高文樂(lè)，李元振，趙德龍，張澤華

(1.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，青島 266590；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，青島 266580)

由于鋼筋混凝土框架酒店一般建于人口稠密地區(qū)，周邊環(huán)境復(fù)雜、保護(hù)對(duì)象多等因素構(gòu)成了城市復(fù)雜的建筑拆除環(huán)境，因此對(duì)爆破拆除提出了更高的要求。以往主要通過(guò)工程經(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，因此需要開(kāi)展建筑物爆破拆除的數(shù)值模擬研究來(lái)填補(bǔ)工程經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)的不足。為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了框架結(jié)構(gòu)建筑物爆破拆除過(guò)程的研究。言至信等通過(guò)整體式建模和分離式建模與實(shí)際工程的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，分離式模型模擬的效果更貼近實(shí)際[1]；余德運(yùn)等分析了倒塌過(guò)程中鋼筋混凝土支撐立柱內(nèi)側(cè)和外側(cè)的鋼筋單元、混凝土單元的承載失效過(guò)程[2]；吳建宇、賈永勝、謝先啟、李清等利用ANSYS /LS-DYNA 有限元程序?qū)欠克溥^(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬[3-6]；王濤等對(duì)六層框架結(jié)構(gòu)建筑在爆炸荷載下，采用分離式共節(jié)點(diǎn)鋼筋混凝土模型對(duì)爆破拆除過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬[7]。依托框架式酒店定向爆破拆除工程，采用攝像技術(shù)對(duì)酒店失穩(wěn)倒塌過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)該酒店倒塌過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，以此探究框架式酒店的倒塌過(guò)程以及后排立柱混凝土和鋼筋的受力情況，為類似框架結(jié)構(gòu)的爆破拆除工程提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 周邊環(huán)境

待拆除藍(lán)天大酒店北側(cè)75 m為長(zhǎng)江路；東側(cè)113 m為珠江路；西南側(cè)50 m為需要保留的平房，南側(cè)88 m為待拆除樓房；西側(cè)距離二層鍋爐房15 m，距離辦公樓30 m，周邊環(huán)境見(jiàn)圖1。

圖 1 周邊環(huán)境(單位：m)Fig. 1 Surrounding environment(unit:m)

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

藍(lán)天大酒店主體結(jié)構(gòu)8層(局部10層，層高3.6 m)，1層層高3.9 m，2～8層層高3.6 m，框架結(jié)構(gòu)，高36.4 m，東西長(zhǎng)95.3 m，南北寬17.3 m，建筑面積13 000 m2。主體建筑物南側(cè)東西兩端各有3層附樓，建筑物中間進(jìn)出口位置有頂棚。建筑物主體結(jié)構(gòu)東西向共16排立柱，跨度為7.8 m，南北向3排立柱，跨度為8.6 m，單層共計(jì)48根承重框架立柱。立柱斷面尺寸為0.7 m×0.7 m、0.85 m×0.85 m和1.4 m×0.675 m，梁斷面尺寸為0.4 m×0.4 m，樓板厚0.2 m。立柱分布圖見(jiàn)圖2。

圖 2 立柱分布圖(單位：m)Fig. 2 Column distribution(unit:m)

1.3 爆破方案

根據(jù)待拆除酒店的特點(diǎn)，采用1～3層各設(shè)立爆破切口，形式為三角形(1層切口最大高度3.9 m、2層切口最大高度3.6 m、3層切口最大高度3.0 m)，爆破切口最大處10.5 m。對(duì)南側(cè)第一排立柱，在第4層立柱下部1.5 m進(jìn)行減弱爆破。采用由南向北依次爆破，第一排立柱瞬時(shí)起爆，第二排立柱延時(shí)0.46 s起爆，第三排立柱延時(shí)0.88 s起爆。各爆區(qū)立柱切口高度見(jiàn)圖3所示。

圖 3 爆破切口(單位：m)Fig. 3 Blasting cut(unit:m)

2 有限元模型

2.1 計(jì)算模型建立

海天大酒店有限元模型按照實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸建立，為了能夠體現(xiàn)立柱受力及倒塌過(guò)程，采用分離式共節(jié)點(diǎn)模型。梁、柱和地面采用SOLID164單元，鋼筋采用Beam161單元，板采用shell163單元，六面體映射網(wǎng)格劃分。為保證計(jì)算準(zhǔn)確將樓體的網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.2 m，整個(gè)模型單元數(shù)為344 703?？紤]到模型復(fù)雜，在不影響計(jì)算精度的情況下對(duì)模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化：不考慮混凝土保護(hù)層的作用；不加入梁、柱箍筋，但適當(dāng)調(diào)高混凝土的強(qiáng)度；把上部墻體的重量等效到混凝土板中；最后把地面設(shè)置成剛體。結(jié)構(gòu)實(shí)體與模型如圖4所示。

2.2 材料及接觸方式

混凝土和鋼筋均采用塑性隨動(dòng)硬化材料，材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。通過(guò)關(guān)鍵字*MAT_ADD_EROSION控制建筑物爆破切口的形成，以及在倒塌過(guò)程中混凝土材料的失效，鋼筋失效通過(guò)定義材料自帶的FS參數(shù)控制。由于建筑物在倒塌過(guò)程中的接觸非常復(fù)雜，因此選用CONTACT_ERODING_SINGLE_SURFACE定義混凝土單元之間以及混凝土單元和地面的接觸；選用CONTACT_NODES_TO_SURFACE定義鋼筋與地面的接觸[8,9]，以防止鋼筋穿透地面。模擬時(shí)設(shè)定的材料的靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)為0.6。

表 1 材料的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of materials

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 倒塌過(guò)程

采用LS-PrePost對(duì)數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行后處理，然后將1 s作為時(shí)間間隔對(duì)建筑物數(shù)值模擬與實(shí)際爆破的倒塌過(guò)程進(jìn)行截圖處理并比較，最后以建筑物最頂層觸地破碎為結(jié)束時(shí)刻，模擬倒塌過(guò)程和實(shí)際爆破倒塌過(guò)程分別如圖5、圖6所示。

圖 5 框架式酒店爆破拆除模擬倒塌過(guò)程Fig. 5 Simulated collapse process of blasting demolition of frame Hotel

圖 6 框架式酒店爆破拆除倒塌過(guò)程Fig. 6 Collapse process of demolition of a framed hotel

由圖5，圖6可得，數(shù)值模擬的切口上部的倒塌過(guò)程姿勢(shì)與實(shí)際爆破的倒塌過(guò)程姿勢(shì)高度一致。其中，數(shù)值模擬的上部結(jié)構(gòu)觸地時(shí)間為4.4 s，實(shí)際爆破的上部結(jié)構(gòu)觸地時(shí)間為4.3 s，模擬計(jì)算的效果理想。說(shuō)明采用分離式共節(jié)點(diǎn)模型與實(shí)際爆破拆除效果能夠緊密貼合，驗(yàn)證了爆破方案的合理性。根據(jù)模擬計(jì)算與實(shí)際爆破的結(jié)果可把框架式酒店倒塌過(guò)程分為切口形成階段(0.2～1.08 s)、半自由落體階段(1.08～1.4 s)、切口閉合(1.4～2.6 s)以及觸地解體(2.6～4.6 s)。這與崔曉榮通過(guò)攝影測(cè)量分析的建筑物倒塌運(yùn)動(dòng)過(guò)程一致[10]。為更好的分析建筑物爆破倒塌的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，選取建筑物頂端46943號(hào)單元，作出豎向速度曲線圖和豎向位移圖曲線圖，分別見(jiàn)圖7和圖8。

圖 7 頂層單元豎向速度曲線圖Fig. 7 Vertical velocity curve of the top element

圖 8 頂層單元豎向位移曲線Fig. 8 Vertical displacement curve of the top element

從圖7、圖8可以看出結(jié)構(gòu)在t=0.6 s之前豎向速度和豎向位移沒(méi)有明顯變化，基本以后兩排立柱做緩慢的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。從圖7中可以看到在t=0.6 s左右時(shí)結(jié)構(gòu)豎向塌落速度明顯加快，此時(shí)與第二排立柱爆破時(shí)間基本一致，說(shuō)明此時(shí)，最后一排立柱獨(dú)立承擔(dān)結(jié)構(gòu)整體重力，結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲，最后一排立柱的應(yīng)力達(dá)到材料屈服極限強(qiáng)度。在t=1.08 s時(shí)，最后一排爆破切口形成，結(jié)構(gòu)進(jìn)入下一階段。

從t=1.4～2.5 s時(shí)間內(nèi)為切口閉合階段，半自由落體結(jié)束后，立柱與地面碰撞后，首先在第1層和第2層立柱連接處，形成“塑性鉸”，上部結(jié)構(gòu)在以“塑性鉸”和上部結(jié)構(gòu)與地面接觸地方為軸做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。由圖5、圖6可以看出，切口閉合階段完成時(shí)轉(zhuǎn)角已經(jīng)達(dá)到25°左右。由于結(jié)構(gòu)前面沒(méi)有柱的支撐，前方底層的梁和板首先開(kāi)始觸地，對(duì)上部結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的支撐作用。從圖7、圖8可見(jiàn)，由于支撐的出現(xiàn)，在1.6 s結(jié)構(gòu)整體塌落速度減慢,使結(jié)構(gòu)下坐的速度不斷降低。從圖7、圖8可以看出在2.0～2.5 s時(shí)間內(nèi)，塌落速度明顯增加是因?yàn)橹瘟⒅诘?層和第2層連接處已經(jīng)發(fā)生破壞，傾倒力矩大于支撐部破壞截面的抵抗彎矩，第1層支撐立柱被“折斷”，上部結(jié)構(gòu)下落直至觸地。

第四階段是結(jié)構(gòu)的觸地解體階段，從圖5、圖6可以看出，在t=2.5 s左右時(shí)上部結(jié)構(gòu)與地面碰撞，從圖7、圖8可以看，在t=2.5～2.8 s時(shí)間內(nèi)結(jié)構(gòu)的豎向塌落速度沒(méi)有減慢，是由于對(duì)第4層進(jìn)行減弱爆破的作用使結(jié)構(gòu)的整體剛度降低。當(dāng)t=2.8 s左右時(shí)結(jié)構(gòu)第5層與地接觸，由于第4層沖擊撞地消耗了一部分能力，從圖7可以看出第5層的塌落速度減小。上部結(jié)構(gòu)在前兩層觸地解體后梁、柱也發(fā)生破壞作用整體剛度不斷減小，使得結(jié)構(gòu)的塌落速度趨于穩(wěn)定。隨著塌落速度的穩(wěn)定而結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度不斷增大，轉(zhuǎn)角越來(lái)越大。從圖7、圖8可以看出在t=4.6 s時(shí)頂部單元沖擊撞地解體，整個(gè)倒塌過(guò)程結(jié)束。

3.2 支撐區(qū)立柱受力

為了研究立柱受力情況，在第三排立柱第1層層底和第2層層底的柱內(nèi)側(cè)和外側(cè)分別選取一個(gè)混凝土單元，內(nèi)側(cè)單元為A，外側(cè)單元為B。四個(gè)單元點(diǎn)在結(jié)構(gòu)爆破拆除倒塌過(guò)程中的壓力時(shí)程曲線如圖9所示，負(fù)值代表受拉，正值代表受壓。選取與上面混凝土單元共節(jié)點(diǎn)的鋼筋單元，內(nèi)側(cè)單元為A，外側(cè)單元為B。鋼筋的應(yīng)力時(shí)程曲線如圖10所示，負(fù)值代表受壓，正值代表受拉。

圖 9 混凝土單元壓力時(shí)程曲線Fig. 9 Pressure time history curve of concrete element

圖 10 鋼筋單元應(yīng)力時(shí)程曲線Fig. 10 Stress-history curve of reinforced element

從圖9(a)、(b)中可以看出，在t=0.3 s前，第三排立柱都是受壓的，在t=0.3～0.66 s之間(0.66 s第二排立柱爆破拆除)第三排第1層立柱混凝土外側(cè)受壓，壓力在經(jīng)過(guò)0.2 s的應(yīng)力重分布后逐漸增大，內(nèi)側(cè)由受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)為受拉狀態(tài)；第2層立柱的外側(cè)受壓，內(nèi)側(cè)在t=0.5 s左右由受壓狀態(tài)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)。原因是此時(shí)第一排立柱(t=0.2 s)已起爆，根據(jù)壓桿原理[11]，懸臂部分的長(zhǎng)度大于支撐部分的長(zhǎng)度，上部結(jié)構(gòu)重心移出支撐區(qū)域，才會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)受力方式的變化，來(lái)平衡重力產(chǎn)生的彎矩。上部結(jié)構(gòu)，特別是底層后兩排立柱，發(fā)生微弱的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。

在t=0.66 s后，中間排立柱已經(jīng)爆破，第1層底部外側(cè)混凝土的壓力有所減小，在經(jīng)過(guò)0.1 s左右的時(shí)間壓力又開(kāi)始增大；內(nèi)側(cè)混凝土的拉力減小較快，已達(dá)到受壓狀態(tài)，經(jīng)過(guò)0.1 s的受壓狀態(tài)后又變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)；第2層立柱內(nèi)側(cè)混凝土單元的壓力經(jīng)過(guò)0.2 s的穩(wěn)定后急劇增大，外側(cè)混凝土單元的拉力較穩(wěn)定。原因是在t=0.66 s后，第二排立柱起爆，上部結(jié)構(gòu)的重力全部由最后一排立柱承擔(dān)，使得在0.66～0.8 s的時(shí)間內(nèi)最后一排立柱的拉力急劇減少，在經(jīng)過(guò)0.2 s的應(yīng)力重分布后混凝土的拉力和壓力都有所增大。

在t=1.08 s后，第三排立柱起爆后第1層底部混凝土單元被刪除，第2層立柱內(nèi)側(cè)混凝土單元受壓，外側(cè)混凝土單元受拉。這是因?yàn)閠=1.08 s后，第三排立柱起爆，上部結(jié)構(gòu)整體下落，由于上部建筑還具有質(zhì)心的平移初速度和圍繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)初速度，混凝土柱觸地后，混凝土柱支撐部受沖擊反力作用，第1層和第2層立柱連接處應(yīng)力集中，形成“塑性鉸”，這是保證結(jié)構(gòu)順利倒塌的關(guān)鍵。在此階段，第1層支撐立柱向設(shè)計(jì)傾倒方向的反向傾倒，即第1層支撐立柱被“折斷”;第2層支撐立柱由于上、下兩端與梁相連，保持結(jié)構(gòu)的整體性。

從圖10(a)、(b)可以看出，由于鋼筋和混凝土共節(jié)點(diǎn)，在混凝土單元沒(méi)有破壞之前鋼筋和混凝土共同受力，而鋼筋單元的抗壓(拉)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于混凝土的，混凝土單元受壓(拉)破壞時(shí)，鋼筋單元還沒(méi)有破壞，但與鋼筋單元共結(jié)點(diǎn)的混凝土單元破壞刪除后，鋼筋單元要獨(dú)立支撐上部結(jié)構(gòu)。在t=1.08 s時(shí)，爆破缺口形成，第三排立柱底部混凝土單元?jiǎng)h除，第1層底部鋼筋受力明顯增大，內(nèi)側(cè)鋼筋單元由受拉變?yōu)槭軌?，外?cè)鋼筋單元壓力增加迅速；第2層內(nèi)側(cè)鋼筋受拉，外側(cè)鋼筋受壓。這是因?yàn)樵?.08 s時(shí)，混凝土單元?jiǎng)h除，鋼筋獨(dú)立支撐上部結(jié)構(gòu)，所以第1層底部鋼筋由受拉狀態(tài)變?yōu)槭軌籂顟B(tài)。在t=1.4 s左右上部結(jié)構(gòu)觸地，第2層混凝土破壞，第2層內(nèi)側(cè)鋼筋由受拉變?yōu)槭軌海鈧?cè)由受壓變?yōu)槭芾?。這是由于在第1層和第2層連接處形成“塑性鉸”。此時(shí)上部結(jié)構(gòu)以“塑性鉸”為轉(zhuǎn)軸做倒塌運(yùn)動(dòng)。在后來(lái)鋼筋單元并沒(méi)有消除，而是在受拉與受壓的狀態(tài)下不斷交換。是因?yàn)殇摻钤诘顾^(guò)程中受力復(fù)雜，構(gòu)件直接不斷發(fā)生碰撞使得鋼筋在受拉與受壓的狀態(tài)下轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)論

采用分離式共節(jié)點(diǎn)方法對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算，通過(guò)對(duì)爆破拆除倒塌過(guò)程和支撐立柱受力情況進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

(1)分離式共節(jié)點(diǎn)模型能夠有效地描述建(構(gòu))筑物的倒塌過(guò)程以及倒塌過(guò)程中支撐立柱的力學(xué)特征及響應(yīng)，其模擬結(jié)果和實(shí)際效果極為接近。通過(guò)對(duì)倒塌過(guò)程數(shù)值模擬分析可以得出此建筑物的倒塌過(guò)程分為爆破切口形成階段、自由落體階段、切口閉合階段和觸地解體階段。從圖5，圖6可以看出，在觸地解體階段由于沒(méi)有對(duì)4層以上的梁、柱進(jìn)行預(yù)處理，且后排有兩個(gè)大截面柱的支撐作用，使得上部結(jié)構(gòu)解體并不充分。而模擬中對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化，減弱了結(jié)構(gòu)的整體的剛度，使得結(jié)構(gòu)解體充分。因此對(duì)于有大截面立柱支撐時(shí)除了保證有正確的爆破切口外，還應(yīng)該對(duì)上部結(jié)構(gòu)的梁、柱進(jìn)行減弱爆破，才能確保樓房在倒塌過(guò)程中充分解體。

(2)在上部結(jié)構(gòu)整體下落后，由于上部建筑還具有質(zhì)心的平移初速度和圍繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)初速度，混凝土柱觸地后，混凝土柱支撐部受沖擊反力作用，第1層和第2層立柱連接處應(yīng)力集中，形成“塑性鉸”，這是保證結(jié)構(gòu)順利倒塌的關(guān)鍵。從圖5，圖6可以看出建筑物在實(shí)際傾倒過(guò)程中產(chǎn)生明顯后座，是因?yàn)橹虚g立柱截面尺寸較大爆破切口高度不大，不易破碎，頂著上部結(jié)構(gòu)向后移動(dòng)。拆除爆破時(shí)，應(yīng)采用多個(gè)梯形組合的復(fù)合切口，這樣可以滿足多截面承重立柱不同爆破切口高度的需要，從而可以防止建筑物在倒塌過(guò)程中后坐現(xiàn)象的產(chǎn)生。

(3)鋼筋的失效強(qiáng)度比混凝土的高得多，與鋼筋單元共節(jié)點(diǎn)的混凝土單元失效后，由鋼筋獨(dú)立支撐上部結(jié)構(gòu)，鋼筋在倒塌過(guò)程中沒(méi)有達(dá)到屈服狀態(tài)，而是在受壓與受拉的狀態(tài)中不斷轉(zhuǎn)變，直到建筑的倒塌結(jié)束。這與實(shí)際工程相符合，能夠有效的反應(yīng)鋼筋混凝土構(gòu)件在爆破拆除時(shí)的破壞狀態(tài)，從而可以在爆破前進(jìn)行數(shù)值模擬，指導(dǎo)施工。