橋梁爆破拆除數值模擬

周奎，馮曉臣

（沈陽理工大學裝備工程學院，遼寧沈陽110159）

橋梁爆破拆除數值模擬

周奎，馮曉臣

（沈陽理工大學裝備工程學院，遼寧沈陽110159）

利用ANSYS軟件建立橋梁有限元模型、加邊界條件和載荷、求解和查看橋體變形情況。查看模擬結果得到橋梁的結構變形圖、節點位移圖和軸力圖，能夠很清晰地反應橋梁的變形和失穩情況，完成橋梁爆破拆除的模擬過程，為橋梁爆破拆除奠定理論基礎。

鋼桁架橋；爆破拆除；有限元分析；數值模擬

交通運輸的發展使橋梁的地位和作用也變得越來越重要[1]。隨著經濟的發展，需要修建新橋，拆除舊橋。傳統的橋梁拆除方法速度慢、周期長，需要人工操作，容易造成安全事故[2]。而且對于復雜環境下橋梁爆破拆除的要求越來越高，采用的技術越來越復雜。采用實際模型的爆破拆除研究不僅耗費時間，浪費人力物力，而且還浪費資源，做小型的工程試驗又不能反映出最終的效果是否合理有效，不能達到所要研究的目的。然而，用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件對橋梁進行爆破拆除的模擬并把模擬的結果反饋到爆破拆除設計方案中，從而對其進行參數的修正和優化，這種方法對爆破設計人員來說是一種有效的輔助手段。無論我們采用哪一種研究方法，其最終的目的都是為了使待爆破拆除的橋梁失穩坍塌時能安全地、準確地、高效地達到預期的拆除效果[3]。用計算機模擬技術進行這一方面的研究，不僅安全高效，而且經濟合理。

1 有限元分析軟件的特點

有限元分析幾十年的發展使其應用領域也越來越大，它最早由美國人J.O.Hallquist研發完成[4]，經過不斷的發展，漸漸應用到很多工程領域。它能夠幫助人們輕松求解許多二維、三維非線性結構的爆炸和高速碰撞等非線性動力學問題。它幾乎能夠應用到各個領域[5]（制造業、建筑業、汽車工業、航空航天、國防工業等）。它的能力主要表現在既能夠進行顯示和隱示求解，又能夠進行靜力學和動力學分析。在工程應用領域，它被認為是最佳的分析軟件。通過學習這一軟件，越來越能體會到其強大的功能，它自身具有全面的建模系統，擁有人性化的功能界面，幾乎能夠滿足任何的模擬要求。

2 模擬結果分析及討論

加邊界條件和載荷分為三個過程，具體如下：

（1）施加位移約束：在簡支梁的支座處要約束節點的自由度，以達到模擬鉸支座的目的。假定梁左端為固定支座，右邊為滑動支座；

（2）施加集中力：在橋面中間兩節點處施加集中力載荷，即在1和2號節點處加大小為100000牛頓的集中力，方向向下；

（3）施加橋體自身重力：根據之前錄入模塊的三種不同類型的工字鋼和橋面材料的密度和系統設定的材料體積，能自動計算出橋頭的重力大小，并且放下豎直向下，集中在橋體的中心位置，即1和2號節點的中點處，如圖1、2所示。

圖1 100KN載荷下的橋體形狀

圖2 100KN載荷下橋體結構變形情況

對橋面的中心位置加集中力和重力載荷后，橋體上各節點不同程度地向下發生位移變化，橋面中部向下塌陷的情況相對橋面兩端處更加明顯，橋面整體產生變形。橋面的變形情況分為三個過程，首先發生彈性變集形，當中力載荷超過某一數值時發生塑性變形，最后橋面產生開裂現象。橋面上方的鋼桁架及腹桿都發生了不同程度的拉伸變形，相比之下，最頂層的鋼桁架平面上中間位置的桿件向下塌落的情況更加嚴重。從整座橋梁的各部分結構的變形情況來看，橋體結構穩定性受損，如圖3、圖4所示。

圖3 100KN載荷下橋體節點位移變化情況

圖4 100KN載荷下節點位移矢量情況

在以上兩個節點位移圖中能夠清晰地看出各節點位移變化的情況，即各節點位移變化的方向和距離。從整體來看，橋面和上層結構中間部分節點位移變化情況比橋體兩端明顯，是變形情況最突出的部分。根據圖中顯示能夠準確地判斷出橋面各部分以及橋面上方的鋼桁架各部分的倒塌趨勢和倒塌方向，為橋梁爆破拆除施工安全范圍的預測和劃定提供了有效地參考，具有十分重要的指導意義。

圖5是軸力圖，顯示了鋼桁架結構中各構件受到軸力的情況，圖6是彎矩圖，顯示了橋體受彎矩的情況。由于橋面左側的兩個節點是固定支座，右側的兩個節點是滑動支座，從而橋面中心受到集中力載荷作用下不同構件受到的力的情況不同，其中鋼桁架左側的端斜桿受到軸力最大，中間的腹桿受到軸力其次，鋼桁架右側和上層桿件受到軸力最小。根據以上分析能夠斷定橋梁的鋼桁架結構中最先受到破壞的部分是左側的端斜桿，最不容易受到破壞的部分是右側的端斜桿和上層的橫桿。對橋梁的死角位置采取單獨的爆破拆除，以保證橋梁的完全爆破拆除，達到預期的拆除目的。在修建橋梁時，必須保證橋體固定端一側的主要受拉構件具有足夠的強度，以保證橋梁結構的穩定性。表1表2所示。

圖5 100 KN載荷下的構件受軸力情況

圖6 100KN載荷下構件受彎矩情況

表1 各節點元素上受軸力、剪力和彎矩的情況

表2 各節點在三個坐標軸方向的位移情況

從上面兩個表中的數據可以清晰地看到，各節點在X軸、Y軸、Z軸方向上的位移都不相同，其中Y軸方向上的位移情況最明顯。根據各節點受到軸力、剪力和彎矩的情況能夠看出橋體兩端處構件受到軸力最大，在3號、4號、7號和8號節點處受到的彎矩最大，各構件受到的剪力很小，幾乎可以忽略不計。綜合橋梁受到的軸力、剪力和彎矩情況來看，桿件受到軸力為主，橋體受到彎矩次之，鋼桁架受到的剪力很小，所以應該把橋梁倒塌的力學分析重點放在鋼桁架所受的軸力上。

3 結束語

文中利用動力學分析軟件ANSYS/LS-DYAN，并結合橋梁爆破拆除專業理論知識尤其是鋼桁架結構橋梁的爆破設計、分析技術和工程實際經驗，采用分離式共節點的鋼桁架簡支橋梁模型，模擬橋體從結構變形到失穩的過程，從而實現了橋梁爆破拆除過程的連續仿真模擬，能夠為類似橋梁的爆破拆除數值模擬提供借鑒和參考。

[1]李亞東．橋梁工程概論[M]．成都：西南交通大學出版社，2001：5-7.

[2]楊元輝．橋梁拆除爆破數值模擬研究，2014：12-18.

[3]張凱．城市高架橋爆破拆除及數值模擬研究，2015：5-6.

[4]賈海鵬．有限元分析法在橋梁拆除爆破中的應用，2014：7-8.

[5]邵旭東．橋梁工程(第二版)[M]．北京：人民交通出版社，2008：6-15.

Numerical Simulation of Blasting Demolition of Bridge

ZHOU Kui，FENG Xiao-chen
（Shenyang Ligong University，Shenyang Liaoning 110159，China）

Using ANSYS software to establish finite element model，add boundary conditions and loads，then figure it out and check the deformation of the bridge．View simulation results to obtain the bridge structure deformation graph，node displacement and axial force diagram all of these can clearly reflect the deformation and instability of bridge，complete simulation of blasting demolition of the bridge，lay the theoretical foundation for bridge blasting demolition．

steel truss bridge；blasting demolition；finite element analysis；numerical simulation

U44

：A

：1672-545X（2017）01-0264-03

2016-10-11

周奎（1994-），男，湖北人，在讀研究生；馮曉臣（1963-），男，遼寧阜新人，碩士，副教授，研究方向：模擬仿真。