城市高架桥梁爆破塌落冲击浅埋管线的影响.pdf

第4 6 卷第4 期 2 0 1 7 年8 月 爆破器材 E x p l o s i v eM a t e r i a l s V 0 1 ．4 6N o ．4 A u g ．2 0 1 7 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 8 3 5 2 ．2 0 1 7 ．0 4 ．0 1 0 城市高架桥梁爆破塌落冲击浅埋管线的影响米 葛晓霞陈顺禄姜楠徐全军 解放军理工大学野战工程学院 江苏南京，2 1 0 0 0 7 [ 摘要]随着城市交通的日益拥挤，一些已建成并使用的桥梁因病害、承载能力不足等问题需要被拆除。针对 如何减弱桥梁爆破拆除塌落过程对浅埋管线的冲击影响问题，通过高架桥爆破塌落桥体对浅埋管线冲击响应分 析，采用数值模拟的方法模拟典型高架桥爆破拆除倒塌过程对地面冲击作用，以及通过浅埋典型管线的抗振模拟 试验，提出塌落桥体冲击作用下浅埋管线综合防护原则及关键技术。 [ 关键词]桥梁爆破；浅埋管线；数值模拟；塌落冲击 [ 分类号] T D 2 3 5 S h o c kE f f e c to fV i a d u c tC o l l a p s i n gB l a s t i n go nS h a l l o wB u r i e dP i p e l i n ei nC i t y G EX i a o x i a ，C H E NS h u n l u ，J I A N GN a n ，X UQ u a n j u n F i e l dE n g i n e e r i n gC o l l e g e ，P L AU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y J i a n g s uN a n j i n g ，2 1 0 0 0 7 [ A B S T R A C T ]W i t ht h eu r b a nt r a f f i cc o n g e s t i o n ，s o m eb r i d g e sh a v et ob ed e m o l i s h e dd u et of u n c t i o n a lf a i l u r ea n di n s u f f i c i e n tl o a dc a p a c i t y ．I no r d e rt or e d u c et h ei m p a c to fb r i d g eb l a s t i n go ns h a l l o wb u r i e dp i p e l i n e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n w a su s e dt oa n a l y z et h ec d l a p s ep r o c e s so fb l a s t i n gd e m o l i t i o no fu r b a nv i a d u c t ．F u r t h e r m o r e ，i nc o m b i n a t i o nw i t hs e i s m i c s i n m l a t i o ne x p e r i m e n to fs h a l l o wb u r i e dp i p e l i n e ，t i l ep r i n c i p l ea r i dk e yt e c h n o l o g yo fs h a l l o wb u r i e dp i p e l i n ec o m p r e h e n s i v e p r o t e c t i o na r ep u tf o r w a r d ． [ K E Y W O R D S ]b r i d g eb l a s t i n g ；s h a l l o wb u r i e dp i p e l i n e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c o l l a p s i n gs h o c k 引言 复杂环境下城市高架桥梁的爆破拆除除了在爆 破设计上加以保证，还需要采取切实可行的防护措 施，保证地下管线在不停水、电、气的情况下安全运 行。城市中地下管线的特点 1 种类繁多 涉及到给水、排水、供电、燃气、集 中供热、邮政电信、工业管道等 ； 2 设计单位多 单弱电管线涉及到中国电信、 铁通、网通、移动、联通、长城宽带、广电、公安交警、 军队、各级政府等单位和部门 ； 3 分布错综复杂 4 深浅不一 5 年代久远，资料不全。 城市桥梁 尤其是城市高架桥 拆除往往涉及 到上述浅埋管线的安全保护问题，这给城市高架桥 的爆破拆除带来了巨大挑战。 1 城市高架桥梁塌落桥体冲击及浅埋 管线响应的理论分析 1 ．1 塌落桥体对地冲击强度分析 当桥体失去支撑后，如果没有相邻桥体的牵连 作用，桥体将做自由落体运动，将桥体的势能转化为 动能。触地时，通过对地面的冲击作用把能量传递 给基础或地基，再通过地基介质传给浅埋管线及深 部地基，以地震波的形式传递后衰减消失。 要减小桥体对地基的冲击影响，关键是延长桥 体对地面的作用时间和改变冲击荷载作用于地面的 方式。方法包括⋯ 1 对单个桥墩而言，可利用残余墩柱分段、分 次弹塑性支撑来削减梁体的动能 2 对多个桥墩，利用毫秒延时技术，使桥墩支 粜收稿日期2 0 1 7 - 0 1 - 0 9 作者简介葛晓霞 1 9 8 7 一 ，女，研究方向桥梁结构工程与抗振分析。E - m a i l 1 7 1 3 9 1 2 3 3 6 q q ．C O l l l 通信作者徐全军 1 9 6 6 一 ，男，博士，教授，研究方向爆炸毁伤机理及其应用研究。E - m a i l 7 3 7 7 5 4 5 0 6 q q ．c o i n 万方数据 4 6 爆破器材 第4 6 卷第4 期 撑先后失效，造成桥体错时分段作用于地面，以减小 桥体对地面的冲击作用强度 3 增大接触面积，延长作用时间，以减小冲击 荷载强度，同样可减小对浅埋管线的振动影响。 1 ．2 浅埋管线响应分析 地面冲击荷载通过地基介质传给浅埋管线，从 而引起浅埋管线的整体位移和弹性或弹塑性变形。 当位移和变形控制在管线能承受的范围内，浅埋管 线还能正常运行，否则将引起运行故障，甚至会引发 严重事故。 因此．进行浅埋管线在冲击荷载作用下的响应 分析是十分必要的- 2 ] 。 塌落桥体冲击载荷冲压于管道上方，将使管道 附近土体被压缩，导致管道纵轴线方向产生垂直弯 曲变形，并产生纵向拉应力。冲压处管道产生横截 面内的变形，如管道由原来的圆形被压扁为椭圆形 等，见图1 。管顶内壁在弯矩和压力作用下产生横 向拉应力。当拉应力超过材料的容许应力时，管道 将开裂，影响使用。 桥体冲击荷载冲压于管道附近一侧，将引起侧 向变形，见图2 。 塌落桥体冲击还将引起管道随地基介质振动， 产生附近动应力， ◎ a 管道横截面图 b 管道纵断面图 图1管道上方受载示意罔 F i g ．1D i a g r a mo ft h el o a da b o ＼e L h ep i p e s a 管道横截面图Lb 管道侧涮变形图 图2 管道侧方受载示意图 F i g ．2D i a g r a mo ft h el o a db e s i d et h ep i p e s 1 ．3 浅埋管线的抗力分析 浅埋管线往往在工厂定制完成，运抵现场进行 安装，接头施工在现场完成。管材的抗力较高，接头 的抗力因素较多。无论是有压管道，还是无压管道， 其管道自身强度较好，容易出现问题的地方主要是 接头部位。因此，接头的抗力是决定管道在遭受塌 落桥体冲击后能否正常工作的关键。同时，管道从 施工到使用整个沉降过程，不因沟槽内土壤的回填 而终止，它还有一个较长时期的缓慢的沉降过程。 管道的沉降是由于管道发生了垂直方向的位 移。是管道底部的土壤受力后变形所致，不一定是管 道基础的破坏。沉降的快慢及沉降量的大小，随着 土壤的承载力、管道作用于沟底土壤的压力、管道和 土壤接触状态的变化而变化。 根据自来水管破坏性试验发现，水管失效破坏 始于刚性接头漏水．是由于过大的沉降差导致刚性 接头处的黏结材料失效。因此，相关规范给出管道 的沉降差不超过1 0m r l l 的规定，就是为了避免因沉 降过大产生失效而提出的直观控制数值。 2 城市高架桥梁爆破拆除倒塌过程的 数值模拟 针对城市桥梁爆破拆除倒塌过程及对地面冲击 响应问题进行数值模拟研究。本文计算中需要用到 压力和塑性体积应变的关系，根据相关数据及参考 文献得出压力与体积应变的关系式‘纠为 p 。8 ．6 2 6 1 0 5 e l S ．9 3 e - , 。 1 模拟计算中所用的土介质物理力学参数及压力 与体积应变的关系见文献[ 4 ] 。 城市桥梁爆破拆除主要是利用重力作用原理， 即当桥梁的承重构件失去支撑能力后，在本身的重 力作用下，会产生倾覆力矩，使桥梁坍塌，在坍塌过 程中解体破坏。爆破只是使桥梁承重构件破坏、失 去支撑能力的手段。根据前述假设，考虑到计算规 模等因素．模拟过程中没有涉及炸药爆炸作用下切 口的形成过程，只考虑重力影响，因此，在之前的处 理中，将桥梁节点定义为N o d a lC o m p o n e n t ，通过定 义重力加速度的时程曲线，利用关键字L O A D B O D Y Y 1 ，方向 将重力荷载施加到桥体上。5 7 。 由于距离管线较远处的高架桥倒塌触地产生的 应力波对管线影响甚微，为减小计算量，重点考虑管 线正上方的高架桥部分。数值计算时，高架桥桥面 长度取5 0I n ，倒塌触地速度为1 1 ．8m ／s 取最不利 ．j 骚 一蒜 万方数据 2 0 1 7 年8 月城市高架桥梁爆破塌落冲击浅埋管线的影响葛晓霞，等 4 7 情况桥体自由落体，高度7m ；管线混凝土支护层 为3 5c m 厚的C 5 0 钢筋混凝土，并根据管线实际尺 寸建立数值计算模型。有限元计算时，选择S o l i d l 6 4 六面实体单元对模型进行网格划分，有限元网格划 分情况如图3 所示。 管线 图3 地面、等效桥体、管线的网格划分 F i g ．3M e s h i n go ft h eg r o u n d ，e q u i v a l e n to ft h e b r i d g ea n dt h ep i p e l i n e 整个计算模型共划分有限元单元1 6 30 3 0 个， 节点1 7 41 0 6 个。为模拟土体的半无限空间，约束 对称面节点的法向位移和转动；除地表面外，其他边 界上均采用无反射边界条件桥体与土体、土体与管 线面的接触定义为自动面．面接触。 整个计算作用时间为2I l l s ，图4 为应力波在土 体中的传播过程；图5 为土体中典型位置单元的压 力、速度时程曲线图6 为管线中典型位置单元的压 ‘‘ f 、 10I l l s 图4 应力波在土体中的传播过程 F i g ．4S p r e a dp r o g r e s so ft h es t r e s sw a v ei nt h es o i l 3 5 3 0 2 5 邕2 0 蒌1 5 ‘R1 0 兰5 0 5 ．1 0 ， 印 E V ＼ 趟 趟 a 压力 时间／m s b 速度 图5土体中典型位置单元的压力 和速度时程曲线 F i g ．5 P r e s s u r ea n d 、 e l o e i t xt i i n eh i s t m ． yr u l 、eo f t jp i c a lp o s i t i o nu n i t si nt h es o i l 舟 山 茎 ＼ 长 上 ， 9 E 、一 、 型 淄 a 压力 时间／m s b 速度 图6 管线典型位置单元的压力 和速度时程曲线 F i g ．6 P r e s s u r ea n d 、。e l o c i t yt i m eh i s t o r yc u r v eo ft y p i c a l p o s i t i o nu n i t so np i p e l i n e 。11 。一1 J ；1J 1 1 。1J一一一11 酬嘶咻埘埘峨埘啉嘶|搴|莩Ⅲ ～|争邺螂删舭螂椰螂|荸阱一 ～|荸呱|睾伽帅舶舶懈咻j荸们 繁嬲 l l 嚣銮 塞 竺警篓塞 万方数据 4 8 爆破器材 第4 6 卷第4 期 力、速度时程曲线。 由计算结果结合以往科学实践，得到以下结论 1 在桥梁下落的冲击中心，管线最大有效压 力、最大振动速度出现在土体表面 最大值分别为 4 1 ．6M P a 及7 ．9m ／s 在桥体质量及土体性质、管 线埋深等条件确定时．管线的最大有效应力与最大 冲击力近似呈正比关系，即与桥体的触地速度近似 成正比关系。 2 城市桥梁倒塌触地时，作用于土体的冲击载 荷经管线周边的土体介质再作用于管线。冲击振动 波在土体内的衰减是由于其波阵面面积不断增加而 引起的辐射衰减，以及介质内由于黏性内摩擦所产 生的吸收衰减和冲击振动引起介质永久塑性变形所 产生的衰减。 3 数值计算结果表明，在高架桥倒塌触地后， 作用在管线的冲击压力较大，有可能使管线处于危 险中。因此，采取一定减振措施是必要的。比如在 预计倒塌区铺设刚度较小的缓冲材料，可以吸收部 分冲击能量，从而降低对地冲击的能量。相关冲击 对管线的实际影响研究应借助于模拟试验。 3 浅埋管线抗振模拟试验 根据待爆破高架桥下道路结构和自来水管的分 布和实际埋深情况，采用等效模拟的方法设计制作 试件。被测试件水管为实际管线布置中常用的 D N l 4 0 0 的三节球墨铸铁管和两节焊接钢管，分别 通过K 型承插接头、T 型承插接头、水泥石棉接头和 焊接接头连接。钢管一侧用法兰板接一蝶阀，外接 ⑦5 0 0m m 的焊接钢管，3 个端部用支墩顶托；一侧 设置球阀和加压设备，按0 ．4M P a 压力控制。主管 采用反开槽施工，埋深1 ．0m ，其中，管顶4 0e m 用 米砂回填。 待爆破高架桥结构特点是，现浇箱梁8 ．7m 3 ／ m ．桥面铺装3 ．1m 3 ／m ，防撞墙0 ．5m 3 ／m ，中隔板 1 ．0I n 3 ／m 。桥宽为9i n ．钢筋} 昆凝土自身所受重力为 2 4k N ／m 3 ．合计每平方米内静载为1 3 ．3X2 4 ／9 3 5 ．5k N ／m 2 ．落地高度按5 ．5m 计，自由落体撞击地 面时的速度为1 1 ．8m ／s ，单位面积承受的夯锤重力 为3 4 ．7 2k N ／m 2 ，按等冲量原则换算，即m 。秽。 m 旭，落锤落地高度应为h ， v i ／2 9 m ，钞，／m 2 ／ 2 9 7 ．2 9I n 。实际夯击时，考虑不均匀影响，同时验 证防护措施的有效性，将落锤高度提高至7 ．8m 。 为了给制定爆破后供水管道的抢修应急救援预 案提供依据，笔者依据弱防护、强冲击的原则进行了 破坏性试验，即在水管一侧仅设置两层轮胎，然后用 高度为7 ．8m 的强夯加载，两次后水管水压突然消 失。为察看破坏特征，经镐头机破碎开挖后场景和 破坏效果如网7 所示． c 刚性接头的竖刚十侧I l l j ’坚肜 图7 试验后水管及接头状态 F i g ．7P i p ea n dj o i n tc o n d i t i o na f t e rt e s t 水管破坏性试验结果表明，供水管道失压的主 要原因是在弱防护、近距离、大能量夯击单侧作用 下，刚性接头使水管产生过大的垂直和水平位移，最 终导致水管漏水，管身未发现过大的变形和开裂，其 他接头无异常。说明管身强度、刚度及其他接头能 抵抗此夯击能的作用，并能正常工作。 4 浅埋管线综合防护技术 4 ．1 浅埋管线防护技术分析 设梁体自高度h 自由下落到地面，其势能转化 为动能，梁体从初速度戈。 0 经过t ．时间后到达地 面，获得的速度为虎， 以矗／g 。 根据动量定理得 A ， △毗 JnR t d t R t A t ； 2 则梁体对地面的等效冲击荷载为 R f 一学。 3 ‘j ￡ 要减小桥体对地基的冲击影响，关键是延长桥 体对地面的作用时间以及冲击荷载作用于地面的方 锶嚣鎏，叠 万方数据 2 0 1 7 年8 月城市高架桥梁爆破塌落冲击浅埋管线的影响葛晓霞，等 4 9 式延长作用时间的方式包括- 8 i 1 利用残余桥墩与钢筋的支撑作用降低触地 速度。 为了减小桥梁塌落对地面的冲击作用强度，有 时选择分次阶梯式爆破，利用被炸的墩柱和混凝土 碎块的支撑作用阻碍被炸桥体的塌落运动。当桥墩 一次或分次爆破时，上部桥体开始塌落，墩柱内钢筋 和残余混凝土碎块对上部梁体塌落具有一定的支撑 作用。一次爆破的长度越大，墩柱内钢筋和残余混 凝土碎块对上部梁体的支撑作用越小反之，由于 钢筋一端被嵌固在下部混凝土中，一端简支在桥体 上，在上部桥体的重力作用下被压屈失稳并被压溃 后，进一步压碎残余混凝土块。在这个运动过程中， 桥体运动加速度趋于减缓，触地动能被部分．削减 2 利用支撑失效的先后顺序降低桥体对地面 的冲击影响 未爆破前，桥梁处于稳定状态当某个或多个 桥墩被炸，失去支撑时．在重力等不平衡力作用下， 桥体产生运动如果桥体弹性变形可以忽略，则桥 体产生刚体运动。 如图8 ，以跨径为2 、所受重力为G m g 的简支 梁为例，A 、B 桥墩的支反力为G ／2 ，当A 桥墩被炸 后，质心处产生不平衡力F t G ／2 、力矩T t G f ／4 ，桥体产生运动为质心的平动和绕质心的转动。 约束条件是B 桥墩处位移等于零。 一 ， L ． h 【享J8桥{ 本塌落运动不意图 F i g ．8D i a g l a l l l _ o fhr i d g ec o l l a p , [ n gn 1 L ，、e 1 1 t e n t 当4 端触地或位移受到约束时，下落高度为h ， 则约束条件为x 。 ￡， h ，运动受到阻碍，在t 。时 刻，质心的速度为膏。 t ， ，经过△f 后降为零，则在A 处产生的瞬间支反力应满足动量定理 则等效冲击荷载为 瓯 m ／ 尺 f 2 警。 C 4 3 增大塌落桥体触地的接触面积。 设触地冲击荷载为尺 t ，增大接触面积，则单 位面积上的压力即可减小，从而有效降低塌落冲击 影响当然，增大接触面积，就要多铺设缓冲材料， 增加施工成本。实施时应综合考虑。 4 延长桥体触地接触时间．从而降低桥体对地 面的冲击荷载强度。 由式 4 可知，下落桥体对地面的冲击作用荷 载与触地作用时间成反比，利用缓冲材料来延长触 地作用时间。达到减小触地作用荷载大小的目的。 如当△f 减小一半，则对地面的冲击荷载大小则降低 一倍9 4 ．2 浅埋管线多级复合缓冲防护方法 浅埋管线综合防护关键技术是一种多级复合缓 冲防护技术．通过多级复合缓冲防护技术的应用，把 高架桥塌落冲击荷载分级传送到远离浅埋管线的地 基，从而达到接载消能减振的作用。m 一多级复合缓 冲防护技术包括残余墩柱与砂袋墙组合接载消能 技术、废旧轮眙与钢板组合消能技术、砂袋墙加钢板 隔振消能防护技术和减振沟加钢板隔振消能防护技 术等 1 残余墩柱与砂袋墙组合接载消能技术 桥体在下落过程中触地就是把能量传给地面． 通过振动波传给地基及浅埋管线，引起浅埋管线振 动振动幅值大小与桥体着地方式有关，与着地点 到管线中心的距离有关为了减小对浅埋管线的振 动幅度。桥体着地速度越小越好，着地冲击强度越小 越好．着地时间越长越好。该技术具体体现在砂袋 墙可以根据上部桥体的外形构筑，有利于提高着地 面积．减小着地冲击强度；同时，砂袋墙在接载过程 中产生塑性变形．从而起到缓冲消能的作用 2 废旧轮胎与钢板组合消能技术 轮胎横向受载后，其刚度后，较小，变形较大 该阶段是通过轮胎橡胶的压缩和弯曲承载，类似于 偏心受压构件；上下层橡胶压缩密贴后，通过大面积 的橡胶层压缩承载．而且接触面积大。刚度高．此时 的七， 膏、．承载能力比第一阶段大大提高。总之，轮 胎通过产生大位移．延长了冲击振动作用时间．起到 缓冲消能的作用 为了保证轮胎群共同承载．在轮胎之间加铺钢 板，可以使各个轮胎受力趋于均匀．防止桥体塌落过 程中可能偏斜触地而出现的局部冲击荷载过大的问 题，从而达到保护浅埋管线的作用 3 砂袋墙加钢板隔振消能防护技术 砂袋墙具有适当的刚度，又可产生足够的塑性 万方数据 5 0 爆破器材第4 6 卷第4 期 变形，是一种经济合理的防护材料。但为了防止上 部结构不均匀触地造成局部应力过大，在砂袋墙的 基础上，增设钢板，钢板可以起到增大接触面积，扩 散应力的作用。钢板的位置可以设置在地表或砂袋 墙的顶部。 4 减振沟加钢板隔振消能防护技术。 减振沟是一种经济有效的保护措施。在需要保 护的管线处将土介质部分或全部清除。当地震波在 土介质中传播时，遇到减振沟，地震波无法继续向前 传播，从而不会在管道处产生大的波动，有效保护了 地下重要管线。 5结论 针对复杂环境城市桥梁爆破拆除中桥梁坍塌作 用下浅埋管线的综合防护技术进行了理论分析、模 拟计算和试验研究，并经过待爆高架桥爆破拆除工 程实践检验和完善，得出以下结论 1 在桥梁塌落冲击时，管线最大有效压力、最 大冲击速度出现在桥梁落地表面，与桥体的触地速 度呈正比关系。 2 管线受到的冲击加载是桥梁落地时通过管 线周边的土介质传递的，这为管线的安全防护提供 了空间。 3 要减小桥体对地基的冲击影响，关键是延长 桥体对地面的作用时间以及冲击荷载作用于地面的 方式。 4 多级复合缓冲防护方法能有效地减轻塌落 桥体对地基的冲击，从而达到有效防护浅埋管线的 效果。 参考文献 [ 1 ]范立础．桥梁工程[ M ] ．北京人民交通出版社 2 0 0 4 ． [ 2 ]叶见曙．结构设计原理[ M ] ．北京人民交通出版社 2 0 0 7 ． 『3 ]韩传伟．建 构 筑物爆破拆除倒塌触地振动研究 f D l ．武汉武汉科技大学，2 0 1 4 ． H A NCW ．R e s e a r c ho nt o u c h d o w nv i b r a t i o na n a l y s i so f b u i l d i n g c o l l a p s ed u et ob l a s t i n gd e m o l i t i o n [ D ] ．W u h a n W u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ．，2 0 1 4 ． [ 4 ]纪冲，龙源，金广谦，等．隧道结构在桥梁爆破拆除塌 落冲击作用下动力响应的数值模拟分析[ C ] ／／中国 力学学会．中国爆破新技术Ⅲ．北京冶金工业出版 社，2 0 1 2 ． [ 5 ] 杨元辉．桥梁拆除爆破数值模拟研究[ D ] ．南宁广 西大学，2 0 1 4 ． Y A N GYH ．R e s e r a c ho nn u m e r i c a ls i m u l a t i n go fh i g h w a yb r i d g eb l a s t i n gd e m o l i t i o n [ D ] ．N a n n i n g G u a n g x i U n i v e r s i t y ，2 0 1 4 ． [ 6 ] 季杉，王桂玲，谢伟平．高架桥爆破坍塌全过程数值 模拟与分析[ J ] ．爆破，2 0 1 4 ，3 1 4 7 6 8 1 ． J IS ，W A N GGL ，X I EWP ．A 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