悬索拱桥爆破拆除的有限元力学分析

冯晓臣

（沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳110159）

随着经济高速发展，越来越多的桥梁已不能满足安全使用、交通畅通的需求，需要对其进行爆破拆除[1]。经过数十年的实践，广大爆破工作者在桥梁拆除爆破领域已经积累了非常丰富的经验，但是，随着爆破的作业环境变得越来越复杂，给桥梁爆破作业带来了新的挑战[2]。另外，当前最常用的控制爆破拆除技术，其规范仍处于定性设计的范畴，理论研究落后于工程实践，爆破事故时有发生，限制了此技术的发展[3]。因此选择高效、经济、安全的桥梁拆除方案显得尤为重要[4]。所以通过ANSYS 有限元软件对桥梁进行数值模拟受力分析，并即将其受力分析的结果应用于爆破方案的设计，可以较为合理的设计桥梁爆破方案。

1 有限元软件简介

ANSYS 软件是美国ANSYS 公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，它是世界范围内增长最快的CAE 软件，能够进行包括结构、热、声、流体、以及电磁场等学科的研究，在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电领域有着广泛的应用[4]。它能够进行结构静力学分析、结构动力学分析、非线性分析以及结构疲劳分析等，因其具有的强大功能，它被应用于各行各业，几乎能够满足用户的各种复杂模型分析。

2 模拟结果及受力分析

2.1 施加位移约束：在悬索拱桥左端的9 号和25 号节点处施加位移约束，使其在X、Y、Z 三个方向上不能发生位移。在右端的16 号和32 号节点处施加Y 和Z 两个方向上的位移约束使之不能发生位移。

2.2 施加集中力：在悬索拱桥的一侧位置即11、12、13、14 节点处施加-1x108N 大小的集中力，方向为Y 方向。另一侧施加同样大小和方向的集中力。

2.3 施加重力：在建模前已经选取了桥体框架和桥面的材料模型，同时定义了它们的弹性模量、泊松比和密度大小。根据桥梁的体积系统能自动计算出桥梁的重力，如图1 所示。在1x108N 大小的载荷下桥梁发生结构变形如图2 所示。

图1 施加载荷后的模型

图2 结构变形图

因为桥梁的左端被固定，右端只能发生X 方向上的位移，在重力的作用下，桥面下面的拱桥支柱向左发生位移，左端桥面逐渐向下倾斜，然后中间桥面向下塌陷，整座桥梁向左小幅度偏移，桥面上的各节点发生不同程度的位移。整座桥体发生变形后，桥面开裂。由于桥面发生塌陷，所以悬索和桥拱随着桥面向下而发生变形。桥梁的平衡被打破，整体发生失稳。如图3 和图4 所示。

图4 节点位移矢量图

通过图3 可以看出，桥梁两端发生位移最小，从左到右位移逐渐增大然后再减小，直至在右端悬索与桥拱连接处以及桥拱和桥面连接处达到最大，随后再缓慢减小。图3 清晰的表示出了桥梁各个部件的位移发生情况，对桥梁拆除爆破的设计具有一定的参考价值。

图6 剪力图

图7 弯矩图

图5、图6 和图7 分别是桥梁在1x108N 载荷下的轴力图、剪力图和弯矩图。从图5 可以看出，桥拱一侧的两端轴力最小，另一侧的轴力大小变化趋势是从左到右逐渐增加。桥面下面的桥拱支座轴力最大。图6 显示了桥梁最左侧的桥拱剪力最小，左端桥面下面的竖直桥体支座和右端的桥拱所受剪力最大。桥面上方的桥拱剪力变化是从左到右逐渐减小。图7 是弯矩图，在桥面上方的桥拱两端即桥面和桥拱连接处弯矩最大，桥面下的桥拱支座弯矩最小。从3 号节点到6 号节点弯矩是先减小后增大再减小，从6 号节点到7 号节点弯矩大小是逐渐增大，直至达到最大值。由对称性可知，另一侧的弯矩情况和刚才分析的一样。三幅图中悬索的轴力，剪力和弯矩大小都是所在图中所受力的中间值。由上述受力分析可知，在进行桥梁的爆破拆除时，可根据受力情况布置炮孔。受力大的部位，炮孔少，装药量少，受力小的部位，炮孔和装药量相对多一些。

表1 是各节点位移，每个节点的位移都不一样。其中8 号节点在X 轴方向上位移最大，6 号节点在Y 轴方向位移最大，5 号节点在Z 轴方向上最大。从表2 可以看出9 号节点所受轴力最小，8 号节点所受轴力最大。剪力大小则是8 号节点最小，7 号节点最大。轴力主要集中在桥梁的桥拱和悬索上，弯矩次之，最后是剪力。从桥梁的总体受力情况来看，轴力是最主要的，剪力和弯矩很小，有的部位甚至为零，所以桥梁塌陷时的受力分析主要放在拱桥和悬索上。

表1 各节点在三个坐标轴方向的位移

表2 各节点元素上受轴力、剪力和弯矩的情况

结束语

运用ANSYS 软件建立悬索拱桥的有限元模型，模拟了桥梁在集中力的作用下的位移变化以及结构变形情况，运用结构静力学方法对桥梁进行受力分析。当对悬索拱桥进行爆破拆除时可根据悬索拱桥的受力情况合理设计爆破拆除方案。最后通过对桥梁的仿真模拟，为以后其它类型的桥梁的分析提供了借鉴，具有一定的现实参考意义。