第一章 绪论
我国山河众多，自然条件错综复杂，建桥历史十分悠久。新世纪里，我国进入经济高速发展时期，同时也创造了我国建桥史上的一个个辉煌成就：享有当今桥梁界最高荣誉“乔治·理查德森奖”且长度位居世界第一的跨海大桥——青岛海湾大桥、世界最大跨度的钢箱梁悬索桥—西堠门大桥、创造世界跨度纪录的钢拱桥—上海卢浦大桥等，做出了在桥梁建造史上具有跨时代意义的卓越贡献[1-5]。广珠城际铁路桥和京津城际铁路沿线的桥梁比重分别达到了 90%和 88%；京沪高速铁路沿线桥梁总长占到全线总长的 80%；目前已经开工建设的济青高速铁路，全长 307.8km，桥隧所占比例达到了 86.89%；桥梁和涵洞的造价一般平均占据公路总造价的 10%—20%。这些工程成就和数据充分说明了桥梁在我国国民经济建设和交通系统中所占的比例越来越重。
然而，我国在桥梁建设的进步和发展过程中，也不可避免的存在着一些问题。比如，在桥梁设计方面：缺乏创新、经济性指标差，设计理论和结构体系不完善，没有用科学发展和可持续发展的观念实施桥梁结构的全寿命设计，缺少设计应具有的可检、可控、可换、可修、可强及可持续的特性；在工程质量方面：不合理的施工周期和工程造价、不合格的工程材料、偷工减料、施工队伍经验不足；在管理方面：领导阶层缺乏质量安全意识、管理不规范、法制意识薄弱[2, 6]。
以上这些先天不足的问题导致许多桥梁在设计使用年限内出现了各种各样的质量问题和安全问题，加之近年来交通量的激增和重型运输车辆违规超载现象的频发，使得许多桥梁不适应当前剧增的交通运输需求而处于超负荷运营状态，导致桥梁结构的耐久性和安全性降低，因此许多桥梁的服役期限大大缩短，而且使用寿命提前结束。虽然有些桥梁经过了全面的技术改造，但是仍处于“带病”工作状态，仍然满足不了现代交通发展对桥梁承载能力的要求。这些需要退出历史舞台的桥梁或者桥梁构件，通常被拆除或者拆除回收。钢筋混凝土是桥梁结构的主要材料形式，目前运用到桥梁拆除中的技术，通常有人工拆除技术、机械拆除技术和爆破拆除技术，而在钢筋混凝土桥梁拆除中，一般采用三者结合的爆破拆除技术，人工拆除技术和机械拆除技术作为爆破拆除技术的辅助。爆破拆除技术是第二次世界大战以后，各国为了清除战后遗留的废墟和危险建（构）筑物所发展起来的，尤其在欧洲各国应运而生。之后在城市建设迅猛发展、交通运输路网不断更新的大背景下，加之爆破拆除技术所具有的经济、高效、安全和方便的特点，使得爆破拆除技术在更多国家的拆除行业中得到了广泛应用[7]，其中以英国和前西德为典型代表。被拆除的建（构）筑物包括楼房、桥梁等，一些发达国家运用爆破拆除技术拆除了多座高大建筑物。我国在 20 世纪 70 年代引进了爆破拆除技术，主要应用在控制爆破拆除各类钢筋混凝土建（构）筑物上，比如高大楼房、冷却塔、烟囱[8-9]、高耸构筑物以及桥梁等。
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最近几年，采用爆破拆除技术拆除混凝土危旧建（构）筑物的工程实例越来越多，对于建（构）筑物爆破拆除过程的数值模拟进行研究的案例逐年增多。主要内容涉及：桥梁、框架结构建筑物、烟囱、冷却塔爆破拆除过程的数值模拟；建（构）筑物爆破切口的设置；爆破拆除过程对周围环境的影响；运用现代摄影设备观测倒塌过程；静态拆除破碎剂的应用；炸药爆炸对构件本身的影响。下面将详细介绍与本文内容相关的研究成果。
1.2.1 国内研究现状
（1）桥梁爆破拆除数值模拟工程优化
贵州新联爆破公司的吴远林等人采用 LS-DYNA 软件对兴钛石拱桥进行数值模拟，将实际爆破效果与模拟结果进行了对比，二者较为吻合[23]；解放军理工大学的郝晓宁等人利用有限元软件 ANSYS/LS-DYNA 建立了一高架桥的有限元数值模型，探讨了模型的建立方法、再现了桥梁的倒塌过程和桥体的破碎情况，数值模拟结果与实际工程较为吻合[24]；贵州新联爆破工程有限公司的佘勇、池恩安等人在分别考虑钢筋和混凝土两种材料力学性能差异的前提下，运用有限元软件 ANSYS/LS-DYNA 建立了册亨岩架大桥的分离式共节点模型，预演了大桥的爆破拆除过程，经过对数值模拟过程与实际爆破过程的对比分析，肯定了数值模拟技术可以优化爆破拆除方案并指导实际爆破施工[25]；贵州新联爆破工程有限公司的宋天培等人为确保顺利地对一钢筋混凝土双曲拱桥进行爆破拆除，建立了该桥爆破拆除过程的分离式共节点模型并根据爆破方案真实模拟各爆破切口的位置，桥面预切缝通过软件中的关键字 MAT_ADD_ERROTION 实现，模拟结果与实际工程较为相似，说明数值模拟较好的辅助了结构的爆破拆除设计[26]；解放军理工大学的宋歌等人采用有限元软件 ANSYS/LS-DYNA 对南京市汉中门大桥的爆破拆除过程进行了数值模拟研究，建立了整体式模型且不考虑爆破切口的形成过程和炸药的爆炸过程，模型模拟出了微差爆破和顺序爆破两种不同的效果，模拟结果与实际爆破拆除过程较为接近[27]；北京理工大学的杨忠华在其硕士论文中对钢筋混凝土拱形结构桥梁的爆破拆除进行了研究，建立了钢筋混凝土分离式共节点模型，对单曲拱桥、双曲拱桥、上承式拱桥、中承式拱桥、下承式拱桥的原地坍塌过程进行有限元模拟，计算结果与工程实际较为吻合，以大桥的拱座桥墩为例，建立了钢筋、混凝土、炸药、水和空气等材料的模型，其中炸药、水和空气采用欧拉网格建立模型，钢筋和混凝土采用拉格朗日网格建立模型，对水压爆破的作用机理和作用效果进行了初步探讨，确定了水压爆破切口在数值模拟中的处理方法[28].
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第二章 桥梁爆破拆除理论基础与设计
桥梁是为跨越山涧、沟壑等障碍物而修建的带状构筑物。桥梁由五大部件和五小部件组成。五大部件包括桥跨结构、支座系统、桥墩、桥台和墩台基础。桥跨结构是线路遇到障碍物中断时跨越障碍物的结构物。支座系统起到支撑上部结构并将荷载传递于墩台上的作用。桥墩是支撑两侧桥跨上部结构的构筑物。桥台设置在桥梁两端，一侧保护桥台和路堤填土，另一侧支撑桥跨上部结构的端部。墩台基础是保证桥梁墩台安全并将荷载传至地基的结构物。桥跨结构和支座系统构成了桥梁的上部结构，桥墩、桥台和墩台基础构成了桥梁的下部结构。五小部件也称为桥面构造，设置目的是为了满足桥梁的服务功能，包括桥面铺装、排水系统、栏杆、伸缩缝和灯光照明[99]。
我国大部分桥梁都是上世纪 60 年代到 80 年代修建的，当时的设计规范无法对交通运输行业的发展速度做出准确预测，使得不同结构体系的桥梁在设计、施工和养护维修等方面均存在不同程度的缺陷，加之公路运输行业中重载、超载车辆数量快速增长，导致桥梁过载服役的现象十分普遍，桥梁在过载作用下各关键构件的截面应力将超过原有设计中的承载能力极限状态和正常使用极限状态下的应力值，使得各受力构件产生缺陷和病害的时间大大提前，其中相当数量的桥梁已经成为危桥而面临拆除或者拆除重建，因此爆破拆除技术因其方便、快捷和高效的特点在危旧桥梁拆除工程中得以广泛的使用。随着时代的进步，计算机技术和数值模拟计算产生了飞跃性的发展，数值模拟技术在爆破拆除领域中得到了广泛应用。爆破拆除的数值模拟是利用特定的数学或物理模型，在有限元软件的平台上对模拟过程进行研究。
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钢筋混凝土桥梁的爆破拆除中，保证其顺利倒塌的力学条件有：（1）破坏桥梁结构支撑构件的强度；（2）破坏桥梁结构支撑构件的刚度；（3）使桥梁结构构件失稳，进而使其倒塌、碰撞、破碎。钢筋混凝土桥梁爆破拆除的总体思路是对桥梁的承重构件—桥墩、桥肋和主梁等实施爆破破碎，利用炸药爆炸产生的能量来摧毁这些承重构件的强度和刚度，使这些构件发生松动，从而丧失承载能力，之后桥梁在自身重力作用下发生失稳坍塌，桥梁的各部位之间在塌落过程中发生碰撞解体，当桥梁构件塌落至地面以后，再根据需要通过机械法破碎清理[27, 36]。从打眼装药起爆到桥梁结构坍塌破坏的过程中，需要用到多方面的力学知识。在爆破切口形成瞬间，爆破切口预留支撑部位的钢筋混凝土构件在倾覆力矩及重力作用下破坏，开始丧失其支撑能力及抗弯能力，此过程涉及到材料力学和结构力学等方面的知识；随后，切口预留支撑部位的钢筋混凝土构件在应力作用下发生弯曲断裂，这一过程又涉及到材料力学和断裂力学方面的知识；桥梁结构发生失稳倾覆并与地面发生碰撞解体的过程是一个由连续体到离散体的过程，这一运动过程又涉及到多体动力学的知识。因此可以看出，钢筋混凝土桥梁爆破拆除的力学理论具有相当高的复杂性[100]。
本章将从失稳倾覆力学机理、连续倒塌力学机理、碰撞破碎力学机理对桥梁构件的爆破拆除过程进行力学分析，为后续章节中桥梁构件的爆破拆除过程数值模拟提供理论支持。
2.2.1 失稳倾覆力学机理
钢筋混凝土高耸建（构）筑物的失稳倾倒过程为：在爆破切口形成的瞬间，爆破切口以上的结构重力产生的压应力作用在预留支撑体上，随后支撑体部位的应力在结构重力作用下开始重新分布，支撑体部位背部的受力状态由受压变为受拉，并且受拉面积逐渐增大，结构以支撑体中性轴为轴开始转动；在结构不断转动的过程中，支撑体部位背部的混凝土在不断增大的拉应力作用下出现损伤裂缝；在重力作用下，随着结构转动速度的不断增加，角度也随之增大，导致结构支撑体背部的裂纹不断扩大，爆破切口处的裸露钢筋在拉应力作用下的受力特性由弹性变为塑性，最终进入大变形阶段，之后钢筋失效；随着结构的不断转动，支撑体部位的裂纹不断增加，结构支撑体部位的混凝土受压面积逐渐减少，直至在压应力的作用下发生破坏[103]。
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