桥梁爆破拆除数值模拟

周奎，冯晓臣

（沈阳理工大学装备工程学院，辽宁沈阳110159）

桥梁爆破拆除数值模拟

周奎，冯晓臣

（沈阳理工大学装备工程学院，辽宁沈阳110159）

利用ANSYS软件建立桥梁有限元模型、加边界条件和载荷、求解和查看桥体变形情况。查看模拟结果得到桥梁的结构变形图、节点位移图和轴力图，能够很清晰地反应桥梁的变形和失稳情况，完成桥梁爆破拆除的模拟过程，为桥梁爆破拆除奠定理论基础。

钢桁架桥；爆破拆除；有限元分析；数值模拟

交通运输的发展使桥梁的地位和作用也变得越来越重要[1]。随着经济的发展，需要修建新桥，拆除旧桥。传统的桥梁拆除方法速度慢、周期长，需要人工操作，容易造成安全事故[2]。而且对于复杂环境下桥梁爆破拆除的要求越来越高，采用的技术越来越复杂。采用实际模型的爆破拆除研究不仅耗费时间，浪费人力物力，而且还浪费资源，做小型的工程试验又不能反映出最终的效果是否合理有效，不能达到所要研究的目的。然而，用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对桥梁进行爆破拆除的模拟并把模拟的结果反馈到爆破拆除设计方案中，从而对其进行参数的修正和优化，这种方法对爆破设计人员来说是一种有效的辅助手段。无论我们采用哪一种研究方法，其最终的目的都是为了使待爆破拆除的桥梁失稳坍塌时能安全地、准确地、高效地达到预期的拆除效果[3]。用计算机模拟技术进行这一方面的研究，不仅安全高效，而且经济合理。

1 有限元分析软件的特点

有限元分析几十年的发展使其应用领域也越来越大，它最早由美国人J.O.Hallquist研发完成[4]，经过不断的发展，渐渐应用到很多工程领域。它能够帮助人们轻松求解许多二维、三维非线性结构的爆炸和高速碰撞等非线性动力学问题。它几乎能够应用到各个领域[5]（制造业、建筑业、汽车工业、航空航天、国防工业等）。它的能力主要表现在既能够进行显示和隐示求解，又能够进行静力学和动力学分析。在工程应用领域，它被认为是最佳的分析软件。通过学习这一软件，越来越能体会到其强大的功能，它自身具有全面的建模系统，拥有人性化的功能界面，几乎能够满足任何的模拟要求。

2 模拟结果分析及讨论

加边界条件和载荷分为三个过程，具体如下：

（1）施加位移约束：在简支梁的支座处要约束节点的自由度，以达到模拟铰支座的目的。假定梁左端为固定支座，右边为滑动支座；

（2）施加集中力：在桥面中间两节点处施加集中力载荷，即在1和2号节点处加大小为100000牛顿的集中力，方向向下；

（3）施加桥体自身重力：根据之前录入模块的三种不同类型的工字钢和桥面材料的密度和系统设定的材料体积，能自动计算出桥头的重力大小，并且放下竖直向下，集中在桥体的中心位置，即1和2号节点的中点处，如图1、2所示。

图1 100KN载荷下的桥体形状

图2 100KN载荷下桥体结构变形情况

对桥面的中心位置加集中力和重力载荷后，桥体上各节点不同程度地向下发生位移变化，桥面中部向下塌陷的情况相对桥面两端处更加明显，桥面整体产生变形。桥面的变形情况分为三个过程，首先发生弹性变集形，当中力载荷超过某一数值时发生塑性变形，最后桥面产生开裂现象。桥面上方的钢桁架及腹杆都发生了不同程度的拉伸变形，相比之下，最顶层的钢桁架平面上中间位置的杆件向下塌落的情况更加严重。从整座桥梁的各部分结构的变形情况来看，桥体结构稳定性受损，如图3、图4所示。

图3 100KN载荷下桥体节点位移变化情况

图4 100KN载荷下节点位移矢量情况

在以上两个节点位移图中能够清晰地看出各节点位移变化的情况，即各节点位移变化的方向和距离。从整体来看，桥面和上层结构中间部分节点位移变化情况比桥体两端明显，是变形情况最突出的部分。根据图中显示能够准确地判断出桥面各部分以及桥面上方的钢桁架各部分的倒塌趋势和倒塌方向，为桥梁爆破拆除施工安全范围的预测和划定提供了有效地参考，具有十分重要的指导意义。

图5是轴力图，显示了钢桁架结构中各构件受到轴力的情况，图6是弯矩图，显示了桥体受弯矩的情况。由于桥面左侧的两个节点是固定支座，右侧的两个节点是滑动支座，从而桥面中心受到集中力载荷作用下不同构件受到的力的情况不同，其中钢桁架左侧的端斜杆受到轴力最大，中间的腹杆受到轴力其次，钢桁架右侧和上层杆件受到轴力最小。根据以上分析能够断定桥梁的钢桁架结构中最先受到破坏的部分是左侧的端斜杆，最不容易受到破坏的部分是右侧的端斜杆和上层的横杆。对桥梁的死角位置采取单独的爆破拆除，以保证桥梁的完全爆破拆除，达到预期的拆除目的。在修建桥梁时，必须保证桥体固定端一侧的主要受拉构件具有足够的强度，以保证桥梁结构的稳定性。表1表2所示。

图5 100 KN载荷下的构件受轴力情况

图6 100KN载荷下构件受弯矩情况

表1 各节点元素上受轴力、剪力和弯矩的情况

表2 各节点在三个坐标轴方向的位移情况

从上面两个表中的数据可以清晰地看到，各节点在X轴、Y轴、Z轴方向上的位移都不相同，其中Y轴方向上的位移情况最明显。根据各节点受到轴力、剪力和弯矩的情况能够看出桥体两端处构件受到轴力最大，在3号、4号、7号和8号节点处受到的弯矩最大，各构件受到的剪力很小，几乎可以忽略不计。综合桥梁受到的轴力、剪力和弯矩情况来看，杆件受到轴力为主，桥体受到弯矩次之，钢桁架受到的剪力很小，所以应该把桥梁倒塌的力学分析重点放在钢桁架所受的轴力上。

3 结束语

文中利用动力学分析软件ANSYS/LS-DYAN，并结合桥梁爆破拆除专业理论知识尤其是钢桁架结构桥梁的爆破设计、分析技术和工程实际经验，采用分离式共节点的钢桁架简支桥梁模型，模拟桥体从结构变形到失稳的过程，从而实现了桥梁爆破拆除过程的连续仿真模拟，能够为类似桥梁的爆破拆除数值模拟提供借鉴和参考。

[1]李亚东．桥梁工程概论[M]．成都：西南交通大学出版社，2001：5-7.

[2]杨元辉．桥梁拆除爆破数值模拟研究，2014：12-18.

[3]张凯．城市高架桥爆破拆除及数值模拟研究，2015：5-6.

[4]贾海鹏．有限元分析法在桥梁拆除爆破中的应用，2014：7-8.

[5]邵旭东．桥梁工程(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，在读研究生；冯晓臣（1963-），男，辽宁阜新人，硕士，副教授，研究方向：模拟仿真。