非等厚钢筋混凝土箱梁水压爆破拆除研究(1).pdf

第 36 卷 第 2 期 2019 年 6 月 爆 破 BLASTING Vol. 36 No. 2  Jun. 2019 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2019. 02. 015 非等厚钢筋混凝土箱梁水压爆破拆除研究* 马守龙 1， 吕 闹2， 汪海波2， 高 强2， 宗 琦2 （1. 中煤新集能源股份有限公司，淮南 232001； 2. 安徽理工大学 土木建筑学院，淮南 232001 ） 摘 要 非等厚钢筋混凝土箱梁爆破拆除时， 钻孔工作量大。以某预应力混凝土箱梁桥梁拆除为工程背 景， 提出非等厚钢筋混凝土箱梁的水压爆破拆除方案。采用 ANSYS/ LS - DYNA 有限元软件建立箱梁水压爆 破计算模型， 再现了水压爆破时冲击波传播过程及箱梁结构的破碎过程， 对比分析了注水量为 80％、 90％及 100％时箱梁桥面的破碎效果。研究结果表明 当药包对称布置时， 中腹板两边受到的爆炸冲击荷载对称， 不 利于中腹板的破碎； 药包采用交叉布置时， 爆炸能量分布均匀， 使腹板破碎更加均匀、 彻底； 箱梁桥面的破碎 效果受注水量的影响很大， 注水量越小， 空气隔层厚度越大， 能量耗散越大， 箱梁桥面的破碎效果越差， 但有 利于控制桥面破碎形成的飞石。 关键词 非等厚钢筋混凝土箱梁；水压爆破；数值模拟；爆破方案优化 中图分类号 Q383. 2 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2019） 02 -0099 -06 Numerical Simulation of Hydraulic Blasting in Unequal-wall PC Box Girder MA Shou-long1， LV Nao2， WANG Hai-bo2， GAO Qiang2， ZONG Qi2 （1. China Coal Xinji Energy Company Limited，Huainan 232001， China； 2. School of Civil Engineering and Architecture， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China） Abstract The drilling work intensity is high in unequal-wall PC Box Girder blasting demolition. In a prestressed concrete box girder bridge demolition， the hydraulic blasting demolition scheme for non-equal thickness reinforced concrete box girder is proposed. The calculation model of box girder hydraulic blasting is established by ANSYS/ LS- DYNA finite element software， and the shock wave propagation and crushing process of box girder structure during hydraulic blasting are reproduced. The crushing effects of the box girder bridge deck with water injection amount 80％， 90％ and 100％ are compared and discussed. The results show that when the charging structure is symmetri- cally arranged， the explosion impact loads on both sides of the middle web are symmetrical， which is not conducive to the fracture of the middle web. The explosion energy distribution is even， and the web is broken more evenly and thoroughly by cross arrangement charging. The crushing effect of the box girder bridge deck is greatly affected by the amount of water injection. The less the water injection and the thicker the air compartment， the greater the energy dis- sipation， and the worse the crushing effect of the box girder bridge surface， while which is beneficial to control the fly- ing rock from the bridge deck fracture. Key words unequal-wall PC box girder；water-pressure blasting；numerical simulation；blasting scheme opti- mization 万方数据 收稿日期 2019 -01 -13 作者简介 马守龙 （1982 - ） ， 男， 安徽和县人， 硕士、 高级工程师， 从 事爆破工程方面的管理和研究工作，（E-mail） 570012791 qq. com。 通讯作者 吕 闹 （1990 - ） ， 男， 安徽淮北人， 硕士研究生， 从事爆破 工程与冲击动力学方面研究，（E-mail） 519363133 qq. com。 基金项目 安徽省高校自然科学研究重大项目 （KJ2017ZD11） ； 安徽 省博士后基金项目 （2018B282） 水压爆破是在构筑物内注水， 炸药爆炸的能量 通过水介质传递到构筑物， 达到使其均匀受力破碎 的目的。相比于传统的钻孔爆破， 水压爆破具有钻 孔数量少、 起爆网路简单、 能量利用率高、 爆破飞石 及粉尘少等优点， 广泛应用于罐体、 容器、 箱梁等薄 壁型构筑物的拆除。 国内外专家学者通过理论分析、 数值模拟及工 程实践和模型试验对水压爆破进行了大量的研究， 王奕鑫等通过实验及理论分析研究了浅水爆炸水面 对冲击波的截断效应和药包形状对冲击波的影响， 认为冲击波在浅水爆炸中的衰减不能简单的用指数 拟合， 柱形药包爆轰时， 侧面压力的汇聚效应最接近 球形药包 ［1］。邵珠山等从理论上对水压爆破的全 过程进行了分析， 定义了无量纲的量 ξ， 发现由冲击 波引起的在不同 ξ 处的应力均显现出先在极短的时 间内快速衰减， 然后再缓慢减弱的规律 ［2］。周听清 等从水中冲击波的冲量和能量角度出发， 基于单个 药包的药量计算公式和结构破坏的能量准则， 提出 了水压爆破中群药包药量计算公式， 并与工程实践 进行比较 ［3］。J Adachi、 E Siebrits 等通过试验研究 了水压爆破中应力场的分布规律， 并探讨了岩石的 破断规律， 得到裂缝增长与时间的函数关系 ［4］。蔡 永乐等通过相似模拟实验， 研究了水压爆破爆炸应 力波的传播规律及对煤体的致裂机理， 综合评价了 煤体损伤、 裂纹形态和断裂的质量等爆破效果 ［5］。 孙金山等建立了高架桥多室箱梁的水压爆破有限元 模型， 研究了水压爆破的破碎机理， 并对爆破参数的 选取进行了探讨 ［6］。杨忠华等对钢筋混凝土空心 立柱水压爆破破碎过程进行了模拟， 分析了水压爆 破的破碎机理和作用效果， 并给出数值模拟中处理 水压爆破切口的方法 ［7］。张勤彬等以贾木那大桥 为研究对象， 通过有限元软件建立了薄壁空腔桥墩 的水压爆破模型， 再现了桥墩的破碎过程， 分析了水 压爆破的机理 ［8］。张社荣等建立了水下和空气中 爆炸有限元模型， 对比分析了水下和空中冲击波的 传播特征 ［9］。支文超等对某钢筋混凝土箱型拱桥 进行水压、 浅孔、 深孔相结合的爆破拆除， 介绍了其 爆破参数设计及实施过程， 并对爆破效果进行了分 析 ［10］。范学臣等采用水压爆破与常规爆破结合的 方式， 设计爆破参数， 对某立交桥进行了拆除 ［11］。 池恩安分析了复杂结构桥梁特点， 采用钻孔爆破与 水压爆破结合的拆除方案对某下承式拱肋桥进行了 爆破拆除 ［12］。 上述研究主要针对壁厚小于 30 cm、 且四周厚 度相等的薄壁结构， 对四周壁厚不同结构的水压爆 破研究较少。由于非等厚结构在水压爆破时周壁的 破坏程度存在差异， 本文采用数值模拟的方法对非 等厚箱梁的水压爆破过程进行分析， 通过爆破方案 优化以达到较好的爆破效果。 1 研究背景 某高速公路跨线桥因线路改变， 需拆除。桥梁 位于斜坡地带， 周围有自建料场及拌合站配套设施， 距桥梁起点 40 50 m， 桥梁上方 30 m 有 500 kV 高 压线斜穿。桥梁全长 94 m， 上部结构为预应力钢筋 混凝土现浇连续箱梁。箱梁桥面净宽 16. 5 m， 梁底 净宽 12. 5 m， 净高 2 m， 上下壁厚 0. 25 m， 腹板厚度 0. 5 m； 具体截面尺寸如图 1 所示。 图 1 箱梁截面尺寸示意图 （单位 cm） Fig. 1 Diagram of box girder section size （unit cm） 2 非等厚箱梁水压爆破方案 选取 2 m 梁段为研究对象建立有限元模型， 箱 梁水压爆破的效果很大程度上受到药包布置形式、 装药量及注水深度的影响， 由于单个箱体的长高比 远大于 1. 2， 初步采用单个箱体双药包对称布置形 001爆 破 2019 年 6 月 万方数据 式， 药包轴向间距为 2 m， 箱体内注满水， 为防止爆 破飞石威胁梁面上方高压线， 药包位置偏下， 箱梁腹 板厚度大于底部和顶部， 药包应靠近腹板。 2. 1 装药量计算 待爆箱梁为不等壁非圆形容器， 装药量可由下 面经验公式计算 ［13］ Q ＝ KbKcKeV（1） 式中 Kb为与爆破方式有关的系数， 取为 0. 7； Kc为与材质有关的用药系数， 取为 0. 5； Ke为炸药 换算系数， 取为 1. 0； V 为被爆箱梁的结构体积， 为 10. 1 m3。经计算得单个箱体用药量 Q ＝2. 76 kg， 取 Q ＝3 kg， 每个药包重 1. 5 kg。 2. 2 模型建立与算法选择 由于结构具有对称性， 为了便于计算， 将钢筋混 凝土箱体结构等效为一种材料， 药包视为立方体， 建 立 1/2 模型， 如图 2 所示。药包距临近腹板 0. 3m， 距底板 0. 5m， 箱体中药包同时起爆。模型的左侧和 前部采用对称边界及无反射边界， 上下和右侧与空 气接触面为自由边界， 并约束前后边界的位移。 箱梁的水压爆破包含了钢筋混凝土、 空气、 水、 炸药等材料， 计算模型采用 Euler-Lagrange 流固耦合 算法 钢筋混凝土箱梁结构采用 Lagrange 网格， 使用 Lagrange 单元描述； 炸药、 水及空气采用 ALE 网格， 用 Euler 单元描述， 使用单点 Euler 积分。在有限元 网格划分时， 钢筋混凝土的 Lagrange 网格与空气的 ALE 网格可以重叠在一起， 计算中通过关键字 *CONSTRAINED LAGRANGE IN SOLID 将固体与 流体耦合在一起， 实现力学参数的传递。 图 2 箱梁水压爆破有限元模型 Fig. 2 Finite element model of hydraulic blasting of box girder 2. 3 材料本构及参数的选择 钢筋混凝土箱梁采用能较好表达爆破破坏过程 的*MAT JOHNSON HOLMQUIST CONCRETE 模 型， HJC 模型的主要材料参数见表 1 ［14］。炸药选用 *MAT HIGH EXPLOSIVE BURN 模型， 状态方程 选用*EOS JWL， 其一般形式为 P ＝ A 1 - ω R1 V e-R1V＋ B 1 - ω R2 V e-R2V＋ ωE 0 V （2） 式中 P 为炸药爆炸时由 JWL 方程确定的爆轰 压力； V 为相对体积； ρ 为密度； D 为爆速； E0为初始 内能， A、 B、 R1、 R2、 ω 为*EOS JWL 状态方程的系 数。炸药选用 2 号岩石乳化炸药， 主要参数见表 2。 表 1 箱梁 HJC 本构模型参数 Table 1 HJC constitutive model parameters of box girder ρ/ （kgm -3） G/ GPa ABCNFc/ MPaT/ MPaK1/ GPa 250014. 860. 791. 60. 0070. 6148485 K2/ GPaK3/ GPaPc/ MPaUcPl/ MPaUlD1D2FS 171208160. 0018000. 10. 041. 00. 004 表 2 炸药相关参数 Table 2 Parameters of explosive ρ/（kgm -3） D/ （ms -1） E0/ （Jkg -1） A/ GPaB/ GPaR1R2ω 130040004. 19 105214. 40. 1824. 20. 90. 15 空气与水均选用*MAT NULL 模型， 状态方程 分别选用*EOS LINEAR POLYNOMIAL 及*EOS GRUNEISEN， 密度分别为1.29 kg/ m3和1000 kg/ m3。 3 数值模拟分析 3. 1 爆炸冲击波的产生与传播 炸药在水中爆炸后， 周围的水体受爆炸产物急 剧压缩， 形成向外扩散的冲击波， 并在箱梁内产生复 杂的反射及透射现象， 作用过程如图 3 所示。 水作为一种微压缩性的介质， 在压缩波传播的 过程中， 本身所消耗的变形能极小， 传播效率高， 由 于药包距离箱梁腹板较近， 炸药爆炸后， 冲击波在水 中传播 0. 2 ms 后到达腹板， 峰值压力为 119 MPa， 如图 3 （a） 所示。冲击波约在 0. 4 ms 时到达箱梁底 板， 此时腹板和外侧壁受冲击波的作用产生损伤， 由 于时间很短并未发生严重的破碎， 如图 3 （b） 所示。 同一箱体内两药包产生的爆炸冲击波在药包的对称 面处产生干涉叠加， 使冲击波的峰值压力增大， 冲击 波在接触箱梁内壁后接着产生反射， 在箱梁内反复 震荡， 如图 3 （c） 、（d） 所示。 101第 36 卷 第 2 期 马守龙， 吕 闹， 汪海波， 等 非等厚钢筋混凝土箱梁水压爆破拆除研究 万方数据 图 3 水中冲击波的传播过程 Fig. 3 Blasting shock wave propagation progress in the water 3. 2 箱梁结构的破坏过程 炸药在水中爆炸后， 箱梁受到爆炸冲击波的反 复作用、 爆生气体膨胀做功及高速水流的破坏作用 而破碎， 其破碎过程如图 4 所示。 图 4 箱梁的破碎过程 Fig. 4 Process of box girder breaking 水介质传递的爆炸冲击波压力首先作用到箱梁 腹板， 因入射波的强度大于箱梁结构的抗压强度， 箱 梁腹板会产生损伤， 紧随着冲击波的传播， 箱梁底部 和顶部也开始发生破坏， 且向四周呈现出圆形的发 展趋势， 如图 4 （a） 、（b） 所示。炸药爆炸后， 爆生气 体膨胀做功并形成高速水流， 当高速水流和爆生气 体进入到冲击波在箱梁内形成的径向裂隙和环向裂 隙中， 会产生 “水楔” 的劈裂作用。由于水介质所携 带的能量远超气体所携带的能量，“水楔” 的劈裂作 用会加剧裂隙的扩展和延伸， 对箱梁进一步进行破 坏， 如图 4 （c） 、（d） 所示。箱梁两端牛腿的破碎过 程符合 Hopkinson 效应， 即压缩应力波传递到牛腿 端部自由面时， 产生与传播方向相反的反射拉伸应 力波， 由于箱梁牛腿的抗拉强度远小于抗压强度， 当 反射拉伸应力波的峰值应力大于箱梁牛腿的抗拉强 度时， 可使箱梁牛腿被拉断， 从自由端向拉伸应力波 传播方向 “片落” 破坏。 边腹板外侧是自由面， 受到荷载作用后介质向 外运动， 产生明显破碎。但中腹板仅与箱梁底板和 顶面连接部断裂， 腹板整体保持完整， 如图 5 所示。 图 5 腹板的局部破坏图 Fig. 5 Local failure diagram of web 由于箱梁腹板与水介质的相互耦合作用， 冲击 波的衰减规律与在自由流场中并不相同， 出现多次 卸载与加载， 直至冲击波衰减到很小值， 中间腹板两 边受到爆炸冲击波的作用对称， 使腹板的两边受压， 但是压差很小， 如图 6 所示， 不利于腹板的变形和位 移， 因此破坏效应并不显著， 而与箱梁底板和顶面连 接部角点易产生应力集中生成初始裂纹， 在爆轰气 体和高速水流的继续作用下发生断裂。 图 6 中间腹板两侧对称水单元压力时程曲线 Fig. 6 The pressure time-history curve of the symmetrical water unit on both sides of the middle web 3. 3 爆破方案优化 由上述分析结果可见， 非等厚箱梁的整体破碎 201爆 破 2019 年 6 月 万方数据 效果较好， 但是中间腹板的破碎效果较差， 因此将中 间腹板两侧的药包错位交叉布置 左右两侧药包中 心与中腹板表面距离均为 0. 3 m， 与箱梁底板上表 面距离分别为 0. 9 m 和 0. 5 m， 单个药包重 1. 5 kg， 有限元模型如图 7 所示。水压爆破的效果受注水量 的影响很大， 对交叉布药注水量达到空腔的 100％、 90％和 80％ 三种工况进行计算， 破碎效果如图 8 所示。 图 7 药包交叉布置模型 （单位 m） Fig. 7 Model of explosive package cross arrangement （unit m） 对比图 8 计算结果可知， 交叉布置药包时三种 注水量的方案， 中间腹板和底板的破碎度均能够满 足要求， 破碎效果比对称布置药包效果好。这是由 于中间腹板受到两边爆炸冲击波的作用具有先后差 异， 有利于腹板的变形位移。但是箱梁桥面在不同 的注水量下破碎效果差异极大， 注水量 100％和注 水量 90％时箱梁顶面均发生明显的破碎， 前者的破 碎程度较大； 而 80％的注水量时箱梁顶面基本保持 原状。其原因为， 当箱体内未注满水时， 箱梁顶板与 水面之间有一个空气隔层， 由于水介质的波阻抗远 大于空气介质， 当爆炸冲击波传播到水面与空气交 界面处时， 会产生反射拉伸波， 透射入空气中的压缩 波强度较低。空气隔层的厚度越大， 冲开空气隔层 所需的时间越长， 能量耗散的越多 ［15］， 箱梁所吸收 的能量越少， 如图 9 所示。可见， 在注水量为 100％ 时， 箱梁的总能量达到 582 kJ， 而注水量为 80％时， 箱梁的总能量仅为 200 kJ， 则二者能量的差值消耗 于压缩水面上方的空气。 工程中桥梁上方 30 m 有 500 kV 高压线斜穿， 为不使桥梁上方产生较强的爆破飞石， 箱梁桥面的 破碎程度不能过大， 实际可采用交叉布置药包且注 水量达到 90％的水压爆破方案， 既保证箱梁腹板和 底板的破碎效果又可满足控制飞石的工程要求。 4 结论 在非等厚钢筋混凝土箱梁水压爆破时， 药包采用 对称布置， 中腹板两边爆炸荷载对称， 使腹板两边压 差很小， 不利于腹板的破碎； 可采用交叉布药方式， 中 间腹板受到两边爆炸冲击波的作用具有先后差异， 爆 炸能量更分布均匀， 腹板破碎块度满足要求。 图 8 不同注水量箱梁水压爆破效果 Fig. 8 The hydraulic blasting effect of box girder in different quantity of water injection 图 9 不同注水量时箱梁的总体能量时程曲线 Fig. 9 The total energy time-history curve of the box girder in different quantity of water injection 箱梁桥面的破碎效果受注水量的影响很大， 水 面上方的空气隔层越大， 能量耗散越多， 桥面的破碎 效果越差， 从注水量 100％到 80％， 箱梁破坏消耗的 总能量降低了 65. 6％， 水压爆破中箱梁结构的吸能 与注水量成正比， 与空气隔层的厚度成反比关系， 应 根据实际工程要求选择合适的注水量。 综上所述， 数值模拟能够再现箱梁结构的破坏 全过程， 预判爆破效果， 对爆破方案的优化具有参考 意义。 301第 36 卷 第 2 期 马守龙， 吕 闹， 汪海波， 等 非等厚钢筋混凝土箱梁水压爆破拆除研究 万方数据 参考文献 （References） ［1］ 王奕鑫， 马宏昊， 沈兆武， 等. 水下爆炸中水面效应以 及药包形状对冲击波的影响 ［J］ . 中国测试， 2018， 44 （10） 7-13. ［1］ WANG Yi-xin， MA Hong-hao， SHEN Zhao-wu， et al. 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