第一章 緒論

1.1 研究背景
我國山河眾多，自然條件錯綜復(fù)雜，建橋歷史十分悠久。新世紀里，我國進入經(jīng)濟高速發(fā)展時期，同時也創(chuàng)造了我國建橋史上的一個個輝煌成就：享有當今橋梁界最高榮譽“喬治·理查德森獎”且長度位居世界第一的跨海大橋——青島海灣大橋、世界最大跨度的鋼箱梁懸索橋—西堠門大橋、創(chuàng)造世界跨度紀錄的鋼拱橋—上海盧浦大橋等，做出了在橋梁建造史上具有跨時代意義的卓越貢獻[1-5]。廣珠城際鐵路橋和京津城際鐵路沿線的橋梁比重分別達到了 90%和 88%；京滬高速鐵路沿線橋梁總長占到全線總長的 80%；目前已經(jīng)開工建設(shè)的濟青高速鐵路，全長 307.8km，橋隧所占比例達到了 86.89%；橋梁和涵洞的造價一般平均占據(jù)公路總造價的 10%—20%。這些工程成就和數(shù)據(jù)充分說明了橋梁在我國國民經(jīng)濟建設(shè)和交通系統(tǒng)中所占的比例越來越重。
然而，我國在橋梁建設(shè)的進步和發(fā)展過程中，也不可避免的存在著一些問題。比如，在橋梁設(shè)計方面：缺乏創(chuàng)新、經(jīng)濟性指標差，設(shè)計理論和結(jié)構(gòu)體系不完善，沒有用科學(xué)發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的觀念實施橋梁結(jié)構(gòu)的全壽命設(shè)計，缺少設(shè)計應(yīng)具有的可檢、可控、可換、可修、可強及可持續(xù)的特性；在工程質(zhì)量方面：不合理的施工周期和工程造價、不合格的工程材料、偷工減料、施工隊伍經(jīng)驗不足；在管理方面：領(lǐng)導(dǎo)階層缺乏質(zhì)量安全意識、管理不規(guī)范、法制意識薄弱[2, 6]。

以上這些先天不足的問題導(dǎo)致許多橋梁在設(shè)計使用年限內(nèi)出現(xiàn)了各種各樣的質(zhì)量問題和安全問題，加之近年來交通量的激增和重型運輸車輛違規(guī)超載現(xiàn)象的頻發(fā)，使得許多橋梁不適應(yīng)當前劇增的交通運輸需求而處于超負荷運營狀態(tài)，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性降低，因此許多橋梁的服役期限大大縮短，而且使用壽命提前結(jié)束。雖然有些橋梁經(jīng)過了全面的技術(shù)改造，但是仍處于“帶病”工作狀態(tài)，仍然滿足不了現(xiàn)代交通發(fā)展對橋梁承載能力的要求。這些需要退出歷史舞臺的橋梁或者橋梁構(gòu)件，通常被拆除或者拆除回收。鋼筋混凝土是橋梁結(jié)構(gòu)的主要材料形式，目前運用到橋梁拆除中的技術(shù)，通常有人工拆除技術(shù)、機械拆除技術(shù)和爆破拆除技術(shù)，，而在鋼筋混凝土橋梁拆除中，一般采用三者結(jié)合的爆破拆除技術(shù)，人工拆除技術(shù)和機械拆除技術(shù)作為爆破拆除技術(shù)的輔助。爆破拆除技術(shù)是第二次世界大戰(zhàn)以后，各國為了清除戰(zhàn)后遺留的廢墟和危險建（構(gòu)）筑物所發(fā)展起來的，尤其在歐洲各國應(yīng)運而生。之后在城市建設(shè)迅猛發(fā)展、交通運輸路網(wǎng)不斷更新的大背景下，加之爆破拆除技術(shù)所具有的經(jīng)濟、高效、安全和方便的特點，使得爆破拆除技術(shù)在更多國家的拆除行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[7]，其中以英國和前西德為典型代表。被拆除的建（構(gòu)）筑物包括樓房、橋梁等，一些發(fā)達國家運用爆破拆除技術(shù)拆除了多座高大建筑物。我國在 20 世紀 70 年代引進了爆破拆除技術(shù)，主要應(yīng)用在控制爆破拆除各類鋼筋混凝土建（構(gòu)）筑物上，比如高大樓房、冷卻塔、煙囪[8-9]、高聳構(gòu)筑物以及橋梁等。

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1.2 國內(nèi)外爆破拆除研究現(xiàn)狀
最近幾年，采用爆破拆除技術(shù)拆除混凝土危舊建（構(gòu)）筑物的工程實例越來越多，對于建（構(gòu)）筑物爆破拆除過程的數(shù)值模擬進行研究的案例逐年增多。主要內(nèi)容涉及：橋梁、框架結(jié)構(gòu)建筑物、煙囪、冷卻塔爆破拆除過程的數(shù)值模擬；建（構(gòu)）筑物爆破切口的設(shè)置；爆破拆除過程對周圍環(huán)境的影響；運用現(xiàn)代攝影設(shè)備觀測倒塌過程；靜態(tài)拆除破碎劑的應(yīng)用；炸藥爆炸對構(gòu)件本身的影響。下面將詳細介紹與本文內(nèi)容相關(guān)的研究成果。
1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
（1）橋梁爆破拆除數(shù)值模擬工程優(yōu)化

貴州新聯(lián)爆破公司的吳遠林等人采用 LS-DYNA 軟件對興鈦石拱橋進行數(shù)值模擬，將實際爆破效果與模擬結(jié)果進行了對比，二者較為吻合[23]；解放軍理工大學(xué)的郝曉寧等人利用有限元軟件 ANSYS/LS-DYNA 建立了一高架橋的有限元數(shù)值模型，探討了模型的建立方法、再現(xiàn)了橋梁的倒塌過程和橋體的破碎情況，數(shù)值模擬結(jié)果與實際工程較為吻合[24]；貴州新聯(lián)爆破工程有限公司的佘勇、池恩安等人在分別考慮鋼筋和混凝土兩種材料力學(xué)性能差異的前提下，運用有限元軟件 ANSYS/LS-DYNA 建立了冊亨巖架大橋的分離式共節(jié)點模型，預(yù)演了大橋的爆破拆除過程，經(jīng)過對數(shù)值模擬過程與實際爆破過程的對比分析，肯定了數(shù)值模擬技術(shù)可以優(yōu)化爆破拆除方案并指導(dǎo)實際爆破施工[25]；貴州新聯(lián)爆破工程有限公司的宋天培等人為確保順利地對一鋼筋混凝土雙曲拱橋進行爆破拆除，建立了該橋爆破拆除過程的分離式共節(jié)點模型并根據(jù)爆破方案真實模擬各爆破切口的位置，橋面預(yù)切縫通過軟件中的關(guān)鍵字 MAT_ADD_ERROTION 實現(xiàn)，模擬結(jié)果與實際工程較為相似，說明數(shù)值模擬較好的輔助了結(jié)構(gòu)的爆破拆除設(shè)計[26]；解放軍理工大學(xué)的宋歌等人采用有限元軟件 ANSYS/LS-DYNA 對南京市漢中門大橋的爆破拆除過程進行了數(shù)值模擬研究，建立了整體式模型且不考慮爆破切口的形成過程和炸藥的爆炸過程，模型模擬出了微差爆破和順序爆破兩種不同的效果，模擬結(jié)果與實際爆破拆除過程較為接近[27]；北京理工大學(xué)的楊忠華在其碩士論文中對鋼筋混凝土拱形結(jié)構(gòu)橋梁的爆破拆除進行了研究，建立了鋼筋混凝土分離式共節(jié)點模型，對單曲拱橋、雙曲拱橋、上承式拱橋、中承式拱橋、下承式拱橋的原地坍塌過程進行有限元模擬，計算結(jié)果與工程實際較為吻合，以大橋的拱座橋墩為例，建立了鋼筋、混凝土、炸藥、水和空氣等材料的模型，其中炸藥、水和空氣采用歐拉網(wǎng)格建立模型，鋼筋和混凝土采用拉格朗日網(wǎng)格建立模型，對水壓爆破的作用機理和作用效果進行了初步探討，確定了水壓爆破切口在數(shù)值模擬中的處理方法[28].

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第二章 橋梁爆破拆除理論基礎(chǔ)與設(shè)計

2.1 概述
橋梁是為跨越山澗、溝壑等障礙物而修建的帶狀構(gòu)筑物。橋梁由五大部件和五小部件組成。五大部件包括橋跨結(jié)構(gòu)、支座系統(tǒng)、橋墩、橋臺和墩臺基礎(chǔ)。橋跨結(jié)構(gòu)是線路遇到障礙物中斷時跨越障礙物的結(jié)構(gòu)物。支座系統(tǒng)起到支撐上部結(jié)構(gòu)并將荷載傳遞于墩臺上的作用。橋墩是支撐兩側(cè)橋跨上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑物。橋臺設(shè)置在橋梁兩端，一側(cè)保護橋臺和路堤填土，另一側(cè)支撐橋跨上部結(jié)構(gòu)的端部。墩臺基礎(chǔ)是保證橋梁墩臺安全并將荷載傳至地基的結(jié)構(gòu)物。橋跨結(jié)構(gòu)和支座系統(tǒng)構(gòu)成了橋梁的上部結(jié)構(gòu)，橋墩、橋臺和墩臺基礎(chǔ)構(gòu)成了橋梁的下部結(jié)構(gòu)。五小部件也稱為橋面構(gòu)造，設(shè)置目的是為了滿足橋梁的服務(wù)功能，包括橋面鋪裝、排水系統(tǒng)、欄桿、伸縮縫和燈光照明[99]。

我國大部分橋梁都是上世紀 60 年代到 80 年代修建的，當時的設(shè)計規(guī)范無法對交通運輸行業(yè)的發(fā)展速度做出準確預(yù)測，使得不同結(jié)構(gòu)體系的橋梁在設(shè)計、施工和養(yǎng)護維修等方面均存在不同程度的缺陷，加之公路運輸行業(yè)中重載、超載車輛數(shù)量快速增長，導(dǎo)致橋梁過載服役的現(xiàn)象十分普遍，橋梁在過載作用下各關(guān)鍵構(gòu)件的截面應(yīng)力將超過原有設(shè)計中的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下的應(yīng)力值，使得各受力構(gòu)件產(chǎn)生缺陷和病害的時間大大提前，其中相當數(shù)量的橋梁已經(jīng)成為危橋而面臨拆除或者拆除重建，因此爆破拆除技術(shù)因其方便、快捷和高效的特點在危舊橋梁拆除工程中得以廣泛的使用。隨著時代的進步，計算機技術(shù)和數(shù)值模擬計算產(chǎn)生了飛躍性的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)在爆破拆除領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。爆破拆除的數(shù)值模擬是利用特定的數(shù)學(xué)或物理模型，在有限元軟件的平臺上對模擬過程進行研究。

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2.2 橋梁爆破拆除的力學(xué)基本原理
鋼筋混凝土橋梁的爆破拆除中，保證其順利倒塌的力學(xué)條件有：（1）破壞橋梁結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件的強度；（2）破壞橋梁結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件的剛度；（3）使橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件失穩(wěn)，進而使其倒塌、碰撞、破碎。鋼筋混凝土橋梁爆破拆除的總體思路是對橋梁的承重構(gòu)件—橋墩、橋肋和主梁等實施爆破破碎，利用炸藥爆炸產(chǎn)生的能量來摧毀這些承重構(gòu)件的強度和剛度，使這些構(gòu)件發(fā)生松動，從而喪失承載能力，之后橋梁在自身重力作用下發(fā)生失穩(wěn)坍塌，橋梁的各部位之間在塌落過程中發(fā)生碰撞解體，當橋梁構(gòu)件塌落至地面以后，再根據(jù)需要通過機械法破碎清理[27, 36]。從打眼裝藥起爆到橋梁結(jié)構(gòu)坍塌破壞的過程中，需要用到多方面的力學(xué)知識。在爆破切口形成瞬間，爆破切口預(yù)留支撐部位的鋼筋混凝土構(gòu)件在傾覆力矩及重力作用下破壞，開始喪失其支撐能力及抗彎能力，此過程涉及到材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等方面的知識；隨后，切口預(yù)留支撐部位的鋼筋混凝土構(gòu)件在應(yīng)力作用下發(fā)生彎曲斷裂，這一過程又涉及到材料力學(xué)和斷裂力學(xué)方面的知識；橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)傾覆并與地面發(fā)生碰撞解體的過程是一個由連續(xù)體到離散體的過程，這一運動過程又涉及到多體動力學(xué)的知識。因此可以看出，鋼筋混凝土橋梁爆破拆除的力學(xué)理論具有相當高的復(fù)雜性[100]。
本章將從失穩(wěn)傾覆力學(xué)機理、連續(xù)倒塌力學(xué)機理、碰撞破碎力學(xué)機理對橋梁構(gòu)件的爆破拆除過程進行力學(xué)分析，為后續(xù)章節(jié)中橋梁構(gòu)件的爆破拆除過程數(shù)值模擬提供理論支持。
2.2.1 失穩(wěn)傾覆力學(xué)機理

鋼筋混凝土高聳建（構(gòu)）筑物的失穩(wěn)傾倒過程為：在爆破切口形成的瞬間，爆破切口以上的結(jié)構(gòu)重力產(chǎn)生的壓應(yīng)力作用在預(yù)留支撐體上，隨后支撐體部位的應(yīng)力在結(jié)構(gòu)重力作用下開始重新分布，支撐體部位背部的受力狀態(tài)由受壓變?yōu)槭芾�，并且受拉面積逐漸增大，結(jié)構(gòu)以支撐體中性軸為軸開始轉(zhuǎn)動；在結(jié)構(gòu)不斷轉(zhuǎn)動的過程中，支撐體部位背部的混凝土在不斷增大的拉應(yīng)力作用下出現(xiàn)損傷裂縫；在重力作用下，隨著結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動速度的不斷增加，角度也隨之增大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)支撐體背部的裂紋不斷擴大，爆破切口處的裸露鋼筋在拉應(yīng)力作用下的受力特性由彈性變?yōu)樗苄裕罱K進入大變形階段，之后鋼筋失效；隨著結(jié)構(gòu)的不斷轉(zhuǎn)動，支撐體部位的裂紋不斷增加，結(jié)構(gòu)支撐體部位的混凝土受壓面積逐漸減少，直至在壓應(yīng)力的作用下發(fā)生破壞[103]。

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第三章 橋墩爆破拆除模擬優(yōu)化................................ 50
3.1 各類橋墩爆破拆除方案模擬優(yōu)化 ........................50
3.1.1 實體橋墩........................................... 50
第四章 拱橋爆破拆除模擬優(yōu)化............................... 81
4.1 模擬優(yōu)化分析........................................... 81
4.2 鋼筋混凝土拱橋爆破拆除模擬優(yōu)化 ...................... 83
第五章 連續(xù)梁橋爆破拆除模擬優(yōu)化...........................115
5.1 模擬優(yōu)化分析............................................115

5.2 模擬優(yōu)化對象........................................... 120

第六章 剛構(gòu)橋爆破拆除模擬優(yōu)化

6.1 模擬優(yōu)化分析

剛構(gòu)橋穩(wěn)定性的主要控制構(gòu)件是墩梁結(jié)合部位和橋墩，為了在其爆破拆除過程中破壞構(gòu)件的穩(wěn)定性，一般需要將墩梁結(jié)合部位和橋墩一定范圍的混凝土破碎拋擲，上部結(jié)構(gòu)在失去豎向支撐力后下落從而誘發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)整體坍塌落地。三跨剛構(gòu)橋在自重作用下的內(nèi)力圖及爆破切口的位置示意如圖 6.1 所示。由剛構(gòu)橋的剪力圖可得，主梁端部和橋墩的剪力值比較大；由彎矩圖可得，主梁端部、主梁跨中、墩梁結(jié)合處、橋墩頂部和底部的彎矩值比較大；由軸力圖可得，中跨和橋墩的軸力值較大。爆破拆除設(shè)計的原則是將爆破切口設(shè)置在內(nèi)力值較大的位置，在對剛構(gòu)橋進行爆破拆除時，切口設(shè)置在橋墩下端、主梁端部、主梁跨中、墩梁結(jié)合處。在對橋墩采用控制爆破破碎后，橋梁上部結(jié)構(gòu)在重力作用下塌落至地面[146]。由于剛構(gòu)橋的特點為橋墩多，長度大，環(huán)境復(fù)雜，工程量大，在對其進行爆破拆除的過程中，一般采用控制爆破與機械破碎相結(jié)合的施工方法進行拆除。

根據(jù)本文對剛構(gòu)橋的受力分析以及爆破切口設(shè)置位置的研究，在對剛構(gòu)橋進行爆破拆除時，爆破切口一般位于主梁端部、主梁跨中、墩梁結(jié)合部位以及橋墩底端。根據(jù)爆破切口設(shè)置位置的不同形成了 3 組爆破設(shè)計方案，第 1 組爆破設(shè)計方案的爆破切口設(shè)置在主梁端部、主梁跨中、墩梁結(jié)合處和橋墩底端，第 2 組方案的爆破切口設(shè)置位置為主梁端部、中間跨主梁跨中、墩梁結(jié)合處和橋墩底端，第 3 組爆破切口設(shè)置位置為主梁端部、墩梁結(jié)合處和橋墩底端。剛構(gòu)橋爆破切口的形成順序有從橋梁跨中向兩側(cè)形成以及從橋梁一側(cè)向另一側(cè)形成兩種，墩梁結(jié)合部位的爆破切口與橋墩底部的爆破切口可以同時形成也可以微差形成，根據(jù)爆破切口的形成順序，剛構(gòu)橋每種爆破設(shè)計組均存在 4 種爆破拆除方案，共有 12 種爆破拆除方案，剛構(gòu)橋的爆破切口設(shè)置位置圖示意以及剛構(gòu)橋在塌落過程中的彎矩包絡(luò)圖示意如表 6-1—表 6-3 所示。

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結(jié)論與展望

本文主要結(jié)論
針對需要爆破拆除的橋梁及其構(gòu)件來說，能夠確定一套確保爆破拆除過程精確和安全的爆破設(shè)計方案至關(guān)重要。本文借助力學(xué)理論、數(shù)值計算、仿真軟件的計算和分析功能分別對實體橋墩、薄壁高墩、柱式橋墩及單跨拱橋、四跨連續(xù)梁橋、三跨連續(xù)剛構(gòu)橋在不同爆破設(shè)計方案下的塌落過程和落地破碎效果進行了分析研究，主要研究工作和成果如下：
（1）對采取定向爆破拆除倒塌的橋墩，爆破切口參數(shù)包括切口角度和切口高度，利用力學(xué)和數(shù)學(xué)知識推導(dǎo)出了圓形截面橋墩和矩形截面橋墩爆破切口參數(shù)的計算公式。對實體橋墩、薄壁高墩、柱式橋墩的定向倒塌進行了數(shù)值模擬工程優(yōu)化，將矩形實體橋墩、矩形薄壁高墩和圓形單柱式橋墩的爆破切口參數(shù)分別代入相應(yīng)的切口計算公式中進行了驗證。為了研究鋼筋在橋墩爆破倒塌過程中的作用，分別選取鋼筋混凝土矩形薄壁高墩和鋼筋混凝土單柱橋墩在兩種不同爆破方案中的塌落過程為研究對象，并將矩形空心薄壁高墩的實際爆破效果與模擬過程進行了對比，得到的結(jié)論為：

① 在環(huán)境條件和技術(shù)條件允許的情況下，對實體橋墩、鋼筋混凝土空心薄壁高墩、鋼筋混凝土柱式橋墩等高聳構(gòu)筑物采取定向倒塌的爆破拆除方案是可行的，且爆破切口設(shè)置在地面以上一定高度。② 矩形實體橋墩、矩形空心薄壁高墩、圓形單柱式橋墩擬定的爆破切口角度取值均滿足定向倒塌的應(yīng)力條件和彎矩條件，擬定的爆破切口高度取值均滿足定向倒塌的最小爆破切口高度條件，且均實現(xiàn)了橋墩的定向倒塌落地。③ 為了研究爆破切口內(nèi)鋼筋在橋墩爆破倒塌過程中的作用，分別對切除和保留切口內(nèi)鋼筋的矩形薄壁高墩以及相同配筋率而鋼筋直徑不同的單柱式橋墩的倒塌過程進行模擬優(yōu)化。結(jié)果顯示出保留的切口內(nèi)鋼筋阻礙了飛石的拋擲，卻節(jié)省了切割鋼筋的預(yù)處理時間；在保證橋墩配筋率相同的情況下，鋼筋根數(shù)對其爆破倒塌影響較大，且鋼筋根數(shù)越少，越有利于橋墩的倒塌。

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參考文獻（略）

本文編號：368888