基于数值模拟的浆砌块石大桥爆破拆除优化研究.pdf
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1、经经经验验验介介介绍绍绍基于数值模拟的浆砌块石大桥爆破拆除优化研究唐小再,刘 桐,何 涛,许晓磊,吴 霄,吴 波,侯 猛,兰成斌(浙江省高能爆破有限公司,浙江 杭州 310030)摘要:待拆除桥梁为浆砌块石大桥,为达到“破碎但不飞散”目的,在桥梁桥墩以及拱圈两侧拱脚处钻凿炮孔,配合北侧若干孔弱装药、分区延期爆破等措施对桥梁进行爆破拆除,经振动校核发现塌落振动接近安全允许最大值,会对周边建(构)筑物造成一定的损伤、影响,因此,对方案进一步优化,通过 ANSYS/LS-DYNA 有限元软件对优化后爆破方案进行模拟,分析桥梁塌落过程并提取塌落振动数据,随后按照优化后方案对桥梁进行爆破拆除并对监测所得
2、振动信号进行分析。研究结果表明,拱顶处增设炮孔可以有效减弱塌落振动,最大可减弱 70%以上;数值模拟所得振动数据与实测数据较为接近且略大于实测数据;桥梁爆破拆除过程中塌落振动产生的振动幅值及能量相对于爆破振动更大。因此,桥梁爆破拆除施工中需特别注意塌落振动对周边建(构)筑物产生的影响。关键词:爆破拆除;数值模拟;塌落振动;塌落过程;MATLAB中图分类号:TD235;TU751.9 文献标志码:A 文章编号:1674-3970(2023)02-0020-08收稿日期:2022-11-18作者简介:唐小再(1972),男,江西德兴人,硕士,高级工程师,主要从事工程爆破研究和施工管理方面的工作。E
3、-mail:690993947 。引用格式:唐小再,刘桐,何涛,等.基于数值模拟的浆砌块石大桥爆破拆除优化研究J.煤矿爆破,2023,41(2):20-27.TANG Xiaozai,LIU Tong,HE Tao,et al.Research on the optimization of blasting demolition of mortar block stone bridge based on numerical simulationJ.Coal Mine Blasting,2023,41(2):20-27.Research on the optimization of blasti
4、ng demolition of mortar block stone bridge based on numerical simulationTANG Xiaozai,LIU Tong,HE Tao,XU Xiaolei,WU Xiao,WU Bo,HOU Meng,LAN Chengbin(Zhejiang Gaoneng Blasting Engineering Co.,Ltd.,Hangzhou 310030,China)Abstract:The bridge to be demolished is a mortar block stone bridge.In order to ach
5、ieve the purpose of“broken but not scattered”,blasting holes are drilled at the bridge pier and the arch feet on both sides of the arch ring,and the bridge is demolished with measures such as weak charging of several holes on the north side and zoning delay blasting.After vibration check,it is found
6、 that the collapse vibration is close to the maximum allowable safety value,which will cause certain damage and influence to the surrounding buildings(structures).Therefore,the scheme is further optimized.The optimized blasting scheme is simulated by ANSYS/LS-DYNA finite element software,and the bri
7、dge collapse process is analyzed and the collapse vibration data is extracted.Then,the bridge is demolished according to the optimized scheme and the vibration signal obtained by monitoring is analyzed.The results show that the addition of blast holes at the vault can effectively reduce the collapse
8、 vibration,which can be reduced by more than 70%.The vibration datas obtained by numerical simulation are close to the measured datas and slightly larger.The vibration amplitude and energy generated by the collapse vibration during the blasting demolition of the bridge are larger than the blasting v
9、ibration.Therefore,special 02Vol.41 No.2Jun.2023Coal Mine Blasting第 41 卷 第 2 期2023 年 6 月attention should be paid to the impact of collapse vibration on surrounding buildings(structures)in bridge blasting demolition construction.Key words:blasting demolition;numerical simulation;collapse vibration;co
10、llapse process;MATLAB0 引言目前,桥梁的爆破拆除相对于机械拆除应用更多,通过设计针对性起爆网路、分区爆破、预拆除配合孔内微差等方法均可在减弱爆破振动及塌落振动的同时获得良好的爆破拆除效果1-4。桥梁爆破拆除的难点在于塌落过程的不可预见性,因此,数值模拟技术被逐步应用于桥梁的爆破拆除设计中。倪明亮等5通过有限元软件预测爆破拆除过程,进一步优化爆破拆除方案,对大桥进行爆破拆除;周奎等6利用 ANSYS/LS-DYNA 有限元软件结合钢桁架结构桥梁的爆破拆除设计对桥体的整体爆破拆除过程进行了模拟;袁鑫7、周雯等8通过数值模拟技术对桥梁的爆破拆除设计进行了优化,获得了良好的爆破拆
11、除效果。在桥梁爆破拆除过程中,相对于爆破振动,塌落振动振速峰值更大且持续时间较长9-10,因此,塌落振动同样是爆破拆除过程中的关注重点。蒋跃飞等11利用有限元动力学软件对桥梁爆破拆除过程及爆破振动、塌落振动等进行了模拟,进一步校核了爆破设计,在未对双侧新桥造成损害的同时成功拆除了老桥;齐鹏等12通过对跨路桥梁爆破拆除过程中不同起爆网路产生的振动进行分析,最终确定采用中间起爆长延时的爆破方案对桥梁进行拆除,取得了良好的爆破效果。本文针对某大桥的爆破拆除设计采用有限元动力学软件进行数值模拟,进一步对施工设计方案进行优化。1 项目概况1.1 桥梁概况该大桥全长 198 m,桥面宽 23.5 m,整体
12、为浆砌块石结构。大桥共有 4 个桥墩,单跨长度为 35 m,主要由桥墩(P)、拱圈(A)以及桥面(S)构成。主拱圈为浆砌块石+条石结构,矢跨比为 1 5,拱矢高 7 m,厚 0.91.5 m,宽 20 m,拱矢参数如图 1 所示,其中,EA 表示桥墩东侧拱圈,WA 表示桥墩西侧拱圈。桥面、桥墩编号由东向西依次为 S1、S2、S3、S4、S5,P1、P2、P3、P4。桥墩各部分规格如下:墩帽为 25.9 m3.7 m1.91 m,墩身为 25.7 m3.5 m4.8 m,墩基础为 26.3 m4.42 m1.06 m。E A 1WA 1P 2P 11 9 17 0 03 5 0 03 5 04
13、4 2单位:c m图 1 桥梁尺寸与结构示意图1.2 桥梁周边环境桥梁走向为东西走向,连接了城市东西两侧的交通,最近的建筑物距离桥体仅有 90 m,紧邻大桥北侧为自来水管,南侧为国防光缆,东北侧 100 m处为公园,东南侧为待拆迁的居民区,300 m 处为雷达站,管线工作井与大桥距离为 41 m,环境较为复杂,具体如图 2 所示。9 0 m在建小区待拆除桥梁3 0 0 m国土资源局2#管井1#管井自来水管2 0 0 m自然规划局1 7 5 m医院3 0 0 m雷达站居民区(待拆迁)8 5 m项目部国防光缆4 0 0 m观景台1 0 0 m公园图 2 大桥位置与周边环境图2 初步方案2.1 桥梁
14、爆破拆除方案该桥梁为浆砌块石拱桥,其主要承重结构为拱圈,拱圈由东西两侧相邻桥墩支撑,因此,为达到“破碎但不飞散”目的,选择对桥梁的桥墩、拱圈两侧拱脚进行爆破,为保护周边建(构)筑物,大桥北侧若干排孔选择弱装药措施,如图 3 所示,进而利用大桥自重使其塌落,完成对桥梁的拆除。12第 41 卷 第 2 期2023 年 6 月Coal Mine BlastingVol.41 No.2Jun.2023图 3 桥梁爆破部位示意图桥墩处钻凿 90 mm、孔距为 1 m 的垂直深孔,拱脚处钻凿 42 mm、孔距为 0.8 m 的浅孔,根据不同部位尺寸差异设计单孔装药量见表 1。表中 A为拱脚,EA、WA 代
15、表每个拱圈两侧的拱脚。表 1 桥梁各部位装药汇总表爆破部位炸药单耗/(gm-3)孔深/m单孔装药量/kg弱装药孔装药量/kgP15006007.615.08.7P25006009.820.013.5P35006009.218.310.5P45006009.820.112.3A4500.80.4结合以往工程经验,桥梁爆破拆除中设置延期时间使其逐跨、分段原地塌落,这对减弱爆破振动、塌落振动效果显著。因此,本次桥梁爆破拆除进行逐跨起爆,以各跨东西两侧相邻桥墩、拱脚作为一个整体,并在各个整体内部进行分区延期爆破。桥墩深孔由南北两侧向中间以 7 ms 延期时间进行逐孔起爆,桥墩与东侧相邻拱脚之间延期时间
16、为 28 ms,相邻拱脚之间延期时间为 14 ms,桥墩及拱脚进行逐孔起爆,同时,将拱脚分为 3 个段别,由南北两侧向中间起爆,延期时间为 7 ms,如图 4 所示。侧孔3 0 0 m s中间孔3 0 7 m s侧孔3 0 0 m s图 4 拱脚分段延期示意图2.2 振动校核桥梁爆破拆除中会产生爆破振动及塌落振动,采用式(1)、式(2)分别进行爆破振动安全校核及塌落振动安全校核。2.2.1 爆破振动安全校核拆除爆破中爆破振动安全校核公式如下:v=kK3QR()(1)式中:R 为爆心距,m;Q 为最大单响药量,kg,取40.2 kg;v 为保护对象所在地质点振动安全允许速度,cm/s;K、为与爆
17、破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数,根据有关地质资料,此次桥梁拆除工程 K 为 180,为 1.7;k为修正系数,取 0.3。经计算,各距离保护对象处爆破振动校核见表2。表 2 爆破振动校核保护对象爆心距/m爆破振动速度/(cms-1)保护对象爆心距/m爆破振动速度/(cms-1)1#管井351.04公园1000.172#管井410.79医院1750.07出水口730.30自然规划局2000.05民房900.21雷达站3000.03由表 2 可知,距离最近的 1#管井处爆破振动速度校核值为 1.04 cm/s,其结构为混凝土结构,故振动速度安全允许最大值为 2.5 cm/s,
18、经对比,爆破振动不会对各保护对象造成影响。2.2.2 塌落振动安全校核塌落振动安全校核公式如下:v=KRMgH()13(2)式中:v 为塌落引起的地面振动速度,cm/s;M 为下落构件的质量,每跨约 2996 t;g 为重力加速度,取10 m/s2;H 为构件下落的高度,约 8 m;为地面介质的破坏强度,一般取 10 MPa;R 为观测点至冲击地面中心的距离;K、为衰减指数,K=3.37,=-1.66。各距离保护对象处塌落振动校核见表 3。表 3 塌落振动校核保护对象距离/m塌落振动速度/(cms-1)保护对象距离/m塌落振动速度/(cms-1)1#管井352.42公园1000.422#管井4
19、11.86医院1750.17出水口730.71自然规划局2000.13民房900.50雷达站3000.07由表3 可知,1#管井塌落振动速度为 2.42 cm/s,接近振动速度安全允许最大值。22Vol.41 No.2Jun.2023Coal Mine Blasting第 41 卷 第 2 期2023 年 6 月经校核后发现,塌落振动相对于爆破振动更大,且接近安全允许最大值,为保护周边建(构)筑物,需采取措施进一步减弱塌落振动。3 爆破方案优化为进一步减弱塌落振动,依据式(2)调整下落构件的质量,初步方案中在桥墩以及相邻拱脚处钻孔爆破,桥梁的桥面部分几乎以整体的形式进行塌落,导致塌落体质量过高
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