高架桥爆破拆除倒塌过程数值模拟研究.pdf

第2 7 卷第4 期 2 0 1 0 年1 2 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 7N o ．4 D e c ．2 0 1 0 D 0 1 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 0 ．0 4 ．0 2 0 ‘芭i _ 力口 同禾桥爆破拆除倒塌过程数值模拟研究 郝晓宁，龙源，谢 刚 解放军理工大学工程兵工程学院，南京2 1 0 0 0 7 摘要- 采用数值模拟方法对建筑物倒塌过程的研究不仅可以体现倒塌过程的力学本质，而且还可对倒塌 过程进行结果预测或对建筑物的倒塌过程进行再现，反映建筑物的倒塌破坏规律。以某高架桥为例，分析和 探讨了拆除爆破中高架桥倒塌数值模型的建立方法，采用有限元软件L S D Y N A 对高架桥的倒塌过程及桥体 解体破碎情况进行了数值模拟，为有限元法在高架桥结构爆破拆除数值模拟中的实际应用提供理论依据和 技术支持。 关键词数值模拟；爆破拆除；倒塌过程；L S D Y N A ；高架桥 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 0 0 4 0 0 7 8 一0 4 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fC o l l a p s eP r o c e s so fV i a d u c t 7 S E x p l o s i v eD e m o l i t i o n H A OX i a o n i n g ，L O N GY u a n ，X I E 能粥 E n g i n e e r i n gI n s t i t u t eo fE n g i n e e r i n gC o r p s ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c e T e c h n o l o g yo fP L A ，N a n j i n g2 1 0 0 0 7 ，C h i n a A b s t r a c t S t u d y i n gt h ep r o c e s so ft h eb u i l d i n g ’sc o l l a p s eb yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dc 舳n o to n l y 静 f l e e tt h em e c h a n i c a ln a t u r eo ft h ec o l l a p s ep r o c e s s ，b u ta l s op r e d i c tt h er e s u l to ft h ec o l l a p s ep r o c e s so rr e p r o d u c et h e b u i l d i n g ’sc o l l a p s ep r o c e s s ．M o r e o v e r ．i tc a nr e f l e c tt h el a wo ft h ec o f i a p s eo ft h eb u i l d i n g ．A sa l le x a m p l eo fa v i a - d u c t ，t h em e t h o do fm o d e l i n gt h ec o l l a p s eo ft h ev i a d u c te x p l o s i v ed e m o l i t i o nW a Sd i s c u s s e d ．F u r t h e r m o r e ，t h ec o l l a p ∞p r o c e s sa n dt h ef r a g n m t i o nw e 陀a l s os i m u l a t i e da d o p t i n gt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eL s D Y N A ，w h i c hp r o v i d e s t h e o r e t i c a lb a s i sa n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ’Sp r a c t i c a la p p l i c a t i o ni nt h en u m e r i c a ls i m u l a - t i o no ft h ec o l l a p s ep r o c e s so fv i a d u c t ’se x p l o s i v ed e m o l i t i o n ． K e yw o r d s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；e x p l o s i v ed e m o l i t i o n ；c o l l a p s ep r o c e s s | 工5 - D Y N A ；v i a d u c t 0 引言 城市是人口、工业、商业、交通运输等各项事业 高度集中和发达的地方。随着社会的发展，我国城 市的交通流量急剧增大，造成城市交通拥挤。为解 决这个问题，就要改造旧路，发展城市交通事业。改 革开放以来，我国各大城市构建了大量的立交桥。 收稿日期2 0 1 0 0 6 3 0 作者简介郝晓宁 1 9 8 5 一 ，男，硕士研究生，从事地雷与爆炸器材 作用研究，E - m a i l h x n ．8 5 1 6 3 ．c Ⅷ。 但时隔3 0 年，随着社会生产力的高速发展，现有的 桥梁已远远不能满足人民生活的需要。相反，不少 桥梁由于当时设计不合理，反而对城市的交通起到 了阻碍作用。为满足人民群众日常工作生活的需 要，大量的城市立交桥需要拆除。而这些立交桥大 多处于人口密集、建筑物相对集中的地段。因此，对 拆除爆破技术的要求也越来越高。 以往，人们主要通过经验公式和定性分析进行 高架桥拆除爆破的设计，这种设计方法虽可满足一 般工程的需要，但也出现过导致工程失败的例子。 万方数据 第2 7 卷第4 期郝晓宁，龙源，谢刚高架桥爆破拆除倒塌过程数值模拟研究 7 9 基于A N S Y S ／L S ．D Y N A 有限元程序，针对某高架桥 拆除爆破倒塌全过程进行了数值模拟计算，分析和 研究高架桥的爆破拆除机理，作为有限元方法在高 架桥结构爆破拆除数值模拟的实例，并为爆破工程 设计提供参考依据。 1工程概况 某高架桥位于闹市区，由于城市建设的需要，现 需对该高架桥进行爆破拆除。该桥为双向四车道高 架桥，其主体结构为宽翼式等截面连续箱梁桥，纵横 向设置双向预应力筋，高架桥共分4 联，跨径组合分 别为4X 2 4 3X 2 6 2 4 i n ，共有2 2 个桥墩；下部 结构桥墩为钢筋砼独柱圆截面形式，交接墩为2 个 钢筋砼圆截面立柱，桥台为重力式桥台，承台为方型 钢筋砼结构。见图1 、图2 。 图1 爆破前高架桥 F i g ．1 D e m o l i s hb e f o r ev i a d u c t m000000 问 o 台l 。研联 2 ． 3 ． 4 ．5 。∥‘8 联 7 8 ．9 ’1 0 “I I 。l Z c 联 1 3 1 4 ．1 5 。1 6 1 D I 茨 1 7 。1 8 ’1 9 。2 矿台 高架桥立面图 ，旺石云石习臣二二写习二；；弓哥哥寻弓写习 U 。～ L J 高架桥平面图 图2 高架桥总体布置图 F i g ．2C o l l e c t i v i t y 蛔一m a po fv i a d u c t 对该高架桥实施控制爆破拆除方案的总体考虑 是将桥梁下部桥墩结构实施爆破破碎，在重力作用 下使上部桥面结构平稳地塌落于地面，然后采用机 械法破碎和清除。 爆破方案设计中，起爆顺序由北向南逐个起爆 桥墩，每个桥墩顺序起爆的时间间隔为2 5 0m s ，孔 内雷管用半秒5 段延期雷管，孔外接力延期雷管为 M S 8 段雷管，4 ．5 0S 内爆破完毕。爆破高度按立柱 本身的高度确定，一般在2 ．0 6 ．0m 之间变化。 2 钢筋混凝土材料模型 由于主要针高架桥爆破拆除倒塌过程进行数值 模拟，涉及到的相关材料模型为钢筋混凝土材料模 型㈣。 本构关系模型的选取对于数值模拟结果的准确 性起至关重要的作用，应根据计算所针对的材料合 理选取。在L S - D Y N A 中，适用于混凝土类材料本构 关系的模型主要有S o i l a n d F o a m 、P s e u d o ．T e n s o r 、 O r i e n t e d - C r a c k 、G e o l o g i c C a p 和C o n c r e t e D a m a g e 等。 其中，S 0 i l ．a n d ．F o a m 、O r i e n t e d ．C r a c k 和G e o l o g i c ．C a p 模型在模拟大变形时存在一定的局限性。C o n c r e t e ． D a m a g e 是由P 靶u d o - T e n s o r 模型改进而来的，增加 了一个残余强度面，可以考虑应变软化现象。该模 型包含初始屈服面、极限强度面、和残余强度面，然 后可以模拟后继屈服面在初始屈服面和极限强度面 之间以及软化面在极限强度面和残余强度面之间的 变化。于是混凝土材料模型就选用了C o n c r e t e D a m a g e o 将C 4 0 混凝土材料的轴向抗压、抗拉强度 需 将立方体强度转换成圆柱体强度 输入L S - D Y - N A 9 7 1 程序中，则自动生成混凝土材料程序计算的 其它参数⋯。 3 高架桥爆破拆除倒塌过程数值模拟 针对高架桥结构拆除爆破进行数值模拟，就是 按照特定的数学或物理模型，利用计算机程序进行 倒塌过程模拟的研究方法。它需满足以下几个方面 的要求 1 可以描述高架桥结构构件的局部破坏与整 体结构的失稳。 2 可以预测爆破效果，包括爆堆形态等。 3 可以根据模拟结果优化爆破设计；模拟和再 现结构的倒塌过程。 因此，将计算机模拟技术应用于高架桥拆除爆 万方数据 爆破 2 0 1 0 年1 2 月 破，可以连续地、动态地、重复地描述事物的发展规 律，了解结构整体倒塌与局部断裂破坏的详细过程。 同时，还可以把模拟结果中反映的信息反馈给爆破 设计，达到修正、完善爆破设计方案的目的。 3 ．1 计算模型 根据高架桥实际尺寸建立数值计算模型【3 剖。 有限元计算时，选择S O L I D l 6 4 六面实体单元分别 对高架桥及地面进行网格划分，实体单元在L S D Y - N A 程序K 文件中对应关键字为IS E C T I O N S O L - l D ，三维实体单元S O L I D l 6 4 由8 个节点组成，每个 节点具有9 个自由度 U X ，U Y ，U Z ，V X ，盯，V Z ，A X ， A Y ，A Z ，可以模拟混凝土材料的开裂和压碎特征。 高架桥及地面共划分6 9 0 8 3 0 个有限元单元，其有限 元网格划分情况如图3 所示。 图3 高架桥及地面的网格划分 F i g ．3G f i d d i n gp l o to fg r o u n da n dv i a d u c t 3 ．2 接触类型的选择 高架桥的倒塌过程分为桥墩突然失效、局部构 件失效、倒塌范围扩展和失效构件塌落4 个阶段。 在这一过程中，构件之间、构件与地面之间均会发生 接触与碰撞，因此求解过程需定义正确的接触类型。 L S D Y N A 接触类型主要包括单面接触、节点． 表面接触和表面一表面接触几种旧J 。 单面接触用于一个物体表面的自身接触和它与 另一个物体表面接触，使用单面接触时，A N S Y S ／L S D Y N A 将自动判断模型中哪处表面发生接触，无需 定义C o n t a c t 和T a r g e t 表面。当定义好单面接触时， 它允许一个模型的所有外表面都可能发生接触，这 对预先不知道接触表面的自身接触或大变形问题非 常有用。许多碰撞和撞坏事故动力问题都需要定义 单面接触。由于高架桥的失稳倒塌过程中的碰撞过 程复杂多样，因此采用自动单面接触比较合适，定义 过程简单而又节省运算时间。自动单面接触在L S D Y N A 程序K 文件中对应关键字为C O N T A C T _ A U T O M A T I C S I N G L E S U R F A C E 。 在L S ．D Y N A 程序K 文件中添加用于控制爆破 缺口 桥墩 单元失效的关键字，用M A T A D D E ． R O S I O N 表示，以实现依次起爆的效果。 3 ．3 高架桥倒塌过程数值模拟结果 将编制好的K 文件提交L S D Y N A 9 7 1 程序进行 计算，模拟桥墩依次爆破后高架桥结构在重力作用下 的坠落倒塌过程。整个模拟过程历时为5 ．4 5s 。桥 体结构倒塌过程数值计算结果如图4 所示。 图4 高架桥爆破拆除倒塌过程数值模拟 F i g ．4 N u m e f i c Ms i m u l a t i o no ft h ep r o c e s so ff i a d u c t ’sb l a s t i n gd e m o h f i o na n dc o l l a p s e 万方数据 第2 7 卷第4 期郝晓宁，龙源。谢刚高架桥爆破拆除倒塌过程数值模拟研究 8 l 高架桥桥体解体破碎形态如图5 所示。 图5 典型桥体部位解体破碎形态 F i g ．5F r a g n e n t a t i o nm a d 且l i t yo ft y p i c a lv i a d u c tp a r t 高架桥拆除爆破后倒塌结果如图6 所示。 图6 爆破后高架桥 F i g ．6 D e m o l i s ha f t e rv i a d u c t 通过L S D Y N A 程序的计算结果可以看出高架 桥在倒塌的过程中主要经历了如下几个阶段 ①高架桥在起爆1 ．2 0s 后，第5 号双桥墩爆破 完毕，高架桥第1 联由于失去桥墩的支撑作用，在自 重的作用下由1 到4 跨的顺序依次往下坠落，其每 跨衔接处开始断裂，到1 ．2 08 时第1 跨触地开始破 碎；②起爆2 ．3 0s 后，高架桥l O 号双桥墩爆破完 毕，高架桥第2 联在自重作用下由5 到9 跨的顺序 依次往下坠落，垮与跨连接处断裂，此时高架桥的第 l 联已完全塌落，桥面与地面由于发生碰撞而裂成 碎块；③起爆3 ．7 0s 后，第1 5 号双桥墩爆破完成， 高架桥第3 联在自重的作用下由1 0 到1 5 垮的顺序 依次开始坠落，垮与跨之间断裂，高架桥的l 、2 联触 地破裂；④当到达4 ．5 0s 后，高架桥所有桥墩爆破 完毕，高架桥l 、2 、3 联桥面触地破裂，第4 联处于塌 落中； 驺．4 58 后高架桥最后一跨桥体塌落破碎，此 时高架桥所有桥面均塌落破碎。 通过对高架桥整体倒塌过程的数值模拟，可以 看出 1 桥体在桥墩爆破后由北向南实现了连续性 倒塌，效果良好，模拟结果与理论计算结果和实测结 果基本一致，佐证了爆破方案设计对于爆破时间间 隔的正确性。 2 当桥墩被爆破失效后，悬臂端在重力的作用 下下坠，应力波沿桥体面向后传递，此时各桥墩应力 增大。 3 模拟结果显示，桥体在塌落过程中，桥面在 桥墩处发生断裂。桥体与地面接触后，由于势能转 化为桥体的动能，桥体碰撞地面后发生破坏，裂成碎 块。 图6 为实际爆破施工中高架桥塌落地面后的破 碎形态，可以看出，数值模拟结果与工程实际非常吻 合。因此，采用的数值模拟方法及相关材料模型是 正确的，可以准确预测高架桥在预定爆破方案条件 下的倒塌效果。 4 结语 采用L S D Y N A 有限元软件对高架桥爆破拆除 进行数值模拟是非常行之有效的。模拟地高架桥倒 塌坠落过程，桥体解体破碎过程对我们实际爆破设 计和施工都有一定的指导意义。通过此次实验，我 们今后在爆破类似的高架桥之前，即可采用L S - D Y - N A 程序对各种不同的爆破参数进行模拟计算，可 对其爆破效果进行模拟预测，确定良好爆破效果的 爆破参数，从而对爆破设计、施工和安全防护等提供 指导意义。 参考文献 [ 1 ] 余业清，钟冬望，汪洋．数值模拟在爆破拆除中的应 用[ J ] ．爆破，2 0 0 6 ，2 3 2 2 3 - 2 5 ． [ 2 ] 刘军，秦根杰．某桥梁爆破拆除及处理措施[ J ] ．爆 破，2 0 0 8 ，2 5 4 7 4 - 7 6 ． [ 3 ] L i v e r m o mS o f t w a r eT e c h n o l o g yC o r p o r A t i o n ．L S D Y N AK 呼 w o r dU s e r ’sM a n u a l 9 7 0 v [ M ] ．L i v e n m r e ，2 0 0 3 ． [ 4 ] C E B ．C o n c r e t es t r u c t u r e su n d e ri m p a c ta n di m p l o s i v el o a d i n g [ J ] ．S y n t h e s i sr e p o r t ，B u l l e t i n di n f o r m a t i o nN o1 8 7 C o n a n i t t e eE u r o - I n t e r n a t i o n a ld uB e t o nL a - u s a n n c ，1 9 8 8 ． [ 5 ] G E B B E K E NN ，R U P P E R T M ．A n e w m a t e r i a l m o d e l f o r 鲫l - c r e t ei nh i g h - d y n f l m i ch y d r o c o d es i m u l a t i o n s [ J ] ．A r c h i v eo f A p p l i e dM e c h a n i c s ，2 0 0 0 ，7 0 4 6 3 4 7 8 ． [ 6 ] M A L V A R LJ ，J O H N EC ．D y n a m i ci n c r e a s ef a c t o r sf o rC o n - c r e t e [ M ] ．T w e n t y E i g h t hD D E S BS e m i n a rO r l a n d oF L ，A u - g u s t1 9 9 8 ． 万方数据