言志信，劉培林，葉振輝

（1.蘭州大學(xué)西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

隨著城市化進(jìn)程的加快，在城市現(xiàn)代化改造工程中爆破拆除起著越來越重要的作用，城市復(fù)雜的建筑環(huán)境對爆破拆除提出了更高的要求。以往主要通過經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行建筑物爆破拆除設(shè)計(jì)的方法已經(jīng)不能滿足工程實(shí)踐快速發(fā)展的要求，因此針對建筑物爆破拆除的研究更加迫切。

孫金山［1］探討了高聳筒形建筑物的折疊爆破拆除過程，指出上下切口起爆時(shí)差是直接關(guān)系到整個方案成敗的關(guān)鍵參數(shù)；楊國梁等［2］利用分離式模型模擬高層框筒結(jié)構(gòu)建筑物的折疊爆破拆除，研究了不同切口高度和延遲時(shí)間對倒塌范圍和爆堆高度的影響；崔正榮等［3］利用有限元程序?qū)袅Y(jié)構(gòu)原地坍塌爆破拆除過程進(jìn)行模擬，指出模擬的結(jié)果與實(shí)際情況比較接近；葉振輝等［4］運(yùn)用力學(xué)原理建立磚煙囪倒塌的模型，結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)行研究，并與實(shí)際倒塌過程相對比，指出煙囪倒塌過程中的折斷多發(fā)生在在距離地面1／3處和約1／2處。

建筑物爆破拆除工程自身的特性決定對每一次爆破過程進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)是不可能的，而數(shù)值模擬為這一問題的解決提供了可能。本文中，以某實(shí)際工程為例，進(jìn)行數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果與工程實(shí)際進(jìn)行對比，然后分析切口位置對倒塌范圍的影響。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

待拆除大樓為框架剪力墻結(jié)構(gòu)［5］；自然地平以上16層，高約48m；主樓東西長32m，南北寬27m；柱尺寸為0.7m×0.7m。平面圖如圖1所示。

根據(jù)場地條件，為保證附近人員、建筑物及市政設(shè)施的安全，預(yù)定倒塌范圍及實(shí)際倒塌范圍如圖2所示［5］。

1.2 爆破方案

圖1 結(jié)構(gòu)平面圖Fig.1Structural plane diagram

采用定向傾倒爆破的方案，工程實(shí)例中切口位于第4～8層，切口示意圖如圖3所示［5］。

圖2 倒塌范圍示意圖Fig.2Schematic drawing of collapse range

圖3 切口示意圖Fig.3Schematic drawing of blasting cut

2 有限元模型

2.1 材料的本構(gòu)關(guān)系

模型中材料采用隨動塑性材料模型［6］，它與應(yīng)變率相關(guān)，可以考慮失效，可以通過設(shè)置不同的參數(shù)，較好地模擬鋼筋及混凝土各自的材料特性。

2.2 建模方案

利用ANSYS／LS－DYNA有限元軟件，采用2種不同的建模方式，并考慮不同位置的切口，建立5個模型，模型方案如下：

方案1：用桿系有限元模型建立三維結(jié)構(gòu)模型，其中梁柱用梁單元（beam 161）建模，剪力墻及樓板采用殼單元（shell 163），切口位置及形狀與上述工程實(shí)例一致。利用等效原理［7］，把鋼筋的材料性能分散到混凝土當(dāng)中，將兩者看作一種材料分析。

方案2：采用共用節(jié)點(diǎn)的方法建立鋼筋混凝土分離式模型［8］。其中，鋼筋采用梁單元（beam 161）建模，樓板采用殼單元（shell 163），梁、柱及剪力墻的混凝土用實(shí)體單元（solid 164）；模型采用自動單面接觸；切口位置及形狀與上文中工程實(shí)例一致。

方案3：建模方法與方案2相同，切口位置設(shè)置于結(jié)構(gòu)第3～6層。

方案4：建模方法與方案2相同，切口位置設(shè)置于結(jié)構(gòu)第2～5層。

方案5：建模方法與方案2相同，切口位置設(shè)置于結(jié)構(gòu)第1～4層。

方案2～5中切口形狀均與實(shí)例相同，模型作了如下簡化：（1）梁、柱中只設(shè)置了縱向鋼筋，箍筋的作用通過調(diào)整混凝土單元的參數(shù)達(dá)到等效的目的；減少剪力墻鋼筋數(shù)量，通過調(diào)整鋼筋截面積達(dá)到等效的目的；電梯井采用板殼單元模擬；（2）忽略爆炸過程，不考慮爆炸的影響直接形成爆破切口。

3 模擬結(jié)果的比較與分析

3.1 倒塌過程分析

倒塌過程的模擬如圖4所示。切口形成后，結(jié)構(gòu)在重力作用下開始偏轉(zhuǎn)，首先壓壞倒塌方向上保留的剪力墻，結(jié)構(gòu)開始后座，然后在最后一排柱形成活動鉸，結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)倒塌。5個方案中，倒塌時(shí)間均在6.5s左右。

方案1～2的模擬效果表明：倒塌過程大致相同，方案1中模型由于單元簡單，網(wǎng)格較大，在觸地后幾乎沒有飛散物；方案2的模擬過程中則有明顯碎塊飛出，結(jié)構(gòu)觸地后，可以看見混凝土剝離鋼筋表面的現(xiàn)象，這與實(shí)際是相符的。因此，模擬效果表明分離式模型比整體式模型更貼近實(shí)際。

方案2、3、4、5切口的位置依次降低，通過對比發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的破碎程度從方案2至方案5依次增大，這是由于倒塌結(jié)構(gòu)的勢能依次增大。

圖4 倒塌過程模擬結(jié)果Fig.4Simulation results of collapse process

3.2 倒塌范圍的比較

在模擬倒塌完成后，分別選取前、后堆積物外沿的單元輸出其水平位移曲線，如圖5所示。

如圖1～2所示，本文中后座距離為結(jié)構(gòu)從軸線A往南的位移；倒塌方向上的前沖距離為結(jié)構(gòu)從軸線F往北的位移（以下簡稱前沖距離）。根據(jù)以上單元在結(jié)構(gòu)上的位置，結(jié)合單元位移曲線圖（見圖5）。分別計(jì)算得出5個方案中結(jié)構(gòu)各自的后座位移及前沖距離，方案1～5的后座距離分別為1.92、4.01、5.72、6.01、3.94m，前沖距離分別為38.01、42.53、47.57、51.79、55.84m。

如圖2所示，工程實(shí)例中的前沖位移為41.5m。通過工程實(shí)例的比較，方案1模擬的誤差為8.4%，方案2模擬的誤差為2.5%。表明數(shù)值模擬能較好地與實(shí)際相吻合，并且分離式模型更貼近實(shí)際。另外，裝藥爆破前第2跨東側(cè)部分的電梯井剪力墻的預(yù)處理未進(jìn)行完畢，留有少量剪力墻體，而西側(cè)剪力墻處理充分，所以導(dǎo)致了整座樓房偏西倒塌的現(xiàn)象［5］。

由計(jì)算得到的方案1～5的后座距離和前沖距離可知：第1，結(jié)構(gòu)的后座位移隨切口位置的下移有增大的趨勢，這是由于切口下移使得勢能增加，方案5后座位移反而減小是由于切口位于底層，其下方有地面的約束；第2，前沖距離會隨切口位置的下移而增加，且大致呈線性變化，主要是由于切口位置下移使得轉(zhuǎn)動鉸位置下移，從而上部結(jié)構(gòu)繞該鉸轉(zhuǎn)動的高度增加。

圖5 單元位移曲線圖Fig.5Element displacement graphs

3.3 鋼筋和混凝土單元應(yīng)力分析

在方案2模型中，在最后一排柱的第4層處取一鋼筋單元，并在相應(yīng)位置取一混凝土單元，輸出的應(yīng)力時(shí)程曲線如圖6所示。

因?yàn)殇摻畹目估?yīng)力遠(yuǎn)大于混凝土，實(shí)際倒塌過程中大部分鋼筋并不會屈服。從圖6（a）中可以看出，整個倒塌過程鋼筋都沒有屈服，這與實(shí)際是相符的。在t＝1.72s時(shí)，鋼筋單元最大壓應(yīng)力為0.21GPa；在t＝1.15s時(shí)，混凝土單元達(dá)到最大壓應(yīng)力，之后就失效被刪除了。

圖6 鋼筋和混凝土單元應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.6Stress curves of reinforcement and concrete elements

4 結(jié) 論

通過采用不同的有限元模型對某高層框－剪結(jié)構(gòu)倒塌過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并與實(shí)際工程相對比，得出以下結(jié)論：

（1）從整體式與分離式2種方案的模擬結(jié)果看，誤差均在10%以內(nèi)，均能較好地與實(shí)際相吻合，這對爆破拆除工程具有指導(dǎo)意義。分離式模型更貼近實(shí)際，整體式模型網(wǎng)格劃分簡單、計(jì)算時(shí)間短；2種建模方法各有優(yōu)勢，可以根據(jù)模擬的具體要求，靈活地選擇不同的建模方式。

（2）分離式模型能反映混凝土和鋼筋力學(xué)性能上的差異，通過應(yīng)力時(shí)程曲線可以考察鋼筋和混凝土的力學(xué)性能狀態(tài)。

（3）通過方案2～5的模擬，發(fā)現(xiàn)切口位置上移會造成以下結(jié)果：第1，能有效地減少結(jié)構(gòu)的前沖距離；第2，結(jié)構(gòu)觸地后的破碎程度會相應(yīng)降低。這是一個相互影響的過程，因此，爆破切口的位置應(yīng)該在一個合理的范圍內(nèi)。

（4）在爆破切口形狀相同的情況下，后座距離會隨結(jié)構(gòu)倒塌的初始勢能的增加而增加。

［1］孫金山.高聳（高層）建筑物拆除爆破倒塌過程模擬［D］.武漢：武漢大學(xué)，2005.

［2］楊國梁，楊軍，姜琳琳.框－筒結(jié)構(gòu)建筑物的折疊爆破拆除［J］.爆炸與沖擊，2009，29（4）：380－384.

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［3］崔正榮，趙明生，杜明照.剪力墻結(jié)構(gòu)原地坍塌爆破拆除數(shù)值模擬［J］.爆破，2009，26（1）：62－64.

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［8］周寧.ANSYS－APDL高級工程應(yīng)用實(shí)例分析與二次開發(fā)［M］.北京：中國水利水電出版社，2007.