贵州交通建设集团有限公司 贵州贵阳 550000
摘要：既有炸药库对临近建筑物的安全影响研究一直备受关注。采用FLAC3D软件模拟某大桥受临近既有炸药库的爆炸冲击影响，并提取了大桥的沉降变形、受力状态及相关监测点的水平振动速度结果。通过分析证明该炸药库的存在会对临近大桥的安全运营造成严重威胁，建议将其拆迁。
关键词：炸药库；FLAC3D；爆炸冲击
1 引言
随着我国城镇化建设的不断推进，高速公路、国道、省道及乡村公路的建设日趋完善。但是，由于受地形、地质条件的限制，有些公路建设不得不从一些既有建（构）筑物旁边穿过，如炸药库等[1-2]，这就将产生一定的安全威胁。
本文依据具体的工程案例，采用FLAC3D数值模拟方法[3-6]，模拟了既有炸药库爆炸对临近大桥的安全影响。通过数值模拟结果得出，既有炸药库爆炸产生的冲击荷载，将对临近大桥造成严重沉降，桥梁结构承受的附加应力大幅增加，周边岩土体受爆炸冲击振动，产生剪切、拉伸破坏，最终导致桥梁坍塌。因此，建议拆迁该处炸药库，避免桥梁安全事故发生。
2 工程概况
2.1大桥地形、地质概况
桥位区属中山及中山山地河谷地貌，地表崎岖，地势起伏较大。该桥沿河两岸地形均较陡峭，两岸前后缘位于河流两岸斜坡上，自然地形坡度为35°~40°，桥位区标高在1246.84~1276.86m之间，自然地形最大高差30.02m。
2.2 大桥设计概况
该大桥采用5×30m先简支后结构连续的T梁结构，全长162m。设计标准为公路I级，桥梁抗震设防标准为：地震。动峰值加速度0.05g，地震动反应谱特征周期为0.4s，按7级采取抗震措施。
2.3 既有炸药库概况
炸药库炸药核定数量52t，雷管核定数量50万发。炸药存放于由砖混墙体及钢筋混凝土板构成的平房内，后方为山体，前方设置防爆墙。该炸药库位于大桥的西侧，距离大桥最近距离为169米。
3 炸药库爆炸对大桥安全影响研究
3.1 有限元分析模型建立
在已建成既有炸药库的基础上，考虑新建大桥，按照二者位置关系，建立三维有限元分析模型。
（1）几何模型建立
三维数值模型的计算范围根据岩土体与结构体相互作用的影响范围来确定，计算几何模型如图3所示。模型顶部建至通德河大桥路面结构，底部取至地基岩层，即地面以下50m。模型地层按照勘察资料并结合经验进行选取，地基土层取两层，上部取为强度较弱的土层，下部取为强度较高的岩石层。
采用ANSYS建立地质模型[7-8]，采用SOLID45四节点实体单元，三维四面体网格划分，在既有炸药库、桥梁结构、桥墩与地基部分加密网格单元，共划分为102586个单元（如图1所示）。
图1 网格划分模型
（2）材料本构模型
将建好的有限元模型导入FLAC3D，进行计算分析。地层岩土体采用Mohr-Coulomb弹塑性材料模型，桥墩、桥梁、炸药库附属结构体等结构部件均采用线弹性材料模型。
（3）边界条件
模型采用两类边界：静力边界条件和动力边界条件。静力边界条件用于模型初始应力场的计算。动力边界属于粘性边界，用于爆炸过程计算中，可以实现对应力波的吸收，其功能类似于无限单元，可以透过应力波，不在边界上产生波的反射，使计算更符合实际情况。
（4）爆炸荷载施加方法
目前对爆破荷载的模拟通常采用三角波形法，即将爆炸荷载模拟成三角冲击荷载[9-10]。对于土体来讲，经验振动频率在6-50Hz，而在空旷的环境，振动频率通常可取10Hz。
根据以往研究经验，通常在地表，爆炸荷载的经验参数可取：K=15.06，α=0.325，Cρ=300。因此，在Q=52000kg条件下，爆炸荷载σ=2.15GPa。
（5）工况设置
为安全起见，本次计算模拟最不利工况条件下（即炸药全部爆炸）大桥安全稳定性。
（6）计算参数
根据地勘资料、相关规范、工程地质手册及经验取值。具体参数见表1。
3.2 计算结果分析
（1）变形分析
图3 最不利工况下炸药爆炸引起的大桥变形云图
从图2可知，既有炸药库在最不利的爆炸条件下，产生的爆轰荷载威力巨大，使整个模型区域均发生了沉降变形，沉降变形最大的是在炸药库区域，然后随着离炸药库的距离增加，沉降量递减发展。从整个模型的变形量上可以得出：在如此大的爆轰力作用下，临近的大桥确实存在安全隐患。
从图3可知，桥梁在爆轰荷载影响下，左侧发生沉降，而右侧隆起，说明桥梁在该种荷载条件下，首先在中部附近发生断裂，进而整个桥梁坍塌。
（2）受力分析
图4 最不利工况下炸药爆炸引起的模型整体受力云图
图5 最不利工况下炸药爆炸引起的大桥受力云图
从图4可知，在巨大的爆轰荷载作用下，首先炸药库周边岩土体发生了严重剪切及拉伸破坏，然后向既有炸药库周边岩土体发展。在距离炸药库100m左右的大桥，其地基岩土体也发生了严重剪切和拉伸破坏。
从图5可以看到，在爆轰荷载影响下，大桥、桥墩及其基础承受了很大的附加应力，最大的压应力为3.6GPa，最大的拉应力为9.3GPa。对比钢筋混凝土及预制T梁的强度可知，大桥桥梁结构远不能承受这么大的附加应力。
综上所述，在既有炸药库爆炸后，临近大桥的安全会受严重威胁。
（3）周边岩土体振动速度分析
在既有炸药库巨大的爆轰荷载作用下，炸药库周边岩土体发生了很大的振动，最大是y向的水平振动，其次是z向的竖向振动，再次是x向的水平振动；从量值上看，最大的水平振动速度约2500cm/s，随着距离的增加，振动速度逐渐衰减。但是，在距离炸药库200m的位置，最大的水平振动速度仍有约750cm/s，这说明在炸药库爆轰荷载影响下，其周边一定范围内的岩土体会发生很大的振动，从而严重影响岩土体的稳定性。
4 结论
通过相关规范标准及道路交通安全技术，采用数值模拟方法，研究分析了既有炸药库产生爆炸（爆轰荷载）的情况下，对临近国道大桥的安全影响作用。其结论如下：
（1）桥梁在临近爆轰荷载影响下，发生了很大的沉降变形，结构承受了很大的附加应力，炸药库周边及大桥处的岩土体发生很大的振动，产生了严重剪切和拉伸破坏。
（2）在既有炸药库爆轰荷载影响下，通德河大桥振动速度远大于工程振动控制标准中质点的安全允许振动速度2cm/s。
（3）该炸药库与新建大桥安全距离过小，存在严重安全隐患，为了保证人员及公路运营的安全，应拆迁该炸药仓库。
参考文献:
[1]段美满.炸药库爆炸对建筑物风险影响分析[J]. 科技资讯,2018,16(10):66-69.
[2]孟海梅,康育鵬. AroGIS在炸药库选址和确定安全距离中的应用[J].现代测绘,2016,39(01):40-42.
[3]王金歌,王杨兴.基于FLAC3D的隧道侧穿桥梁桩基沉降分析 [J].四川建材,2018,44(01):189-203.
[4]戴旭,赵少飞,张浩琛,等.竖井施工对临近管线水平位移影响的研究[J].地下空间与工程学报,2018,14(S2):838-844.
[5]杨金旺,陈媛,张林,等.基于地质力学模型试验综合法的顺层岩质高边坡稳定性研究[J].岩石力学与工程学报,2018,37(01):131-140.
[6]蒋毅,魏思宇,尚彦军,等.深部复合地层力学性质研究[J].岩土力学,2017,38(S2):266-272.
[7]袁超,张涛,孙留颖.基于ANSYS的钢筋混凝土桥梁结构有限元分析[J].山西建筑,2014,40(21):158-159.
[8]施颖,田清勇,宋一凡,等.基于ANSYS的公路桥梁车桥耦合振动响应数值分析方法[J].公路,2010(03):66-70.
[9]苏国韶,张小飞,付兴义,等.爆炸荷载作用下岩体振动特性的DE-FLAC3D数值模拟方法[J]. 北京理工大学学报,2009,29(06):471-474.
[10]蔡珣,张亚栋.爆炸荷载下大口径管道破坏作用的数值模拟[J]. 工业建筑,2014,44(S1):236-240.
论文作者:丁善涛,张情亮,邓启迪
论文发表刊物:《防护工程》2019年第6期
论文发表时间:2019/6/27
标签：炸药论文; 荷载论文; 大桥论文; 模型论文; 岩土论文; 桥梁论文; 结构论文; 《防护工程》2019年第6期论文;