曲弧度，炮孔兩端主筋的彎曲幅度比其他主筋大，部分箍筋斷裂并脫離柱體，此時墩柱可視為被完全破壞，基本上喪失了承載能力，從模擬的結(jié)果來看，模擬的爆破參數(shù)達到了設(shè)計要求。

圖6 墩柱在爆炸荷載下破壞過程及爆后鋼筋骨架形態(tài)

2.2 待拆橋梁倒塌數(shù)值模擬

待拆除橋梁在爆破倒塌過程中，如何保證新橋的結(jié)構(gòu)安全是爆破設(shè)計的難點，并且在拆除爆破舊橋時既不影響新橋同時又要控制爆破振動及其他爆破危害[7]。因此，具體采用何種倒塌方式才能最大限度的保護新橋需要提前驗證。本部分利用ANSYS/LS-DYNA軟件，選取待拆除橋梁的南幅進行數(shù)值模擬研究，主要研究橋梁上部結(jié)構(gòu)的倒塌過程[8]。

2.2.1 橋梁倒塌方案初擬

多跨簡支梁橋的橋跨結(jié)構(gòu)從左至右(南寧-柳州方向)依次稱為第1跨、第2跨、第3跨、第4跨、第5跨，由1#、2#、3#、4#橋墩從北至南橫向排列的4根墩柱依次稱為第1排、第2排、第3排。

設(shè)計橋墩墩柱、系梁布孔，采用孔內(nèi)外延時起爆，設(shè)計地面以上的1#、2#、3#、4#橋墩單根墩柱由下至上延時起爆，即墩柱下部2個炮孔先起爆(有效隔絕爆破振動傳播介質(zhì))，20 ms后單根墩柱上部同時起爆，設(shè)計系梁全部為爆破破壞部位，1#、2#、3#、4#橋墩上的蓋梁接觸到護坡或江岸兩側(cè)的泥土路面為侵蝕效果，護坡內(nèi)的橋墩未被破壞，提出以下3種不同的倒塌方案。

方案1：從中間向兩邊倒塌，從0 s開始起爆，2#、3#橋墩在0.05 s爆破切口完全形成，0.25 s時1#、4#橋墩爆破切口完全形成。

方案2：逐跨依次倒塌，從0 s開始起爆，在0.05 s時1#橋墩爆破切口完全形成，0.25 s時2#橋墩爆破切口完全形成，0.45 s時3#橋墩爆破切口完全形成，0.65 s時4#橋墩爆破切口完全形成。

方案3：逐排定向傾斜倒塌，從0 s開始起爆，0.05 s時第1排墩柱爆破切口完全形成，0.25 s時第2排墩柱爆破切口完全形成，0.45 s時第3排墩柱爆破切口完全形成。

2.2.2 各方案數(shù)值模擬的結(jié)果與分析

根據(jù)待拆除橋梁的結(jié)構(gòu)特點以及與新橋的位置關(guān)系，待拆除橋梁的兩側(cè)護坡坡面均為斜面，而左側(cè)護坡坡面斜向新橋，在拆除爆破該橋梁時，對新橋構(gòu)成最大威脅的是第1跨橋身左端南側(cè)在倒塌過程中向新橋方向運動的位移，即82207單元(見圖7)x方向的位移。

圖7 82207單元位置

計算結(jié)果顯示：方案1、2、3在倒塌過程中左端南側(cè)向新橋方向的最大位移分別為0.624、0.610、0.570 m，從待拆除橋梁構(gòu)件在倒塌過程中是否對新建橋梁造成損傷的角度出發(fā)，3種方案均不會對新橋結(jié)構(gòu)造成損傷，方案1單次爆破部位較多，若想達到模擬的倒塌效果，則實際爆破工程中同段藥量較大，且橋梁倒塌是單跨或多跨同時塌至地面，將會造成爆破振動、塌落振動以及噪聲較大的爆破有害效應(yīng)，不利于保護周邊環(huán)境。

方案2中多跨簡支梁橋關(guān)鍵時刻倒塌形態(tài)如圖8所示，采取逐跨倒塌時，若要保證倒塌效果，單個橋墩各墩柱相同起爆時間的爆破部位需要保證能同時起爆，當(dāng)采用導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路時，各段位導(dǎo)爆管雷管的延時時間具有誤差，因此造成橋梁的倒塌方向具有不確定性，有可能向新橋方向傾斜倒塌，造成的后果無法預(yù)測。

圖8 方案2多跨簡支梁橋倒塌過程

方案3多跨簡支梁橋的倒塌過程關(guān)鍵時刻倒塌形態(tài)如圖9所示，在t=0.45 s時，第3排橋墩墩柱被破壞，爆破切口完全形成，可以明顯看到蓋梁出現(xiàn)了傾斜倒塌趨勢，這是由于在第2個爆破切口與第3個爆破切口形成的時間內(nèi)，第3排的墩柱與蓋梁不足以完全支撐橋身的重量，蓋梁被上部結(jié)構(gòu)壓彎；t=0.72 s時，可以看到第1跨左端南側(cè)有部分橋身向上微傾，并與蓋梁分離，這是由于第1跨在第3排被破壞前，第1跨右端北側(cè)已經(jīng)失穩(wěn)并形成一個向下的傾覆力矩，引起了第1跨左端南側(cè)部分橋身向上運動，第5跨倒塌過程與第1跨類似，第2、3、4跨則保持較平整的姿態(tài)下落；在t=1.60 s時，第1跨與第5跨即將倒塌到護坡，第2～第4跨繼續(xù)保持下落，在t=2.3 s，橋梁倒塌結(jié)束。

圖9 方案3多跨簡支梁橋倒塌過程

采取定向傾斜倒塌，即待拆除橋梁北側(cè)先失穩(wěn)傾斜，然后橋梁再整體失穩(wěn)倒塌，即使使用的導(dǎo)爆管雷管存在一定的延時誤差，橋梁倒塌方向也能較好地控制，結(jié)合數(shù)值模擬的結(jié)果，對新橋結(jié)構(gòu)威脅最大的第1跨左端南側(cè)在采用定向傾斜倒塌時，其位移較前兩個方案是最小的，對于被保護的新橋是最有利的，因此，實際工程中采取方案3的倒塌方式最為合理。

3 側(cè)向延時原地坍塌控制爆破方案

3.1 爆破方案選擇

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，在預(yù)先了解待拆除橋梁的不同倒塌方式的倒塌效果情況下，針對待拆除橋梁及周邊環(huán)境的特點，制定的爆破方案如下。

1)采用局部拆除爆破，對地面上的墩柱以及系梁進行破碎性爆破，倒塌后的橋體利用機械破碎。

2)采用定向傾斜倒塌，即由北向南排間延時單根墩柱多孔間延時起爆。

3)南北兩幅采用一次爆破，對原柳南高速公路和周邊的影響最小，工期相對較短。

3.2 爆破參數(shù)

直徑1.3 m的墩柱采用單排孔布置，對于直徑1.5 m的墩柱，采用雙排孔布置，對于系梁部位的爆破，采用單排孔布置。待拆除橋梁各爆破部位參數(shù)統(tǒng)計如表1所示。

表1 簡支梁橋爆破參數(shù)

3.3 起爆網(wǎng)路

本次爆破采用孔外延時排間延時的導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，起爆網(wǎng)路總體布置如圖10所示，全橋爆破部位共分為8個區(qū)域起爆，本次爆破設(shè)計炮孔內(nèi)全部采用MS15段導(dǎo)爆管雷管，A～D排單根墩柱上，每6～8個孔為1束，再采用2發(fā)MS1段導(dǎo)爆管雷管進行串聯(lián)；在靠近新橋一側(cè)的E、F排單根墩柱上，最底部4個炮孔為單獨一束，并與由下至上倒數(shù)第二束用2發(fā)MS3段導(dǎo)爆管雷管進行串聯(lián)，墩柱其余束之間采用2發(fā)MS1段導(dǎo)爆管雷管進行串聯(lián)。

圖10 起爆網(wǎng)路總體布置

在單列墩柱之間，A～D排采用2發(fā)MS5段導(dǎo)爆管雷管進行串聯(lián)，D～F排采用2發(fā)MS7段導(dǎo)爆管雷管進行串聯(lián)(見圖11)。

圖11 單列墩柱起爆網(wǎng)路

因網(wǎng)路較長，為確保整體網(wǎng)路的可靠性，第1列與第2列及第3列與第4列墩柱之間組成復(fù)式起爆網(wǎng)路，最后將各列之間連接組成完整起爆網(wǎng)路。

4 振動監(jiān)測

本次爆破在新橋橋墩位置與周邊民房共計安裝了4臺中科測振TC-4850型爆破振動測試儀。1號、2號監(jiān)測點設(shè)置在新橋橋墩處，與爆區(qū)的距離分別為10.7、13 m；3號與4號監(jiān)測點設(shè)置在東南側(cè)的民房基礎(chǔ)上，距爆區(qū)水平距離為156、179 m,實測的振動數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)

監(jiān)測結(jié)果表明，1號與2號監(jiān)測點實測最大振動速度分別為6.52、5.24 cm/s，均小于《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)[9]規(guī)定的新澆大體積混凝土齡期超過28 d安全允許標(biāo)準(zhǔn)12 cm/s；3號與4號監(jiān)測點最大振動速度分別為0.39、0.32 cm/s,均小于《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)[9]規(guī)定的一般民用建筑物安全允許標(biāo)準(zhǔn)2.0 cm/s。所以，本次爆破所產(chǎn)生的振動不會對新橋及周邊保護建筑物造成危害，驗證了最大單響藥量的合理性。

5 爆破效果

經(jīng)過精心的爆破施工組織，那平大橋一次性成功拆除爆破，爆破過程如圖12所示，爆后效果如圖13所示。從爆破效果來看，全橋順利坍塌，說明上文驗證的單耗以及孔排距是合理的，南幅橋身倒塌后較完整，只有北幅橋面觸地后有小部分出現(xiàn)開裂，橋梁倒塌效果與本文方案3的模擬結(jié)果大致相同，倒塌后的橋面采用機械破碎；經(jīng)過爆后仔細檢查，新橋外表未見有刮擦痕跡，說明拆除爆破橋梁在倒塌過程中未與新橋發(fā)生碰撞，有效保護了新橋的安全，未有爆破飛石影響周邊保護建筑物。

圖12 爆破過程 圖13 爆破效果

6 結(jié)語

數(shù)值模擬技術(shù)驗證的爆破參數(shù)成功運用到實際的多跨簡支梁橋拆除爆破中，舊橋的順利倒塌，驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。合理地運用數(shù)值模擬軟件進行前期模擬分析試驗，將模擬結(jié)果進行詳細分析，優(yōu)化爆破設(shè)計方案，能更有效地保證拆除爆破的成功，為復(fù)雜環(huán)境下的橋梁拆除爆破提供寶貴的實驗經(jīng)驗，對指導(dǎo)其設(shè)計具有重要意義。