梁板橋爆破拆除的數值模擬研究

吳可胤，余紅兵

(1.貴州貴安商貿投資有限公司， 貴州貴陽 550025；2.貴州新聯爆破工程集團有限公司， 貴州貴陽 550002)

梁板橋爆破拆除的數值模擬研究

吳可胤1，余紅兵2

(1.貴州貴安商貿投資有限公司， 貴州貴陽 550025；2.貴州新聯爆破工程集團有限公司， 貴州貴陽 550002)

為研究梁板橋爆破拆除中的失穩機理，保護一側橋臺下方管道和附近居民樓，利用工程實例建立了有限元數值仿真模型，通過ANSYS數值模擬對梁板橋爆破拆除倒塌過程中的橋梁位移和應力分布進行了研究。結果表明:在控制爆破微差時間作用下，使得橋面向某一側發生偏移坍塌，減小爆破危害的影響；橋面和橋臺之間發生鉸鏈旋轉，使得橋面斜搭在橋臺上，保護橋臺下面管道。高速攝影和爆破效果驗證了數值模擬的準確性并對相似工程實例提出了建設性意見。

梁板橋；爆破拆除；數值模擬；微差爆破

1 工程概況

某跨河公路梁板橋由于經常有大噸位車輛從橋上通過，致使橋體嚴重受損成為一座特危橋[1]:橋面板開裂；鋼筋籠鋼筋過細，箍筋銹蝕。因此對其實施爆破拆除，橋梁拆除前的整體結構和剖面如圖1所示。橋右側下方有保護管道，右側距離民房最近只有5 m，因此必須實行控制爆破保護管道和民房不受爆破危害影響。

該橋是一座由預制板鋪設，爪形墩柱支撐的梁板橋，全橋長60 m，寬3 m，每孔跨徑12 m。整個大橋共有4座墩柱。在7座墩柱的上方，支撐著5個橋孔。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長橫梁。在中間2座墩柱的橫梁處均設置固定支座。兩岸橋臺為漿砌料石結構。

圖1 公路梁板橋整體結構和剖面

2 爆破方案

根據該橋結構特點，參照相似工程實例[2-5]，采用原地坍塌方案實施爆破，對墩柱和橫梁進行爆破拆除，橋身結構在自重作用下進行解體，利用微差時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，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個孔，下部 6個孔，每根支架梁左右各3個孔，共計288個炮孔，單耗q取0.8 kg/m3，每孔裝藥量取40 g。

(2)4個墩柱之間從中間向兩邊采用微差延時爆破，孔內采用11段非電導爆管雷管，墩柱之間采用9段管進行微差延期，從2號墩柱開始起爆，其次為1號、3號、4號墩柱。

3 數值模擬

3.1 模型建立

模擬采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，在ANSYS環境下建立有限元模型并進行求解。采用分離式共節點模型，充分體現結構倒塌過程中的拉應力作用。由于橋體采用梁板結構，且爪形墩柱和橫梁的不規則性，模型采用4面體劃分網格，網格尺寸大小控制為 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]。模型完全按照實際結構的尺寸1∶1建立，如圖2所示。

圖2 公路梁板橋分離式共節點模型

3.2 模擬結果分析

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力集中，在自重作用下塌落。因此在加載過程中，可以定義爆破切口上部的節點組元，通過向節點組元施加重力加速度的時程曲線來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點單元，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點單元外，還需要對橋梁兩個端面施加水平向上和垂直端面向里的力，以模擬橋臺的承載作用。在本次模擬分析中，采用主應力控制爆破缺口墩柱的失效，主應力和主應變共同控制橋面在坍塌過程中的失效。圖3為不同時刻橋體的有效應力云圖。

圖3 橋梁爆破坍塌過程有效應力云圖

t＝0.31 s，1號起爆點起爆，在第二組爪型柱形成第一個爆破切口；t＝0.62 s，2號起爆點起爆，在第一、三組爪型柱形成第二組爆破切口；t＝0.93 s，3號起爆點起爆，在第四組爪型柱形成第三個爆破切口。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域發生斷裂；t＝1.20 s，第二組爪型柱變形加大，壓應力超過支架梁的屈服強度，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，第三個切口處的爪型柱開始著地，第一組和第三組爪型柱上部橋面折疊破壞；t＝1.98 s，左岸橋臺附近的橋面開始著地，右岸橋臺附近的橋面出現應力集中。

根據以上分析，由于不同墩柱的起爆時間不同，不同橋面受到的應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單元進行橋面軸線方向的位移分析，所得的位移時間曲線見圖4。

圖4 右岸橋面單元位移時間曲線

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，產生Z軸正向微小變形。當t＞1.1 s后，橋面單元受到右岸約束端作用，以約束端為轉軸向地面塌落，下落軌跡形如圓弧。說明采用這種爆破施工方案，右岸橋梁底部管道不會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，整個橋面向左側偏移。

4 爆破效果

裝藥起爆后，爆破部位充分解體，橋身按設計下塌在自重作用下破碎，爆破飛石控制在10 m范圍之內，通過TC-4850測振儀對現場爆破振動進行測量測得附近居民樓最大振動速度為0.75 cm/s，爆破危害滿足《爆破安全規程》GB6722-2014的安全要求，未對周圍建構筑物構成危害。

圖5為爆破倒塌后橋面狀態和實際爆破施工中橋體中跨塌落地后最終的堆散狀態示意圖，對比數值模擬結果，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。數值模擬與工程實際非常吻合。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，控制微差時間，鄰近橋面受到拉應力作用，具有向該墩柱移動的趨勢，控制橋身落地時重心向2號墩柱偏移；鄰近橋臺的橋面在墩柱爆破后以橋臺接觸點為支點轉動，最后在重力作用下發生斷裂，但水平位移較小，使得橋面斜搭在橋臺上，使得底部留下足夠的保護空間。

圖5 爆破倒塌后橋面狀態和爆堆示意圖

5 結 論

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

(2)數值模擬再現了橋體從起爆到結構失穩倒塌的整個過程。對于需要保護的建(構)筑物一側，可以通過微差延遲時間控制起爆順序使得橋面向某一側偏移，增大保護側建(構)筑物與橋梁觸地點距離。

(3)利用橋臺和橋面接觸點形成鉸鏈發生轉動，在重力作用下橋臺位置處橋面板水平位移較小致使橋面斜搭在橋臺側面，有利于對橋臺下方的管道等進行保護。

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2015-12-07)

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