梁板桥爆破拆除的数值模拟研究

2017-01-19吴可胤余红兵

采矿技术 2016年3期

关键词：桥体微差板桥

吴可胤，余红兵

(1.贵州贵安商贸投资有限公司，贵州贵阳 550025；2.贵州新联爆破工程集团有限公司，贵州贵阳 550002)

梁板桥爆破拆除的数值模拟研究

吴可胤1，余红兵2

(1.贵州贵安商贸投资有限公司，贵州贵阳 550025；2.贵州新联爆破工程集团有限公司，贵州贵阳 550002)

为研究梁板桥爆破拆除中的失稳机理，保护一侧桥台下方管道和附近居民楼，利用工程实例建立了有限元数值仿真模型，通过ANSYS数值模拟对梁板桥爆破拆除倒塌过程中的桥梁位移和应力分布进行了研究。结果表明:在控制爆破微差时间作用下，使得桥面向某一侧发生偏移坍塌，减小爆破危害的影响；桥面和桥台之间发生铰链旋转，使得桥面斜搭在桥台上，保护桥台下面管道。高速摄影和爆破效果验证了数值模拟的准确性并对相似工程实例提出了建设性意见。

梁板桥；爆破拆除；数值模拟；微差爆破

1 工程概况

某跨河公路梁板桥由于经常有大吨位车辆从桥上通过，致使桥体严重受损成为一座特危桥[1]:桥面板开裂；钢筋笼钢筋过细，箍筋锈蚀。因此对其实施爆破拆除，桥梁拆除前的整体结构和剖面如图1所示。桥右侧下方有保护管道，右侧距离民房最近只有5 m，因此必须实行控制爆破保护管道和民房不受爆破危害影响。

该桥是一座由预制板铺设，爪形墩柱支撑的梁板桥，全桥长60 m，宽3 m，每孔跨径12 m。整个大桥共有4座墩柱。在7座墩柱的上方，支撑着5个桥孔。墩柱高8.5 m，剖面为0.4 m×0.4 m正方形。每座墩柱南北各有3根墩柱，其角度为15°。墩柱之间有3根3 m长横梁。在中间2座墩柱的横梁处均设置固定支座。两岸桥台为浆砌料石结构。

图1 公路梁板桥整体结构和剖面

2 爆破方案

根据该桥结构特点，参照相似工程实例[2-5]，采用原地坍塌方案实施爆破，对墩柱和横梁进行爆破拆除，桥身结构在自重作用下进行解体，利用微差时间控制最大单响药量，减小爆破危害，具体爆破拆除方案如下。

(1)采用水平浅孔爆破法，钻孔采用7655型凿岩机，孔径40 mm；炸药采用32 mm的乳化炸药药卷，孔深为25 cm，孔间距为30 cm。采用单排布孔方式。爪型柱每根立方柱上部 3个孔，下部 6个孔，每根支架梁左右各3个孔，共计288个炮孔，单耗q取0.8 kg/m3，每孔装药量取40 g。

(2)4个墩柱之间从中间向两边采用微差延时爆破，孔内采用11段非电导爆管雷管，墩柱之间采用9段管进行微差延期，从2号墩柱开始起爆，其次为1号、3号、4号墩柱。

3 数值模拟

3.1 模型建立

模拟采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA，在ANSYS环境下建立有限元模型并进行求解。采用分离式共节点模型，充分体现结构倒塌过程中的拉应力作用。由于桥体采用梁板结构，且爪形墩柱和横梁的不规则性，模型采用4面体划分网格，网格尺寸大小控制为 0.4 m，模拟中，地面单元选择SHELL163单元，桥体单元选择SOLID164单元[6-9]。模型完全按照实际结构的尺寸1∶1建立，如图2所示。

图2 公路梁板桥分离式共节点模型

3.2 模拟结果分析

不考虑炸药爆炸的影响，桥体在爆破切口形成后墩柱连接处应力集中，在自重作用下塌落。因此在加载过程中，可以定义爆破切口上部的节点组元，通过向节点组元施加重力加速度的时程曲线来模拟桥梁的重力荷载。模型中约束爆破切口下部墩柱及地面所有节点单元，公路梁板桥模型除了需要约束爆破切口下部墩柱及地面所有节点单元外，还需要对桥梁两个端面施加水平向上和垂直端面向里的力，以模拟桥台的承载作用。在本次模拟分析中，采用主应力控制爆破缺口墩柱的失效，主应力和主应变共同控制桥面在坍塌过程中的失效。图3为不同时刻桥体的有效应力云图。

图3 桥梁爆破坍塌过程有效应力云图

t＝0.31 s，1号起爆点起爆，在第二组爪型柱形成第一个爆破切口；t＝0.62 s，2号起爆点起爆，在第一、三组爪型柱形成第二组爆破切口；t＝0.93 s，3号起爆点起爆，在第四组爪型柱形成第三个爆破切口。左岸第一组爪型柱和第三组爪型柱向中间挤压，第三组爪型柱上部与第四组爪型柱上部桥面在爆破弱化区域发生断裂；t＝1.20 s，第二组爪型柱变形加大，压应力超过支架梁的屈服强度，支架梁破坏，爪型柱上部桥面受压向中间挤压折叠；t＝1.38 s，第一组爪型柱触地，第二组爪型柱上部桥面折叠破坏；t＝1.73 s，第三个切口处的爪型柱开始着地，第一组和第三组爪型柱上部桥面折叠破坏；t＝1.98 s，左岸桥台附近的桥面开始着地，右岸桥台附近的桥面出现应力集中。

根据以上分析，由于不同墩柱的起爆时间不同，不同桥面受到的应力破坏情况都各不相同，其中，第一、二组爪型柱上部桥面主要受到压破坏，第三、四组爪型柱上部选取右岸桥面两个单元进行桥面轴线方向的位移分析，所得的位移时间曲线见图4。

图4 右岸桥面单元位移时间曲线

从图4分析得知，随着第一和第三组爪型柱起爆形成爆破缺口(t＝0.62 s)，右岸桥面单元受到向左的拉力作用，产生Z轴正向微小变形。当t＞1.1 s后，桥面单元受到右岸约束端作用，以约束端为转轴向地面塌落，下落轨迹形如圆弧。说明采用这种爆破施工方案，右岸桥梁底部管道不会受到上部桥面的冲击作用，证明爆破顺序是合理的。桥面主要受到拉破坏，整个桥面向左侧偏移。

4 爆破效果

装药起爆后，爆破部位充分解体，桥身按设计下塌在自重作用下破碎，爆破飞石控制在10 m范围之内，通过TC-4850测振仪对现场爆破振动进行测量测得附近居民楼最大振动速度为0.75 cm/s，爆破危害满足《爆破安全规程》GB6722-2014的安全要求，未对周围建构筑物构成危害。

图5为爆破倒塌后桥面状态和实际爆破施工中桥体中跨塌落地后最终的堆散状态示意图，对比数值模拟结果，可以看到，桥面板基本保持完好，桥面都在支柱部位折断，两端分别搭接在墩柱上。数值模拟与工程实际非常吻合。从爆破效果上看，桥面整体塌落于地面上，墩柱充分解体；从中间第二组墩柱起爆，控制微差时间，邻近桥面受到拉应力作用，具有向该墩柱移动的趋势，控制桥身落地时重心向2号墩柱偏移；邻近桥台的桥面在墩柱爆破后以桥台接触点为支点转动，最后在重力作用下发生断裂，但水平位移较小，使得桥面斜搭在桥台上，使得底部留下足够的保护空间。