橋梁爆破拆除數(shù)值模擬

周奎，馮曉臣

（沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧沈陽110159）

橋梁爆破拆除數(shù)值模擬

周奎，馮曉臣

（沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)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(jié)果得到橋梁的結(jié)構(gòu)變形圖、節(jié)點(diǎn)位移圖和軸力圖，能夠很清晰地反應(yīng)橋梁的變形和失穩(wěn)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(chǔ)。

鋼桁架橋；爆破拆除；有限元分析；數(shù)值模擬

交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展使橋梁的地位和作用也變得越來越重要[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，需要修建新橋，拆除舊橋。傳統(tǒng)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(duì)于復(fù)雜環(huán)境下橋梁爆破拆除的要求越來越高，采用的技術(shù)越來越復(fù)雜。采用實(shí)際模型的爆破拆除研究不僅耗費(fèi)時(shí)間，浪費(fèi)人力物力，而且還浪費(fèi)資源，做小型的工程試驗(yàn)又不能反映出最終的效果是否合理有效，不能達(dá)到所要研究的目的。然而，用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件對(duì)橋梁進(jìn)行爆破拆除的模擬并把模擬的結(jié)果反饋到爆破拆除設(shè)計(jì)方案中，從而對(duì)其進(jìn)行參數(shù)的修正和優(yōu)化，這種方法對(duì)爆破設(shè)計(jì)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(wěn)坍塌時(shí)能安全地、準(zhǔn)確地、高效地達(dá)到預(yù)期的拆除效果[3]。用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)進(jìn)行這一方面的研究，不僅安全高效，而且經(jīng)濟(jì)合理。

1 有限元分析軟件的特點(diǎn)

有限元分析幾十年的發(fā)展使其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越大，它最早由美國人J.O.Hallquist研發(fā)完成[4]，經(jīng)過不斷的發(fā)展，漸漸應(yīng)用到很多工程領(lǐng)域。它能夠幫助人們輕松求解許多二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的爆炸和高速碰撞等非線性動(dòng)力學(xué)問題。它幾乎能夠應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域[5]（制造業(yè)、建筑業(yè)、汽車工業(yè)、航空航天、國防工業(yè)等）。它的能力主要表現(xiàn)在既能夠進(jìn)行顯示和隱示求解，又能夠進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。在工程應(yīng)用領(lǐng)域，它被認(rèn)為是最佳的分析軟件。通過學(xué)習(xí)這一軟件，越來越能體會(huì)到其強(qiáng)大的功能，它自身具有全面的建模系統(tǒng)，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(jié)果分析及討論

加邊界條件和載荷分為三個(gè)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(jié)點(diǎn)的自由度，以達(dá)到模擬鉸支座的目的。假定梁左端為固定支座，右邊為滑動(dòng)支座；

（2）施加集中力：在橋面中間兩節(jié)點(diǎn)處施加集中力載荷，即在1和2號(hào)節(jié)點(diǎn)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(jù)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(tǒng)設(shè)定的材料體積，能自動(dòng)計(jì)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(hào)節(jié)點(diǎn)的中點(diǎn)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(jié)構(gòu)變形情況

對(duì)橋面的中心位置加集中力和重力載荷后，橋體上各節(jié)點(diǎn)不同程度地向下發(fā)生位移變化，橋面中部向下塌陷的情況相對(duì)橋面兩端處更加明顯，橋面整體產(chǎn)生變形。橋面的變形情況分為三個(gè)過程，首先發(fā)生彈性變集形，當(dāng)中力載荷超過某一數(shù)值時(shí)發(fā)生塑性變形，最后橋面產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。橋面上方的鋼桁架及腹桿都發(fā)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(yán)重。從整座橋梁的各部分結(jié)構(gòu)的變形情況來看，橋體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受損，如圖3、圖4所示。

圖3 100KN載荷下橋體節(jié)點(diǎn)位移變化情況

圖4 100KN載荷下節(jié)點(diǎn)位移矢量情況

在以上兩個(gè)節(jié)點(diǎn)位移圖中能夠清晰地看出各節(jié)點(diǎn)位移變化的情況，即各節(jié)點(diǎn)位移變化的方向和距離。從整體來看，橋面和上層結(jié)構(gòu)中間部分節(jié)點(diǎn)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(jù)圖中顯示能夠準(zhǔn)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(yù)測和劃定提供了有效地參考，具有十分重要的指導(dǎo)意義。

圖5是軸力圖，顯示了鋼桁架結(jié)構(gòu)中各構(gòu)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(cè)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)是固定支座，右側(cè)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)是滑動(dòng)支座，從而橋面中心受到集中力載荷作用下不同構(gòu)件受到的力的情況不同，其中鋼桁架左側(cè)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(cè)和上層桿件受到軸力最小。根據(jù)以上分析能夠斷定橋梁的鋼桁架結(jié)構(gòu)中最先受到破壞的部分是左側(cè)的端斜桿，最不容易受到破壞的部分是右側(cè)的端斜桿和上層的橫桿。對(duì)橋梁的死角位置采取單獨(dú)的爆破拆除，以保證橋梁的完全爆破拆除，達(dá)到預(yù)期的拆除目的。在修建橋梁時(shí)，必須保證橋體固定端一側(cè)的主要受拉構(gòu)件具有足夠的強(qiáng)度，以保證橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。表1表2所示。

圖5 100 KN載荷下的構(gòu)件受軸力情況

圖6 100KN載荷下構(gòu)件受彎矩情況

表1 各節(jié)點(diǎn)元素上受軸力、剪力和彎矩的情況

表2 各節(jié)點(diǎn)在三個(gè)坐標(biāo)軸方向的位移情況

從上面兩個(gè)表中的數(shù)據(jù)可以清晰地看到，各節(jié)點(diǎn)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(jù)各節(jié)點(diǎn)受到軸力、剪力和彎矩的情況能夠看出橋體兩端處構(gòu)件受到軸力最大，在3號(hào)、4號(hào)、7號(hào)和8號(hào)節(jié)點(diǎn)處受到的彎矩最大，各構(gòu)件受到的剪力很小，幾乎可以忽略不計(jì)。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(yīng)該把橋梁倒塌的力學(xué)分析重點(diǎn)放在鋼桁架所受的軸力上。

3 結(jié)束語

文中利用動(dòng)力學(xué)分析軟件ANSYS/LS-DYAN，并結(jié)合橋梁爆破拆除專業(yè)理論知識(shí)尤其是鋼桁架結(jié)構(gòu)橋梁的爆破設(shè)計(jì)、分析技術(shù)和工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，采用分離式共節(jié)點(diǎn)的鋼桁架簡支橋梁模型，模擬橋體從結(jié)構(gòu)變形到失穩(wěn)的過程，從而實(shí)現(xiàn)了橋梁爆破拆除過程的連續(xù)仿真模擬，能夠?yàn)轭愃茦蛄旱谋撇鸪龜?shù)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(xué)出版社，2001：5-7.

[2]楊元輝．橋梁拆除爆破數(shù)值模擬研究，2014：12-18.

[3]張凱．城市高架橋爆破拆除及數(shù)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(yīng)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，F(xiàn)ENG 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。