钢筋混凝土空心薄壁高墩爆破拆除数值模拟.pdf

第3 1 卷第2 期 2 0 1 4 年6 月 爆破 B L A S T I N G V o l I3 lN o ．2 J u n ．2 0 1 4 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 4 ．0 2 ．0 1 9 钢筋混凝土空心薄壁高墩爆破拆除数值模拟术 冯剑平1 ，李本平2 ，黄平明1 ，王蒂 1 ．长安大学公路学院，西安7 1 0 0 5 4 ；2 ．第二炮兵指挥学院工程系，武汉4 3 0 0 1 2 摘要在桥梁结构中，钢筋混凝土薄壁高墩常因其自身的稳定失效问题而需要被拆除。高为5 0m 的垂 直度不满足要求的钢筋混凝土薄壁高墩，根据现场作业环境，决定对其实施定向爆破拆除。利用有限元分析 软件A N S Y S ／L S D Y N A ，建立了薄壁高墩的分离式共节点模型；采用两种模拟方案对薄壁高墩进行数值模拟 研究分析。两方案中的爆破切口形状分别为正梯形和倒梯形，并且对其倒塌效果和倒塌范围进行了对比；结 合现场实际需求和数值模拟效果，选取倒梯形的爆破切口对薄壁高墩实施爆破拆除，达到了预期的爆破效 果。结果表明分离式共节点模型可以模拟薄壁高墩的倒塌过程，并且倒梯形切口更有利于薄壁高墩的定向 爆破拆除倒塌。 关键词薄壁高墩；定向爆破拆除；A N S Y S ／L S D Y N A ；分离式共节点模型；梯形爆破切口；倒塌效果 中图分类号T U 7 4 6 ．5文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 4 0 2 0 0 9 1 一0 4 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fE x p l o s i v eD e m o l i t i o no f H i g hH o l l o wT h i n - w a l lR e i n f o r c e dC o n c r e t eP i e r s F E N GJ i a n - p i n 9 1 ，L IB e n - p i n 9 2 ，H U A N GP i 昭一m i n 9 1 ，W A N GD i l 1 ．I n s t i t u t eo fH i g h w a y ，C h a n g ’a nU n i v e r s i t y ，X i7 a n7 1 0 0 5 4 ，C h i n a ； 2 ．D e p a r t m e n to fE n g i n e e r i n g ，T h eS e c o n dA r t i l l e r yC o m m a n dC o l l e g e ，W u h a n4 3 0 0 1 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h eh i g ht h i n w a l lr e i n f o r c e dc o n c r e t ep i e r si nb r i d g es t r u c t u r ew e r eo f t e nd e m o l i s h e db ye x p l o s i v e b l a s t i n gd u et ot h es t a b i l i t yf a i l u r ep r o b l e m s ．A5 0mh i g ht h i n w a l lr e i n f o r c e dc o n c r e t ep i e rW a sd e s i g n e d t ob ed e m o l i s h e dd i r e c t i o n a l l yb yb l a s t i n ga c c o r d i n gt ot h es u r r o u n d i n g s ．F i r s t l y ，ac o m m o nn o d eo fs e p a r a t em o d e lo ft h eh i g h t h i n w a l lr e i n f o r c e dc o n c r e t ep i e rW a sb u i l tw i t hf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eA N S Y S ／L S D Y N A ；t h e n ，t h eh i g ht h i n w a l l p i e rw a sa n a l y z e dw i t ht w on u m e r i c a ls i m u l a t i o ns c h e m e s ．T h eb l a s t i n gc u tw a ss e p a r a t e l yt r a p e z o i d a la n di n v e r t e d t r a p e z o i d a l ，a n dt h ec o l l a p s ee f f e c ta n dt h es c o p eo fc o l l a p s ew e r ec o m p a r e d ；f i n a l l y ，t h ei n v e r t e dt r a p e z o i d a lb l a s t i n g c u tW a sa p p l i e dt ot h eb l a s t i n gd e m o l i t i o np r o c e s sc o m b i n i n gw i t ht h er e q u i r e m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u h ， a n dt h ee x p e c t e de f f e c tW a so b t a i n e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es e p a r a t ec o m m o nn o d em o d e ls i m u l a t e dt h ec o l l a p s e p r o c e s so fh i g ht h i n w a l lp i e r sw e l la n dt h ei n v e r t e dt r a p e z o i d a lb l a s t i n gc u tW a Sa p tf o rt h i n - w a l lh i g hp i e r sd e m o l i t i o nw i t I ld i r e c t i o n a lb l a s t i n g ． K e yw o r d s h i g ht h i n w a l l e dp i e r s ；d i r e c t i o n a le x p l o s i v ed e m o l i t i o n ；A N S Y S ／L S D Y N A ；c o m m o nn o d ea n d s e p a r a t em o d e l ；t r a p e z o i d a lb l a s t i n gc u t ；c o l l a p s ee f f e c t 收稹日期2 0 1 4 0 1 2 8 作者简介冯剑平 1 9 8 7 一 ，女，山东德州人，博士研究生，主要从事 钢筋混凝土桥梁爆破拆除与数值模拟研究， E m a i l f e n g j i a n p i n 9 1 9 8 8 1 2 6 ．c o r n 。 通讯作者黄平明 1 9 6 5 一 ，男，湖北当阳人，长安大学教授、博士生 导师，主要从事公路桥梁养护与加固技术研究， E m a i l h p m i n g r i p ．s i n a ．c o r n 。 基金项目国家自然科学基金面上项目 5 1 2 7 8 0 6 4 ；国家自然科学 基金 5 1 2 0 8 0 5 6 ；黄土地区公路建设与养护技术交通行 业重点实验室开放课题 K L T L R Y 1 2 - 7 在桥梁结构中，桥梁墩台承担着桥梁上部结构 所产生的荷载，并将荷载有效地传递给地基基础，是 桥梁结构的关键部位，2J 。空心薄壁高墩常用于钢 筋混凝土刚构桥或者高架桥中，由于其自身的结构 特点，经常会出现稳定失效问题而需要被拆除。爆 破拆除方法是建筑结构进行拆除的主要手段，因其 万方数据 爆破 2 0 1 4 年6 月 高效、快捷的特点在建筑结构的拆除中得到了广泛 的应用。为了优化爆破拆除的设计方案和达到预期 的爆破拆除效果，利用有限元分析软件A N S Y S ／L S D Y A N ，尝试采用共节点分离式钢筋混凝土模型，对 空心薄壁高墩的爆破拆除过程进行数值模拟研究， 为数值模拟方法在爆破拆除过程中的实际应用提供 理论依据和技术支持j 。 1 数值计算方法 在A N S Y S ／L S - D Y A N 中，采用的是一种显示方 法改进的中心差分时间积分法[ 3 引。在t 时刻 的加速度定义为 { o 。} [ M ] - l [ F f ] _ [ F 一 1 式中{ F ，} 为施加的外部力矢量；{ F I “} 为内部力 矢量。定义F 妇 ∑ 』B T 盯。d n F 培 F c o ““ ，其 务 中F 垤为沙漏阻力，F 。～‘为接触力。 速度和位移计算如下式 { K △舱} { K 一△眈} { 口。} △￡。 2 式中{ u 。血} { u ，} { K △f ／2 } A t 。 A t ／2 ；A t 。 A t ／2 5 △￡。 出。△。 。 式 1 和式 2 不需要对刚度矩阵进行分解，内 部矢量包含所有的非线性问题，不需要对其进行收 敛检查。该方法在处理接触碰撞、爆炸等大变形、大 位移问题中具有优势。 2 工程实例 某大桥的薄壁高墩，因不能满足垂直度的要求， 决定对其实施爆破拆除∽J 。该钢筋混凝土薄壁空 心高墩高约5 0m ，墩身为矩形截面，外围长6 ．5m ， 宽3 ．0m ，内空长5 ．5m ，宽2 ．0m ，四周均为钢筋混 凝土承重结构，承重壁厚0 ．5m 。桥墩结构见图1 。 该待拆除桥的桥墩为图中右5 号墩，桥墩地处 沟谷，西面为陡直山体。东面相距4 0m 处为右4 号 墩。南面相距1 5m 处为左5 号墩，两者之间为一施 工塔吊，北面为比较开阔空旷的场地。施工现场堆 放着密集的施工设备及材料，现场环境较为复杂，待 拆除桥墩周围环境如图2 所示。 3 有限元模型及数值分析 3 ．1 模型的建立 运用有限元分析软件A N S Y S ／L S D Y A N 建立此 薄壁高墩的有限元模型。混凝土和钢筋分别选择 S O L I D l 6 4 单元和B E A M l 6 1 单元进行模拟L 7J 。模 型采用与应变率有关的材料模型 水M A T P L A S T I C K I N E M A T I C 降他3 ，该材料模型是一种各向同性、随 动硬化或者是各向和随动混合模型，是在考虑C o w ． p e r - S y m o n d s 关系式的基础之上建立起来的，用与应 变率相关的因数来表示其动态极限屈服应力，即 盯， [ 1 号 ”h ／3 E ，s 罗 3 式中盯。为初始屈服应力；s 为应变率；C 、P 为C o w ． p e r - S y m o n d s 应变率参数；卢为强化可调参数，卢 0 为塑性随动强化模型，p 1 为各向同性强化模型； F F E p 为塑性随动强化模量E ， 筹，E 和E 。分别 “ u t a n 为弹性模量和切线模量；s 罗为有效塑性应变，占尹 ，，’、I ／2 J 占；占P 口 d t ，s ；为塑性应变率，s ； 占u 一占口e ，其中 b ’一 s 。为总应变率，占；为弹性应变率。 图1 桥墩结构 F i g ．1B r i d g ep i e rS lI u c t U I ’e 图2 爆破环境示意图 单位m F i g ．2B l a s t i n ge n v i r o n m e n ts c h e m e u n i t m 万方数据 第3 l 卷第2 期 冯剑平，李本平，黄平明，等钢筋混凝土空心薄壁高墩爆破拆除数值模拟 9 3 由于结构在倒塌过程中无法事先判断其接触 面，采用自动搜索接触面的单面接触方式来描述结 构与地面以及结构与结构自身之间的接触，采用点一 面的接触方式来模拟钢筋与地面之间的约束孓1 5J ， 采用面一面接触的方式来模拟薄壁墩与地面的接触。 薄壁高墩整体的有限元模型如图3 所示，钢筋模型 如图4 所示。 l 图3 有限元模型图4 钢筋模型 F i g ．3 F i n i t ee l e m e n tm o d e l F i g ．4 R e i n f o r c e dm o d e l 3 ．2 爆破模拟方案 根据现场作业环境，决定采用向北面定向倾倒 圈盆I _ 尸譬 _ 的爆破拆除方案，爆破切口设在桥墩宽度为3m 的 一侧。为了获得比较理想的爆破效果，对桥墩倾倒 反向一侧的钢筋进行预处理，使其更有利于高墩的 定向倾倒。爆破切口位于桥墩基础以上0 ．5m 。爆 破切口既要满足能支撑上部高墩，又要满足高墩倾 倒过程中的倾倒力矩大于其支撑力矩，以满足高墩 的顺利定向倒塌。综合考虑到现场施工的简便性和 经济性，决定采用两种不同形状的爆破切口进行数 值模拟研究，从中选取一种对定向爆破拆除薄壁高 墩有益的拆除方案。 方案一爆破切口形状为正梯形，位于基础以上 0 ．5m ，切口高度为6m ； 方案二爆破切口形状为倒梯形，位于基础以上 0 ．5m ，切口高度为6m 。 3 ．3 倒塌效果 方案一和方案二作用下的薄壁高墩的爆破拆除 数值模拟效果如图5 和图6 所示。从两图中可以得 出，在相同的计算时间里，方案二比方案一中的薄壁 高墩倒塌效果好，即倒梯形爆破切口的薄壁高墩比 正梯形爆破切口的薄壁高墩更易于定向倒塌。 b t 5 ．2 5S t 8 ．1sI d ， 1 3 ．6 5s eJt 图5方案一爆破拆除数值模拟效果 F i g ．5 N u m e r i c a ls i m u l a t i o no fe x p l o s i v ed e m o l i t i o ne f f e c ti ns ’h 8 ￡～R8 E HB E R 图6 方案二爆破拆除数值模拟效果 F i g ．6 N u m e r i c a ls i m u l a t i o no fe x p l o s i v ed e m o l i t i o ne f f e c ti ns c h e m et w o 3 ．4 坍塌范围 方案一和方案二作用下的薄壁高墩前冲方向最 大距离单元位移曲线图分别如图7 和图8 所示。从 两图中可以看到两方案的前冲位移一时间曲线走向 是相似的，方案二中高墩的坍塌范围比方案一中的 小，方案一中的倒塌范围为近3 5i n ，方案二中的倒 塌范围为2 8i n 左右，即倒梯形爆破切口的薄壁高墩 比正梯形爆破切口的薄壁高墩的定向倒塌范围小。 3 ．5 墩顶单元的y 向位移 分别选取两方案下的薄壁高墩结构的墩顶单 蟊裔＆_ f f l f 1 7 ．78 元，单元的y 向位移．时间曲线如图9 和图1 0 所示。 从两图中可以看到方案一中的下坐是从9s 时开 始的，而方案二中的下坐是从7s 开始的；薄壁高墩 开始下坐以后，方案一中的单元位移曲线．时间变化 比方案二中的墩顶位移．时间曲线平缓，方案一中墩 顶单元倒塌后的y 向位移为近5 0m ，方案二中为近 4 5i n 。方案二中的高墩下坐和单元破坏比方案一中 的严重，导致了方案二中薄壁高墩的急剧破坏。 LL 万方数据 爆破 2 0 1 4 年6 月 i i 一1 詈； 心一3 - 3 f ，s 图7 方案1 中的前冲方向最大距离单元位移曲线图 F i g ．7 T h ed i s p l a c e m e n tCHIVeo ff o r w a r dd i r e c t i o n m a x i m u md i s t a n c ei ns c h e m eo n e 5 ～0 姜一5 8 一1 0 毽 善一1 5 运一2 0 N 一2 5 3 0 f ，8 图8 方案2 中的前冲方向最大距离单元位移曲线图 F i g ．8 T h ed i s p l a c e m e n tC H I V eo ff o r w a r dd i r e c t i o n m a x i m u md i s t a n c ei ns c h e m et w o 苌 ∞ 寒 专 皇 鲁 运 吐 f ，s 图9 方案一中墩顶单元l ，向位移一时间曲线 F i g ．9 Yd i s p l a c e m e n t t i m ec u r v eo ft h e p i e rt o pu n i ti ns c h e m eo n e f ／8 图1 0 方案一中墩顶单元y 向位移一时间曲线 F i g ．1 0 Yd i s p l a c e m e n t t i m ecurveo ft h e p i e rt o pu n i ti ns c h e m et w o 4 实际倒塌效果 通过对两种方案下的薄壁高墩的有限元模型结 果进行数值分析，综合考虑到倒塌效果、倒塌时问和 倒塌范围，决定选择方案二中的倒梯形切口对薄壁 高墩进行爆破拆除，爆破效果如图1 1 所示。从图中 可以看到，薄壁高墩顺利倒塌，薄壁高墩的定向倒塌 成整体状，因此需对其进行二次处理，因此小范围的 定向倒塌可以减小二次处理的工作量并且降低对周 围环境和地面冲击振动的影响。 图1 1 实际爆破拆除效果 F i g ．11 T h ea c t u a le f f e c to fe x p l o s i v ed e m o l i t i o n 5 结论 1 利用有限元软件A N S Y S ／L S ．D Y A N 建立的 钢筋混凝土薄壁高墩的分离式共节点模型优化和模 拟其爆破拆除方案是可行的。 2 对钢筋混凝土薄壁高墩进行定向爆破拆除 且爆破切口尺寸相同时，采用倒梯形爆破切口比采 用正梯形爆破切口更有利于高墩的定向倒塌，且倒 塌范围小，减少了爆后二次处理的工作量，减小了对 周围环境和地面的冲击振动。 3 采用倒梯形爆破切口对薄壁高墩实施爆破 拆除的效果良好，按预定方向顺利地实现了倒塌。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 范立础，徐光辉．桥梁工程[ M ] ．北京人民交通出版 社，2 0 0 9 ． [ 2 ]陈辉．空心薄壁高墩结构优化设计[ D ] ．哈尔滨哈 尔滨工业大学，2 0 1 1 ． [ 2 ] C H E NH u i ．O p t i m i z a t i o nd e s i g no fh o l l o wt h i n w a l l e dh i g h p i e rs t r u c t u r e [ D ] ．H a r b i n H a r b i n I n s t i t u t eo fT e c h n o l o g Y ，2 0 1 1 ． i nC h i n e s e 下转第1 1 8 页 万方数据 1 1 8爆破 2 0 1 4 年6 月 [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] 胡伟．人和大桥爆破拆除设计与施工[ J ] ．工程爆 破，2 0 1 2 ，1 8 2 6 9 - 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7 8 ． i nC h i n e s e 李本平，金正勇．超高薄壁桥墩爆破拆除[ J ] ．爆破， 2 0 1 3 ，3 0 1 8 6 8 9 ． L IB e n p i n g ，J I NZ h e n g y o n g ．E x p l o s i v ed e m o l i t i o no fu l t r a h i g ha nt h i ns h e l l e dp i e rb u i l d i n g [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 3 ， 3 0 1 8 6 8 9 ． i nC h i n e s e 蒋维成，丁刚毅．A N S Y S ／L S D Y A N 程序算法和使用方 法[ M ] ．北京北京理工大学出版社，1 9 9 6 ． 许沛．钢筋混凝土结构爆破拆除过程有限元模拟研 究[ D ] ．北京北京理工大学机电学院，2 0 0 5 ． X UP e i ．F i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no ft h ep r o c e s so fb i a s t i n gd e m o l i t i o no fr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e [ D ] ．B e i j i n g I n s t i t u t eo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a l i nB e i j i n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，2 0 0 5 ． i nC h i n e s e 王磊．分离式共节点钢筋混凝土有限元模型研究 [ D ] ．北京北京理工大学机电学院，2 0 0 8 ． W A N GL e i ．R e s e a r c ho nc o m m o nn o d ea n ds e p a r a t em o d - [ 4 ] [ 5 ] a 1 ．C o n t r o l l e db l a s t i n gi nl o n gr i v e rb r i d g ed e m o l i t i o n a p p l i c a t i o n [ J ] ．E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，2 0 1 0 ，1 6 2 6 0 ．6 2 ． i nC h i n e s e 王旭光．爆破设计与施工[ M ] ．北京冶金工业出版 社，2 0 1 1 ． 刘殿中．工程爆破手册[ M ] ．北京冶金工业出版社， 1 9 9 9 ． e lo fr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e [ D ] ．B e i j i n g I n s t i t u t e o fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a li n B e i j i n gU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ，2 0 0 8 ． i nC h i n e s e f1 0 ] Y A N GGL ，Y A N GJ ，C H E NPW ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o n o ff r a m e s h e a rw a l ls t r u c t u r eb l a s t i n gd e m o l i t i o n [ J ] ． N e wD e v e l o p m e n to nE n g i n e e r i n gB l a s t i n g ．M e t a l l u r g i c a l I n d u s t r yP r e s s ，2 0 0 7 ，1 2 0 4 3 1 4 3 1 7 ． [ 1 1 ]许沛，杨军，安二峰．微差爆破拆除筒仓构筑物的 倒塌过程动态仿真[ J ] ．工程爆破，2 0 0 5 ，1 1 4 8 1 0 ． [ 11 ] X UP e i ，Y A N GJ u n ，A NE r f e n g ．D y n a m i cs i m u l a t i o no n t h ec o l l a p s ep r o c e s so fd i f f e r e n t i a lb l a s t i n gd e m o l i t i o no f s i l os t r u c t u r e [ J ] ．E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，2 0 0 5 ，1 1 4 8 - 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