懸索拱橋爆破拆除的有限元力學分析

馮曉臣

（沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽110159）

隨著經濟高速發展，越來越多的橋梁已不能滿足安全使用、交通暢通的需求，需要對其進行爆破拆除[1]。經過數十年的實踐，廣大爆破工作者在橋梁拆除爆破領域已經積累了非常豐富的經驗，但是，隨著爆破的作業環境變得越來越復雜，給橋梁爆破作業帶來了新的挑戰[2]。另外，當前最常用的控制爆破拆除技術，其規范仍處于定性設計的范疇，理論研究落后于工程實踐，爆破事故時有發生，限制了此技術的發展[3]。因此選擇高效、經濟、安全的橋梁拆除方案顯得尤為重要[4]。所以通過ANSYS 有限元軟件對橋梁進行數值模擬受力分析，并即將其受力分析的結果應用于爆破方案的設計，可以較為合理的設計橋梁爆破方案。

1 有限元軟件簡介

ANSYS 軟件是美國ANSYS 公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，它是世界范圍內增長最快的CAE 軟件，能夠進行包括結構、熱、聲、流體、以及電磁場等學科的研究，在核工業、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫學、輕工、地礦、水利、日用家電領域有著廣泛的應用[4]。它能夠進行結構靜力學分析、結構動力學分析、非線性分析以及結構疲勞分析等，因其具有的強大功能，它被應用于各行各業，幾乎能夠滿足用戶的各種復雜模型分析。

2 模擬結果及受力分析

2.1 施加位移約束：在懸索拱橋左端的9 號和25 號節點處施加位移約束，使其在X、Y、Z 三個方向上不能發生位移。在右端的16 號和32 號節點處施加Y 和Z 兩個方向上的位移約束使之不能發生位移。

2.2 施加集中力：在懸索拱橋的一側位置即11、12、13、14 節點處施加-1x108N 大小的集中力，方向為Y 方向。另一側施加同樣大小和方向的集中力。

2.3 施加重力：在建模前已經選取了橋體框架和橋面的材料模型，同時定義了它們的彈性模量、泊松比和密度大小。根據橋梁的體積系統能自動計算出橋梁的重力，如圖1 所示。在1x108N 大小的載荷下橋梁發生結構變形如圖2 所示。

圖1 施加載荷后的模型

圖2 結構變形圖

因為橋梁的左端被固定，右端只能發生X 方向上的位移，在重力的作用下，橋面下面的拱橋支柱向左發生位移，左端橋面逐漸向下傾斜，然后中間橋面向下塌陷，整座橋梁向左小幅度偏移，橋面上的各節點發生不同程度的位移。整座橋體發生變形后，橋面開裂。由于橋面發生塌陷，所以懸索和橋拱隨著橋面向下而發生變形。橋梁的平衡被打破，整體發生失穩。如圖3 和圖4 所示。

圖4 節點位移矢量圖

通過圖3 可以看出，橋梁兩端發生位移最小，從左到右位移逐漸增大然后再減小，直至在右端懸索與橋拱連接處以及橋拱和橋面連接處達到最大，隨后再緩慢減小。圖3 清晰的表示出了橋梁各個部件的位移發生情況，對橋梁拆除爆破的設計具有一定的參考價值。

圖6 剪力圖

圖7 彎矩圖

圖5、圖6 和圖7 分別是橋梁在1x108N 載荷下的軸力圖、剪力圖和彎矩圖。從圖5 可以看出，橋拱一側的兩端軸力最小，另一側的軸力大小變化趨勢是從左到右逐漸增加。橋面下面的橋拱支座軸力最大。圖6 顯示了橋梁最左側的橋拱剪力最小，左端橋面下面的豎直橋體支座和右端的橋拱所受剪力最大。橋面上方的橋拱剪力變化是從左到右逐漸減小。圖7 是彎矩圖，在橋面上方的橋拱兩端即橋面和橋拱連接處彎矩最大，橋面下的橋拱支座彎矩最小。從3 號節點到6 號節點彎矩是先減小后增大再減小，從6 號節點到7 號節點彎矩大小是逐漸增大，直至達到最大值。由對稱性可知，另一側的彎矩情況和剛才分析的一樣。三幅圖中懸索的軸力，剪力和彎矩大小都是所在圖中所受力的中間值。由上述受力分析可知，在進行橋梁的爆破拆除時，可根據受力情況布置炮孔。受力大的部位，炮孔少，裝藥量少，受力小的部位，炮孔和裝藥量相對多一些。

表1 是各節點位移，每個節點的位移都不一樣。其中8 號節點在X 軸方向上位移最大，6 號節點在Y 軸方向位移最大，5 號節點在Z 軸方向上最大。從表2 可以看出9 號節點所受軸力最小，8 號節點所受軸力最大。剪力大小則是8 號節點最小，7 號節點最大。軸力主要集中在橋梁的橋拱和懸索上，彎矩次之，最后是剪力。從橋梁的總體受力情況來看，軸力是最主要的，剪力和彎矩很小，有的部位甚至為零，所以橋梁塌陷時的受力分析主要放在拱橋和懸索上。

表1 各節點在三個坐標軸方向的位移

表2 各節點元素上受軸力、剪力和彎矩的情況

結束語

運用ANSYS 軟件建立懸索拱橋的有限元模型，模擬了橋梁在集中力的作用下的位移變化以及結構變形情況，運用結構靜力學方法對橋梁進行受力分析。當對懸索拱橋進行爆破拆除時可根據懸索拱橋的受力情況合理設計爆破拆除方案。最后通過對橋梁的仿真模擬，為以后其它類型的橋梁的分析提供了借鑒，具有一定的現實參考意義。