高文樂 趙德龍 李元振 張澤華 李坤鵬

①山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院(山東青島，266590)

②中國石油大學(xué)(華東)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院(山東青島，266580)

引言

伴隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市樓房改造和拆除重建的工程越來越多。 爆破拆除因其具有安全高效、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而占有重要地位。 爆破拆除理論的發(fā)展落后于實(shí)踐，目前爆破拆除方案的設(shè)計(jì)仍以經(jīng)驗(yàn)公式為主；但拆除對象的結(jié)構(gòu)及其所處的環(huán)境日趨復(fù)雜，各方面對爆破拆除的要求也越來越高。 因此，爆破拆除必須向精確化、可控化方向發(fā)展。 爆破拆除具有不可逆性，對其進(jìn)行實(shí)體實(shí)驗(yàn)較為困難；因此，有必要通過數(shù)值模擬的方式對爆破方案的制定和參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

在拆除爆破中，延期時(shí)差的不同會直接影響爆破振動的強(qiáng)弱、飛石范圍的大小以及建(構(gòu))筑物倒塌效果的好壞[1]。 王濤等[2]采用了數(shù)值模擬來預(yù)測建筑物倒塌并得到了較好的效果，提出切口部位施加爆炸載荷能更真實(shí)地模擬建筑物爆破拆除倒塌過程；張明等[3]利用ANSYS/LS-DYNA 有限元分析軟件，采用整體式模型研究得出：在相同切口形式時(shí)，爆破區(qū)段延期時(shí)間不同，框架結(jié)構(gòu)塑性鉸形成位置和倒塌效果有所不同；李勝林等[4]采用內(nèi)爆法，對單榀鋼混框架進(jìn)行不同延期時(shí)間的爆破切口的數(shù)值模擬，并提出了延期時(shí)間的確定原則；田水龍等[5]研究了不同毫秒延時(shí)對后坐的影響；徐鵬飛[6]采用有限元分析方法對混凝土材料模型以及鋼筋混凝土本構(gòu)模型進(jìn)行了研究。 本文中，以多截面承重立柱酒店爆破拆除項(xiàng)目為例，利用ANSYS/LS-DYNA 軟件建立有限元模型，進(jìn)行數(shù)值模擬，探究延期時(shí)差對拆除爆破效果的影響；通過現(xiàn)場實(shí)際爆破倒塌情況和模擬情況對比，分析有限元模擬的實(shí)際工程價(jià)值，為類似的工程提供參考借鑒。

1 工程概況

1.1 爆破環(huán)境

待拆除酒店位于山東省煙臺市開發(fā)區(qū)長江路與珠江路交叉口西南側(cè)。 因所在地塊重新規(guī)劃建設(shè)，地塊內(nèi)建筑物需要被拆除。 該酒店北側(cè)75 m 為長江路；東側(cè)133 m 為珠江路；南側(cè)50 m 為需要保留的平房，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。 爆破環(huán)境示意圖見圖1。

圖1 爆破環(huán)境(單位：m)Fig.1 Blasting environment(unit：m)

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該酒店主體結(jié)構(gòu)8 層(局部10 層)，框架結(jié)構(gòu)。高36.4 m，東西長95.3 m，南北寬17.3 m，建筑面積13 000 m2。 建筑物主體結(jié)構(gòu)東西方向共16 排立柱，跨度為3.9 ～9.0 m；南北方向3 排立柱，跨度為2.2 ～8.6 m；單層共計(jì)48 根承重框架立柱。 框架柱的截面尺寸有700 mm×700 mm、850 mm×850 mm、1 400 mm×675 mm 3 種類型，縱向配筋情況分別為16φ20、24φ20、24φ22。 建筑物立柱布置見圖2。

圖2 建筑物立柱布置圖(單位：mm)Fig.2 Layout of building columns (unit：mm)

2 爆破方案

考慮被爆建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和周邊環(huán)境情況，決定采用向南定向倒塌的爆破方案。 由于該建筑物樓層較高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，決定采用三角形爆破切口，切口的上仰角為30°。 將第1 ～3 層設(shè)為爆破切口，缺口高度南高北低(第1 層切口最大高度3.9 m、第2層切口最大高度3.6 m、第3 層切口最大高度3.0 m)，爆破切口最高處為10.5 m。 爆破切口示意圖見圖3。

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

爆破后，建筑物的支撐穩(wěn)定性被破壞，在自身重力作用下向南定向倒塌。 根據(jù)倒塌方向，采用自南向北逐排逐層延期起爆方式。 為了快速形成爆破切口，加快建筑物向南側(cè)傾斜的速度，自南向北各排立柱分別采用非電毫秒延期雷管MS3 段、MS11 段和MS15 段，延期時(shí)間分別為 50、460 ms 和 880 ms。

3 不同延期時(shí)差下的數(shù)值模擬

3.1 有限元模型建立

利用ANSYS/LS-DYNA 有限元軟件對工程進(jìn)行1︰1 建模[7]。 為了能夠真實(shí)地反映出鋼筋和混凝土兩種材料的力學(xué)性能差異，采用分離式共節(jié)點(diǎn)模型。 其中，梁、柱和地面選用solid 164 單元，鋼筋選用beam 161 單元，樓板選用shell 163 單元。 為了提高建模和計(jì)算的速度，在不嚴(yán)重影響計(jì)算精度的前提下，對模型做出了以下簡化[8]：1)不考慮鋼筋外面的混凝土保護(hù)層厚度；2)不設(shè)置箍筋，通過適當(dāng)提高混凝土強(qiáng)度來代替箍筋的作用；3)地面設(shè)置為剛體，不發(fā)生變形；4)將墻的質(zhì)量等效分配到梁上；5)不考慮炸藥爆炸對切口的形成以及爆炸后切口斷面的影響。 同時(shí)，考慮到計(jì)算的準(zhǔn)確性，采用規(guī)則的六面體映射網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.2 m，單元數(shù)量總計(jì)344 703 個。 結(jié)構(gòu)的有限元模型見圖4。

圖4 結(jié)構(gòu)的有限元模型Fig.4 Finite element model of structure

3.2 模型的材料及接觸

鋼筋和混凝土的材料類型選用?Mat_Plastic_Kinematic(塑性隨動模型)，各材料的力學(xué)性能參數(shù)如表1 所示。 通過關(guān)鍵字?Mat_Add_Erosion 控制爆破切口的形成以及混凝土材料的失效[9]，鋼筋的失效則通過定義材料自帶的FS 參數(shù)進(jìn)行控制。

表1 各材料的力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Mechanical property parameters of each material

考慮到建(構(gòu))筑物在倒塌過程中接觸的復(fù)雜性，在各種接觸類型中，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；用Contact_Nodes_To_Surface 定義鋼筋單元和地面的接觸[10]，防止鋼筋穿透地面。 模擬時(shí)，取靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)為0.6。

3.3 不同延期時(shí)差設(shè)置

有限元模型建立完畢后，設(shè)置8 種不同的延期方案，延期時(shí)差分別為 0、100、200、300、400、500、600 ms 和 900 ms。 其中，8 種延期方案相鄰兩排立柱之間的延期時(shí)差相同。 通過ANSYS/LS-DYNA 進(jìn)行模擬，分析不同延期時(shí)差下多截面承重立柱框架結(jié)構(gòu)的拆除爆破效果。

4 數(shù)值模擬結(jié)果及對比分析

4.1 數(shù)值模擬結(jié)果

模型的其他設(shè)置保持不變，只改變延期時(shí)差，通過數(shù)值模擬得到各個延期方案的爆破效果。 不同時(shí)差時(shí)的最終倒塌效果見圖5。 利用LS-DYNA 的后處理模塊對圖5 中不同延期時(shí)差時(shí)的倒塌形態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到不同延期方案的爆堆高度(圖6)及后坐距離(圖7)。

4.2 對比分析

圖5 不同延期時(shí)差的倒塌效果示意圖Fig.5 Schematic diagram of collapse outcome with different delay time difference

圖6 不同延期時(shí)差時(shí)的爆堆高度Fig.6 Blasting height with different delay time difference

圖7 不同延期時(shí)差下的后坐距離Fig.7 Rear-seat distance with different delay time difference

通過對徐軒等[11]的研究和本次數(shù)值模擬結(jié)果的相互論證可以發(fā)現(xiàn)，控制延期時(shí)差的大小可以有效地將爆堆高度和后坐距離控制在可承受的范圍內(nèi)，降低爆破拆除產(chǎn)生的不良影響。

4.2.1 爆堆高度

以爆堆的最高點(diǎn)作為爆堆高度的選取點(diǎn)。 從圖5 和圖6 中可以看出，爆堆高度隨著延期時(shí)差的增加呈先減后增、最后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，并在500 ms 出現(xiàn)最小值。 其中，延期時(shí)差為100 ms 時(shí)，由于東北側(cè)一根立柱尺寸為1 400 mm×675 mm，南北向截面剛度較大，在倒塌過程中立柱未完全破碎并且翹起，導(dǎo)致爆堆高度在延期時(shí)差100 ms 時(shí)陡升。 結(jié)構(gòu)的破碎解體主要依靠構(gòu)件之間的沖擊碰撞作用，當(dāng)延期時(shí)差較小時(shí)，在大偏心受壓下，最后一排形成塑性鉸，上部結(jié)構(gòu)整體發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但僅第一排的動能會因?yàn)榫嗨苄糟q較遠(yuǎn)而比較大，無法使結(jié)構(gòu)完全解體；隨著延期時(shí)差的增大，每排立柱在梁柱節(jié)點(diǎn)處均能形成塑性鉸，且在500 ms 時(shí)各塑性鉸轉(zhuǎn)動充分，產(chǎn)生的豎向動能足以使結(jié)構(gòu)完全解體，爆堆高度為6.92 m；延期時(shí)差大于500 ms 后，塑性鉸轉(zhuǎn)動充分后并趨于穩(wěn)定，部分動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，能量的耗損反而不利于結(jié)構(gòu)的解體，因此，爆堆高度趨于常數(shù)。

4.2.2 后坐距離

從圖5 和圖7 的數(shù)值模擬結(jié)果對比中可以發(fā)現(xiàn)，后坐距離隨著延期時(shí)差的增加呈先減小后增大、最后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，并在400 ms 出現(xiàn)最小值。 樓體在爆破時(shí)會產(chǎn)生下坐和沿設(shè)計(jì)方向的傾倒[12]。 延期時(shí)差較小，塑性鉸集中在最后一排立柱處；當(dāng)爆破切口形成后，最后一排立柱承受剩余懸臂結(jié)構(gòu)的全部重力和彎矩，塑性鉸迅速破壞；當(dāng)爆破切口閉合時(shí)，水平向動能依據(jù)作用力與反作用力原理，會使樓體在相反方向產(chǎn)生后坐，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生較大后坐。 隨著延期時(shí)差的增大，各排立柱相繼形成塑性鉸，并且在延期時(shí)差為400 ms 時(shí)塑性鉸充分轉(zhuǎn)動，動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，后坐距離達(dá)到最小，為7. 47 m。 隨著延期時(shí)差的繼續(xù)增大，前端結(jié)構(gòu)提前觸地，對后端結(jié)構(gòu)產(chǎn)生支撐作用，導(dǎo)致后坐增大，最終穩(wěn)定在一個常數(shù)。

5 現(xiàn)場爆破效果

綜合考慮最小爆堆高度以及最小后坐距離的原則，爆破方案最終選取自南向北排間延期時(shí)差分別為410 ms 和420 ms。 具體通過非電毫秒延期雷管實(shí)現(xiàn)。 現(xiàn)場爆破過程如圖8 所示，

圖8 爆破倒塌過程Fig.8 Collapse process of blasting

起爆后，結(jié)構(gòu)按預(yù)定方向倒塌。 對實(shí)際爆破和數(shù)值模擬的爆堆形態(tài)進(jìn)行對比：實(shí)際爆堆高度約8.10 m，后坐距離約6.20 m；數(shù)值模擬的爆堆高度為7.36 m，后坐距離為6.81 m。 可認(rèn)為現(xiàn)場爆破效果與模擬結(jié)果比較符合，模擬結(jié)果較好。

本次爆破中，整體產(chǎn)生了明顯的后坐現(xiàn)象。 分析其主要原因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的高寬比僅為1.77，樓房重心偏低，導(dǎo)致支撐體受到偏心力超過其最大的承載能力；支撐體因承載能力不足而迅速發(fā)生粉碎性破壞或彎折斷裂破壞，樓體以一定角度下沉；同時(shí)，轉(zhuǎn)動軸后移，即上部樓體開始做類似于自由落體運(yùn)動與繞轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動的合成運(yùn)動[13]。 因此，在爆破施工時(shí)應(yīng)合理地控制后排立柱的裝藥量，減少小高寬比結(jié)構(gòu)因支撐體承載力不足而產(chǎn)生的后坐現(xiàn)象。

6 結(jié)論

1)通過與其他研究對比發(fā)現(xiàn)，框架結(jié)構(gòu)在進(jìn)行定向爆破拆除時(shí)，爆堆高度和后坐距離隨著延期時(shí)差的增大先減小、后增加，最后趨于穩(wěn)定。 最佳延期時(shí)差則根據(jù)不同的建筑形態(tài)有不同的數(shù)值。

2)為避免數(shù)值模擬中出現(xiàn)的大截面立柱破而不碎的情況，多截面承重立柱框架結(jié)構(gòu)在爆破拆除時(shí)，應(yīng)對截面剛度較大的立柱進(jìn)行松動爆破，確保其完全解體。

3)模擬過程中建立的是分離式共節(jié)點(diǎn)模型，綜合地考慮了鋼筋和混凝土的共同作用，雖然沒有考慮炸藥在爆炸時(shí)對整體結(jié)構(gòu)的沖擊作用，但也能很好地模擬出結(jié)果，與實(shí)際工程吻合。

4)對于本文中的建筑形式，當(dāng)爆堆高度最小時(shí)，數(shù)值模擬得到的最佳延期時(shí)差為500 ms；當(dāng)后坐距離最小時(shí)，數(shù)值模擬得到的最佳延期時(shí)差為400 ms。 模擬結(jié)果也與實(shí)際爆破相符，說明數(shù)值模擬可以有效地對實(shí)際爆破結(jié)果進(jìn)行模擬預(yù)測。