桥梁控制爆破拆除的动态模拟*

谢承煜 王东平 程贵海

1 概述

随着计算机技术的广泛应用和发展,三维应用软件日趋成熟。通过VB对AutoCAD进行二次开发,可以实现逼真的三维动画。对爆破倒塌过程进行三维动态模拟,不仅可以较逼真地模拟倒塌过程,还可以通过观测倒塌过程来改进爆破效果和防止爆破危害(如爆破震动、噪声、空气冲击波等),同时进行多方案的对比分析,以便于选择经济、安全的方案。

2 三维动态模拟原理

在定向爆破的三维动态模拟软件中,AutoCAD作为显示三维动态的窗口,通过VB对AutoCAD进行二次开发,其主要目的就是实现数据→模型→动态的转换,以达到实现设计计算与结构设计、绘图一体化的智能软件。

3 动态模拟系统设计[1-3]

3.1 引用AutoCAD对象

1)AutoCAD对象应用程序的引用。AutoCAD对象的引用采用对象变量来完成。首先声明变量类型,然后使用set语句将对象引用赋给变量。设引用AutoCAD应用程序对象(application)的变量名为acadapp,则:

2)AutoCAD应用程序对象下级对象的引用。通过AutoCAD应用程序对象(Application)的属性或方法逐级向下访问其所有下级对象,必须先声明变量类型即定义变量名称类型。

3.2 连接AutoCAD

在使用VB对AutoCAD进行二次开发的首要条件是把VB与AutoCAD连接起来,才能达到VB与AutoCAD进行数据→模型→动态的转换。VB与AutoCAD的连接要经过以下两个步骤:

1)在编写代码前,在编程环境中引用AutoCAD对象库;2)编写VB程序代码,创建AutoCAD对象,启动运行AutoCAD。

当在VB与AutoCAD进行连接之后,VB语言就可以利用AutoCAD对象及其下级对象的属性和方法,在AutoCAD环境中进行图形绘制和编辑等操作。

3.3 模型的创建

用VB编程实现AutoCAD绘图,就是用Add方法在Auto-CAD模型空间(ModelSpace)创建三维图形对象,也可以在图纸空间(PaperSpace)或块(Block)中创建对象。要创建的对象必须在程序里声明定义其类型,然后通过set语句给对象赋值并创建对象。在对象创建之后,就可以对其进行各种修改或操作,比如进行移动(Move3D)等。

3.4 模拟步骤

1)完成AutoCAD的连接与启动。2)设置模拟窗口,在窗口中分别设置命令按钮commandButton并将其名称修改为动态模拟、东北方向、西南方向、东南方向及退出。3)编辑程序,分别生成桥墩、桥拱及河流的三维模型,并用移动(Move3D)方法等使其产生动画效果。4)鼠标点击模拟窗口中的动态模拟命令控件,即可产生动画效果。

4 工程实例

4.1 工程概况

需爆破拆除的桥梁位于广西桂平市二线船闸上的引航道上,大桥为拱式结构,总长209.07 m,总净宽(9+2×1.5)m,由桥面、桥拱及墩台基础等构成,其中正桥采用单孔等截面悬链线箱拱结构组成,净跨长100 m,矢跨比为 0.1,正桥两端各设一孔等截面圆弧线板拱结构引桥,净跨16 m,矢跨比为0.25。

4.2 爆破方案

首先对桥拱上部的桥面、梁、立柱拱、立柱进行拆除并将废渣清理完成后,再进行桥拱爆破。本次三维动态模拟只对桥拱进行并在模拟过程中作适当简化。

4.3 桥拱爆破参数

桥拱是由4×6个现场浇筑钢筋混凝土等截面悬链线箱组合而成,总长约103.5 m,单个拱箱长约25.5 m,拱肋厚为27 cm,拱底板和顶板厚度为10 cm,拱高1.6。

4.3.1 拱肋爆破参数[4]

1)最小抵抗线 W:取两个拱肋厚度的1/2,因此 W=13.5 cm;2)炮孔深度 L:拱高 1.6 m,为了保证爆破时破碎均匀,因此取孔深 L=1.2 m;3)孔距 a:a=4W=54 cm,取50 cm;4)单孔装药量:Q=qWaH=1 000×0.135×0.50×1.6=108 g,取100 g;5)总装药量:总长约103.5m,孔距为0.5 m,单排孔数为103.5/0.5+1=208个,所以总药量为:208×100×7=145.6 kg。

4.3.2 拱箱底板爆破参数[5]

1)拱箱底板中间布置一排炮眼爆破参数。a.最小抵抗线 W:取拱箱底板厚度的0.2倍,因此 W=2 cm;b.炮孔深度 L:拱箱底板厚10 cm,为了保证爆破时破碎均匀,因此取孔深 L=8 cm;c.孔距a:取 50 cm;d.单孔装药量:Q=qWaH=1 200×0.02×0.50×0.1≈2 g,取10 g;e.总装药量:桥拱总长约103.5 m,孔距为0.5 m,单排孔数为103.5/0.5+1=208个,所以总药量为:208×10×6×1=12.48 kg。

2)拱箱底板倾斜炮眼爆破参数。a.最小抵抗线 W:取 W=5 cm;b.炮孔深度L:拱箱底板厚22 cm,为了保证爆破时破碎均匀,因此取孔深 L=15 cm;c.孔距 a:取50 cm;d.单孔装药量:Q=qWaH=1 000×0.05×0.50×0.25=6.25 g,取 10 g;e.总装药量:桥拱总长约103.5m,孔距为0.5 m,单排孔数为103.5/0.5+1=208个,所以总药量为:208×10×6×2=24.96 kg。

5 爆破模拟效果

1)2009年11月17日上午10时58分,大桥成功爆破拆除,模拟的倒塌过程和实际爆破的倒塌过程基本一致,从模拟中可以得出,桥梁的失稳倒塌条件主要是将桥拱的中点,1/4及3/4处,桥墩与桥拱的连接处等主要受力部分,在做好精确防护工作的前提下加大药量确保炸断,使桥梁失稳倒塌下落。2)桥拱北侧约15 m长部分,下方没有水流,故只在与桥墩的连接处布置一排垂直炮孔(拱箱内不布置炮孔),使这部分桥拱坍塌下落即可,不必使其破碎,然后用炮机进行二次破碎。从模拟中也可以得出,桥拱保留部分与实际爆破中的倒塌过程基本相同。3)其余部分的桥拱,由于该河流为西江巷道,爆破后不能影响船只通行,每个拱箱底板及拱肋均按设计布置炮孔,使桥拱完全破碎,便于船舶通航及机械打捞钢筋。模拟中的破碎效果与实际观测效果相比基本达到要求。

6 结语

桥梁拆除爆破的动态模拟是促进桥梁爆破向精确化、可控化方向发展的有效方式,桥梁拆除爆破理论发展落后于实践,爆破拆除设计仍以经验公式为主,对起爆后桥梁的运动、解体、破坏规律研究不足的问题,通过VB对AutoCAD进行二次开发,在数据→模型→动态的转换中达到了桥梁倒塌过程三维动态模拟,有效地提高桥梁拆除爆破设计的安全性和可靠性,具有较高的实用性。

[1] 曹 青,邱李华,郭志强.VB程序设计教程[M].北京:机械工业出版社,2002.

[2] 佟士懋.AutoCAD ActiveX/VBA二次开发技术基础及应用实例[M].北京:国防工业出版社,2006.

[3] 高培森.AutoCAD 2005中文版基础教程[M].北京:机械工业出版社,2005.

[4] 汪旭光,于亚伦.拆除爆破理论与工程实例[M].北京:人民交通出版社,2008:138-142.