高架桥拆除模型试验的原理与方法

在结构模型试验研究中，只有模型和原型保持相似，才能由模型试验结果推算出原型结构的相应结果。如果原型和模型相对应的各点及在时间上对应的各瞬间的一切物理量成比例，则两个系统相似。

1）相似常数

相似常数（也称为相似比、相似系数等）是模型物理量同原型物理量之比。主要有几何相似比及应力、应变、位移、弹性模量、泊松比、边界应力、体积力、材料密度、容重相似比等。在这些相似常数中，长度、时间、力所对应的相似常数称为基本相似常数。

2）相似指标及相似判据

模型和原型中的相似常数之间的关系式称为相似指标，若两者相似，则相似指标为1。由相似指标导出的无量纲量群称为相似判据。

3）相似定理

相似定理有3个，分别称为相似第一定理、相似第二定理、相似第三定理，分别表述如下。

相似第一定理：彼此相似的两系统，单值条件相同，其相似判据的数值也相同。

相似第二定理：当一现象由n个物理量的函数关系来表示，且这些物理量中含有m种基本量纲时，则能得到n-m个相似判据。

相似第三定理：凡具有同一特性的现象，当单值条件（系统的几何性质、介质的物理性质、起始条件和边界条件等）彼此相似，且由单值条件的物理量所组成的相似判据在数值上相等时，则这些现象必定相似。

这3条定理构成了相似理论的核心内容。相似第三定理明确了模型满足什么条件、现象时才能相似。它是模型试验所必须遵循的法则。

4）量纲分析

当还不知道系统的物理量间的函数关系、但已知影响该系统的物理量时，可用量纲分析法模拟该系统。量纲分析法的最重要作用是用其确定相似判据。

量纲分析法的规律有以下几条。

（1）2个物理量相等，不仅要求其数值相同，也要求它们的量纲相同。

（2）2个同量纲参数的比值是无量纲参数。

（3）在1个物理过程中，若有n个物理参数，m个基本量纲，则可组成n一m个独立的无量纲参数组合。

（4）在1个物理方程式中，等式两边的量纲必须相同，这个物理方程的量纲均衡性是量纲分析的基础。

5）相似要求

模型和原型的相似要求主要有5个方面，分别是：

（1）几何相似。对于三向应力状态下的结构模型，各方向的几何尺寸应保持相似；而对于二向应力状态，则只需要求平面尺寸保持几何相似，厚度就不一定要求几何相似。

（2）边界条件相似。模型和原型的支承条件、支承位置等均应保持相同或相似。

（3）物理参数相似。模型与原型的荷载性质、大小等都应满足相应的相似

要求，而作用方向则应完全相同。

（4）时间相似。在动力模型试验中，随时间变化的过程，每一刻都对应着某些物理量，因此必须保持时间比例不变的关系。

（5）初始条件相似。在常温的静态应力试验时，只要求几何相似，边界条件和荷载相似；而在动应力和温度应力下的模型试验，则主要要求初始条件和时间的相似。

6）模型试验材料

在结构模型试验研究中，模型材料的选择非常重要。一般应根据模型的比例、材料特性以及所加荷载特点和试验研究的方向等确定。对于局部受力模型，一般需研究原型的破坏特点，且由于几何缩尺可做大一些，模型尺寸可相对较大，容易而且必须用实际高架桥材料制作。对于研究极限承载力或整体（局部）稳定性的模型而言，所选模型材料其本构关系则应尽量接近或同实际高架桥有一定程度相似性。

7）模型试验依据的条件

高架桥结构模型试验研究应依据的条件有3个，分别是：

（1）应变相等，即模型和实际高架桥保持应变相等。

（2）应力相等，即模型和实际高架桥保持应力相等。

（3）应变或应力保持一定的比例关系，即介于应变相等和应力相等之间。

3.1.2物理模型设计原则口.2]

1）静力结构模型设计

（1）线弹性模型设计。线弹性性能是工程结构的主要性能之一。不论采用何种结构类型，当结构的应力水平较低时，结构的性能都可以用线弹性理论描述。按照线弹性理论，结构所受荷载与结构产生的形变以及应力之间均为线性关系。对于由同一种材料组成的结构，影响应力大小的因素有荷载F、结构几何尺寸L和材料的泊松比v，于是，应力表达式可写为0=f（F，L，v）（3-1）通过量纲分析有

L20=0（0）（3-2）由上式可知，线弹性结构的相似条件为几何相似、荷载相似、边界条件相同，不要求胡克定律相似，但要求泊松比相似，即设计线弹性模型时，要求

S，=学（3-4）

（2）非线性结构模型设计。工程结构可能出现两类典型的非线性现象。一类是由材料的应力-应变关系为非线性关系所引起，称为材料非线性。例如，钢筋混凝土结构的强度模型一般具有材料非线性特征。另一类是由于结构产生较大的变形或转动使结构的平衡关系发生变化而引起，称为几何非线性。例如，大跨径悬索桥中悬索的受力特性具有几何非线性特征。两种非线性的共同之处是它们都使得结构荷载与结构变形之间为非线性关系。但对于几何非线性的结构，结构的应力和应变之间可以保持线性关系。对于这种情况，应力与荷载、结构尺寸、材料弹性模量以及泊松比有关，于是，应力表达式为0=f（F，E，L，v）（3-5）通过量纲分析，可将包括5个物理量的基本方程转化为包含3个无量纲乘积x1T2x。的关系式

与=0（告E，0）（3-6）或写成xm=9（2，Tm）（3-7）

这就是考虑几何非线性的弹性结构模型的相似判据方程。为了求得原型结构的应力，模型结构应与原型结构几何尺寸相似、荷载相似、边界条件相同。

模型与原型应满足下列相似关系

（e）=（距）。，w=（3-8）由以上分析可以知道，采用原型相同材料制作的模型，可以模拟原型结构线弹性阶段和几何非线性弹性阶段的受力性能。

2）钢筋混凝土强度模型设计

钢筋混凝土结构的承载能力很大程度上取决于混凝土和钢筋的力学性能。

当缩尺比例较大时，由于材料特性与其构成尺寸密切相关，钢筋混凝土强度模型很难做到完全相似的程度。而模型设计的成功与否主要取决于材料特性的相似设计。

对钢筋混凝土强度模型材料的选用有较严格的相似要求。理想的模型混凝土和模型钢筋应与原型结构的混凝土和钢筋之间满足下列相似要求。

（1）混凝土受拉和受压的应力-应变曲线几何相似；（2）在承载能力极限状态，有基本相似的变形能力；

（3）多轴应力状态下，有相同的破坏准则；

（4）钢筋和混凝土之间有相同的粘结滑移性能；

（5）相同的泊松比；

（6）钢筋混凝土结构强度模型的相似常数如表3-1所示。

表3-1钢筋混凝土强度模型的相似要求

表3-1钢筋混凝土强度模型的相似要求

3）砌体结构强度模型设计

与混凝土结构相似，砌体结构的性能也与构成尺寸有密切的关系。砌体结构的缩尺模型试验能否反映原型结构的主要性能，关键问题是模型砌体结构中的块体和灰缝如何模拟。在原型结构中，普通黏土砖的尺寸为53mm×115mm×

240mm，水平灰缝厚度为10mm。20世纪50年代，国外有人曾经研究采用最小到1/10比例的模型砖砌筑的砌体结构性能，但一般认为模型砌体结构的最大缩尺比例不宜超过4，也就是采用1/4比例的模型砖。模型砖的长度为60mm，大多采用原型砖经切割加工而成。

4）动力结构模型设计

与静力性能相比，结构动力性能的差别主要因结构本身的惯性作用所引起。因此，结构动力模型的设计应仔细考虑与时间相关的物理量的相似关系。动力模型的相似要求如表3-2所示。

表3-2动力模型的相似要求

表3-2动力模型的相似要求

3.1.3物理模型试验内容与试验方法高架桥以及其他建（构）筑物拆除爆破工程的模型试验是为爆破设计服务的，与其他领域物理模型试验相比，具有显著特殊性。结合城市高架桥爆破拆除的技术要求，模型试验的研究内容主要包括爆破参数选取、运动塌落过程分析、有害效应形成与传播规律研究和安全防护措施制定等方面。

3.1.3.1墩柱爆破参数试验

1）试验目的

高架桥的主要承重构件为桥墩结构，高架桥爆破拆除时必须通过破坏桥墩的承载能力，使其整体失稳塌落，因此桥墩的爆破效果是整个高架桥成功爆破的关键和核心。

但是，与常规的建筑物立柱相比，高架桥结构的墩柱无论是在荷载特征上，还是结构形式上，都更为复杂。例如，每跨桥体一般由2个或4个桥墩共同承载，其荷载达到几十吨至几百吨，比房屋建筑立柱承受荷载大得多。而桥墩结构形式则有实体墩、空心桥墩、柱式桥墩、框架墩等多种结构形式和断面形状，同时其体积大，含筋量高，与房屋建筑物立柱结构相比差异极大。不仅如此，每个桥墩都有其不可替代的作用，在房屋建筑中由于其荷载均匀的分散在若干根立柱中，其单根立柱的破坏往往不会导致建筑物的整体失稳，因此在房屋建筑爆破些拆除过程中，可通过对现场单根立社的试爆获取合理的爆破参数。但是，嘉解桥城柱一旦破坏失稳，就可导致桥聚的局部基至全部失稳，诱发重大安全事故。

富精所述人高架桥散柱提破会数的确定是整个爆破拆除工程成功与否的关黑熟果州大结的案杂多样，金发造取真用要成的经费公式，注往与合温氨数存在较大偏差，达不到预期爆破效果，存

重大安全隐患。因此，通过墩柱爆破

高器料留熟单陈极购定年药单耗、地孔参数、我药编构等爆破会数和安生婴票的防护形式十分必要。

拆除高架桥后交通状况反而变好了。汽车变得平均能以时速20公里以上的速度行驶了。首尔市有关人员说“原来在二村洞路一带的往返9车路的左转专用车道上车辆队伍排得很长，经常堵车。将高架桥拆除后9车道改为了11车道，车辆通行状况变好了