砌体拱桥控制爆破中结构损伤测量与优化的数值方法研究

《Engineering Structures》：Proposal of a numerical methodology for the measure and optimization of structural damage in the controlled demolition of masonry arch bridges

　　

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  提出了一种基于有限元的方法，用于优化炸药的布设位置和药量，以实现砌体桥梁的定向爆破拆除。
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  采用了CONWEP进行爆炸模拟，混凝土损伤塑性模型用于结构响应分析，并提出了一种新的全局损伤指标。
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  以圣马尔切洛·皮斯托耶塞大桥为案例，对115个引爆方案进行了全面的参数化分析。
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  尽管在近距离条件下CONWEP存在局限性，该方法仍能有效对拆除方案进行排序。
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  该方法支持大量的方案探索，并可通过机器学习工具进一步提升。

引言

砌体拱桥是欧洲和意大利交通网络中广泛存在的一种桥型[1]，常在公路和铁路基础设施系统中发挥战略性作用。科学文献对砌体结构的建模与分析问题给予了大量关注，考虑了该材料的复杂性和特殊力学行为。近年来，越来越多的研究特别关注砌体拱桥，涵盖建模与分析方法、调查与实验表征技术、结构健康监测以及加固干预措施等方面[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。

一个值得关注的工程问题涉及基础设施的退役阶段，可能随后被新结构所替代，在某些情况下需要设计和执行定向爆破拆除。这通常发生在结构性能已不能满足要求、保存状况受损、功能性过时，而加固措施在经济上不可行，或者拆除由环境或城市规划法规所规定的情形中[8]。

拆除作业始终需要精心设计和执行，尤其是在砌体桥梁的情况下，其高结构冗余度以及异质性和层状材料的存在引入了额外的复杂性和不确定性。用于结构拆除最常用方法之一——因其速度快、效果好、成本低——是使用适当尺寸和位置的炸药。炸药量或炸药布设位置定义不当可能导致拆除无效，后续需要危险的人工拆除作业[9]，或者导致意想不到的危险后果。因此，有必要对整个拆除阶段进行彻底的设计，这不可避免地依赖于先进的计算程序[10]，这些程序能够考虑砌体的特定力学行为及其与填充土材料在爆炸后的相互作用[11]、[12]。

本文所提出的工作正处于此背景下，提出了一种以优化为导向的方法，旨在最大化定向爆破拆除场景中爆炸的有效性，尽管并未实现正式的数学优化算法。该方法通过先进的有限元数值分析，研究不同炸药布设位置和药量配置的效率，采用混凝土损伤塑性模型进行损伤建模[13]、[14]，并使用CONWEP——常规武器效应程序方法进行爆炸载荷建模[15]、[16]。

为了在连续介质有限元分析的框架内对爆炸引起的结构损伤进行定量评估——在此框架下无法直接重现砌体纹理的碎裂及后续的碎屑释放——提出了一种特定的、新的"损伤指标"。该指标从所采用的损伤本构模型内在的微观力学和本地参数中数值推导得出。

关于爆炸的数值建模，值得注意的是，CONWEP是一种基于实验结果拟合的经验方法。它在计算上非常高效，但其经验性质和几何假设本质上存在局限。事实上，该程序最初是为再现球形（空气中）或半球形（地面/表面）爆炸试验而开发的，因此无法准确模拟受限环境或复杂环境中涉及结构-爆炸相互作用的爆炸事件。尽管如此，其在文献中作为结构近距离爆炸场景的一级近似方法被普遍接受[17]、[18]、[19]。为了评估这一特定方面，本文还对TNT炸药与受冲击结构之间距离参数的敏感性分析进行了研究。

为应用和验证所提出的方法，选取圣马尔切洛·皮斯托耶塞大桥作为实际案例（其数据和特征在文献中可查）。在Abaqus环境中[20]实现了详细的有限元宏观模型，定义了一系列具有不同炸药位置和药量的引爆方案。分析了这些方案相对于拆除目标的效果和效率，包括基底剪力、位移和损伤。

本文结构如下。第2节介绍了爆炸对既有结构和基础设施影响的建模主题，特别关注砌体结构。第3节描述了所提出的既有基础设施拆除作业初步设计方法，并简要介绍了所使用的工具：CONWEP方法（用于爆炸建模）、混凝土损伤塑性模型（用于模拟砌体行为的材料模型）以及所提出的损伤指标。第4节介绍了案例研究，包括相应的有限元模型和初步模态分析结果，并定义了拆除方案，分为"两炸药"和"多炸药"两种类型。第5节呈现并讨论了"两炸药"拆除方案的数值结果，第6节则聚焦于"多炸药"方案。最后，第7节提供了结论性意见并概述了未来的研究方向。

章节摘要

既有结构和基础设施定向爆破拆除研究现状

土木工程领域中存在多种需要使用炸药的情况。在岩土工程应用中，疏浚作业和岩石土壤的挖掘工作可以通过引爆放置在海底或与被破碎岩体接触的TNT炸药来完成[21]、[22]、[23]。在结构工程领域，炸药主要用于既有建筑物和基础设施的拆除，这解释了近年来在

砌体拱桥受爆炸影响行为评价方法

全文中，"拆除方案"一词指的是同时引爆的TNT炸药的数量、位置和药量的组合。在每个拆除方案中，对于固定的炸药数量，影响结构损伤的两个主要因素——进而影响拆除作业的有效性——是炸药位置和TNT药量。对于所考虑的具体基础设施，目标是确定最优的炸药位置和药量配置

案例研究：圣马尔切洛·皮斯托耶塞大桥（意大利）

为验证所提出的策略，选取的案例研究是位于意大利托斯卡纳大区皮斯托亚省圣马尔切洛·皮斯托耶塞的圣马尔切洛·皮斯托耶塞大桥。该桥的几何和力学特征可从文献中获取[69]、[70]。该桥建于第二次世界大战之后，使用了不同类型的砌体材料（表2）。主结构由三个拱组成（图4），并具有填充

"两炸药"方案中的非线性动力分析

分析了12个"两炸药"方案，炸药放置在图4中标注的四个点上，每个点采用三种不同的等效TNT炸药质量。爆炸引起的载荷最初通过将炸药放置在距基础设施很近的距离进行建模（这是一个高度简化但被接受的假设，稍后将通过敏感性分析进一步研究）。分析时长为$t_{\mathit{tot}}=0.50\mathit{s}$，从引爆时刻$t=0$

"多炸药"方案中的非线性动力分析

定义了9个"多炸药"方案，包括6个"四炸药"类型和3个"六炸药"类型。所有拆除方案采用的TNT总质量为400 kg。详见表6。结构响应从基底剪力、控制点位移、损伤云图、损伤时程（通过所提出的损伤指标）以及损伤状态分类等方面进行分析。对每个方案，进行了缩比距离的敏感性分析，

结论与未来展望

本文提出了一种基于有限元的方法，用于研究如何优化TNT炸药的位置和药量，以最大化砌体拱桥定向爆破拆除作业的有效性。选取圣马尔切洛·皮斯托耶塞大桥作为案例验证该策略，通过在Abaqus中实施的非线性动力分析评估了115个引爆方案。结合使用CONWEP方法进行爆炸建模、

作者贡献声明

Luigi Salvatore Rainone：撰写–初稿、可视化、软件、方法论、调查、形式化分析、数据管理。Giuseppina Uva：撰写–审阅与编辑、撰写–初稿、可视化、验证、监督、资源、方法论、资金获取、概念设计。Siro Casolo：撰写–审阅与编辑、可视化、验证、监督、资源、方法论、形式化分析、概念设计。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的研究工作。

致谢

Giuseppina Uva和Luigi S. Rainone感谢FABRE"桥梁、高架桥及其他结构评估与监测研究联盟"提供的财政支持（www.consorziofabre.it/en)。论文中表达的任何观点不一定反映资助方的观点。

Luigi Salvatore Rainone|Giuseppina Uva|Siro Casolo