悬索拱桥爆破拆除的有限元力学分析

2020-10-30冯晓臣

科学技术创新 2020年31期

冯晓臣

（沈阳理工大学装备工程学院，辽宁沈阳110159）

随着经济高速发展，越来越多的桥梁已不能满足安全使用、交通畅通的需求，需要对其进行爆破拆除[1]。经过数十年的实践，广大爆破工作者在桥梁拆除爆破领域已经积累了非常丰富的经验，但是，随着爆破的作业环境变得越来越复杂，给桥梁爆破作业带来了新的挑战[2]。另外，当前最常用的控制爆破拆除技术，其规范仍处于定性设计的范畴，理论研究落后于工程实践，爆破事故时有发生，限制了此技术的发展[3]。因此选择高效、经济、安全的桥梁拆除方案显得尤为重要[4]。所以通过ANSYS 有限元软件对桥梁进行数值模拟受力分析，并即将其受力分析的结果应用于爆破方案的设计，可以较为合理的设计桥梁爆破方案。

1 有限元软件简介

ANSYS 软件是美国ANSYS 公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，它是世界范围内增长最快的CAE 软件，能够进行包括结构、热、声、流体、以及电磁场等学科的研究，在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电领域有着广泛的应用[4]。它能够进行结构静力学分析、结构动力学分析、非线性分析以及结构疲劳分析等，因其具有的强大功能，它被应用于各行各业，几乎能够满足用户的各种复杂模型分析。

2 模拟结果及受力分析

2.1 施加位移约束：在悬索拱桥左端的9 号和25 号节点处施加位移约束，使其在X、Y、Z 三个方向上不能发生位移。在右端的16 号和32 号节点处施加Y 和Z 两个方向上的位移约束使之不能发生位移。

2.2 施加集中力：在悬索拱桥的一侧位置即11、12、13、14 节点处施加-1x108N 大小的集中力，方向为Y 方向。另一侧施加同样大小和方向的集中力。

2.3 施加重力：在建模前已经选取了桥体框架和桥面的材料模型，同时定义了它们的弹性模量、泊松比和密度大小。根据桥梁的体积系统能自动计算出桥梁的重力，如图1 所示。在1x108N 大小的载荷下桥梁发生结构变形如图2 所示。

图1 施加载荷后的模型

图2 结构变形图

因为桥梁的左端被固定，右端只能发生X 方向上的位移，在重力的作用下，桥面下面的拱桥支柱向左发生位移，左端桥面逐渐向下倾斜，然后中间桥面向下塌陷，整座桥梁向左小幅度偏移，桥面上的各节点发生不同程度的位移。整座桥体发生变形后，桥面开裂。由于桥面发生塌陷，所以悬索和桥拱随着桥面向下而发生变形。桥梁的平衡被打破，整体发生失稳。如图3 和图4 所示。

图4 节点位移矢量图

通过图3 可以看出，桥梁两端发生位移最小，从左到右位移逐渐增大然后再减小，直至在右端悬索与桥拱连接处以及桥拱和桥面连接处达到最大，随后再缓慢减小。图3 清晰的表示出了桥梁各个部件的位移发生情况，对桥梁拆除爆破的设计具有一定的参考价值。

图6 剪力图

图7 弯矩图

图5、图6 和图7 分别是桥梁在1x108N 载荷下的轴力图、剪力图和弯矩图。从图5 可以看出，桥拱一侧的两端轴力最小，另一侧的轴力大小变化趋势是从左到右逐渐增加。桥面下面的桥拱支座轴力最大。图6 显示了桥梁最左侧的桥拱剪力最小，左端桥面下面的竖直桥体支座和右端的桥拱所受剪力最大。桥面上方的桥拱剪力变化是从左到右逐渐减小。图7 是弯矩图，在桥面上方的桥拱两端即桥面和桥拱连接处弯矩最大，桥面下的桥拱支座弯矩最小。从3 号节点到6 号节点弯矩是先减小后增大再减小，从6 号节点到7 号节点弯矩大小是逐渐增大，直至达到最大值。由对称性可知，另一侧的弯矩情况和刚才分析的一样。三幅图中悬索的轴力，剪力和弯矩大小都是所在图中所受力的中间值。由上述受力分析可知，在进行桥梁的爆破拆除时，可根据受力情况布置炮孔。受力大的部位，炮孔少，装药量少，受力小的部位，炮孔和装药量相对多一些。

表1 是各节点位移，每个节点的位移都不一样。其中8 号节点在X 轴方向上位移最大，6 号节点在Y 轴方向位移最大，5 号节点在Z 轴方向上最大。从表2 可以看出9 号节点所受轴力最小，8 号节点所受轴力最大。剪力大小则是8 号节点最小，7 号节点最大。轴力主要集中在桥梁的桥拱和悬索上，弯矩次之，最后是剪力。从桥梁的总体受力情况来看，轴力是最主要的，剪力和弯矩很小，有的部位甚至为零，所以桥梁塌陷时的受力分析主要放在拱桥和悬索上。