葉海旺,李 慶,鄭長青,戴 霖,鄭宗棋,DAHE Monyegni Ghislain

(1.武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430070；2.礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；3.珠海爆破新技術(shù)開發(fā)有限公司，珠海 519000；4.惠州中特特種爆破技術(shù)工程有限公司，惠州 516000)

目前爆破拆除成為高大建(構(gòu))筑物拆除的首選方式，而城鎮(zhèn)拆除爆破周圍環(huán)境復(fù)雜，對施工安全、環(huán)保的要求的提高，給爆破拆除帶來了新的挑戰(zhàn)[1,2]。爆破拆除的設(shè)計(jì)依賴于工程經(jīng)驗(yàn)，為了優(yōu)化爆破方案，提高爆破的安全性和可靠性，可采用數(shù)值模擬的方法對爆破方案進(jìn)行優(yōu)化。

崔正榮等為了確定原地坍塌爆破方案的最小爆破高度[3]，用LS-DYNA進(jìn)行了模擬，確定了最佳的爆破高度，并用于工程實(shí)踐，取得了較好的效果；蒙云琪等用ANSYS/LS-DYNA對原地倒塌略前傾和單向折疊倒塌兩種方案進(jìn)行了模擬分析[4]，并對爆破方案的參數(shù)就進(jìn)行了優(yōu)化，確定了最佳的爆破方案；張建華等用ANSYS/LS-DYNA對冷卻塔爆破拆除的傳統(tǒng)爆破技術(shù)和小缺口爆破技術(shù)進(jìn)行了模擬[5]，對比分析了倒塌范圍和觸地震動，發(fā)現(xiàn)小缺口爆破技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)爆破技術(shù)。

盡管很多學(xué)者對爆破拆除的數(shù)值模擬做了很多工作，但是，對于判斷數(shù)值模擬結(jié)果與真實(shí)情況是否相符，大多是進(jìn)行爆堆參數(shù)對比，對于倒塌過程的分析很少，而倒塌過程的運(yùn)動參數(shù)對于研究倒塌機(jī)理具有重要意義。部分學(xué)者采用攝影技術(shù)來獲取建筑物的運(yùn)動參數(shù)，崔曉榮使用近景攝影測量技術(shù)對建筑物的倒塌過程進(jìn)行測量分析[6]，通過圖像分析和數(shù)據(jù)處理獲得倒塌過程的動力學(xué)參數(shù)，測量精度滿足工程要求。鄭長青等使用高級數(shù)碼相機(jī)從不同角度對鋼筋混凝土煙囪的倒塌過程拍攝了數(shù)百張照片[7]，從轉(zhuǎn)角、角速度、角加速度等物理量定量分析了煙囪倒塌過程的運(yùn)動狀態(tài)。

首先用ANSYS/LS-DYNA對不用延期時間的爆破方案進(jìn)行了模擬，確定了最佳的延期時間，并用于工程實(shí)踐，通過近景攝影，獲取建筑物的運(yùn)動參數(shù)，對比分析模擬結(jié)果與實(shí)際的運(yùn)動軌跡、爆堆范圍等參數(shù)，證明了模擬結(jié)果是真實(shí)可靠的。

1 工程概況

1.1 基本情況

龍川縣麻布崗鎮(zhèn)遠(yuǎn)東花園第四棟建筑物系違章建筑，存在安全隱患，需進(jìn)行爆破拆除。待拆除樓房為22層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，總建筑面積16998 m2。主樓長26.6 m，寬25 m，高71.2 m，地下室2層，地面20層，1樓高3.4 m，2樓高3.2 m，3樓高5.0 m，4樓高3.8 m，5～22樓每層高3.1 m。緊挨著高層樓房有一4層的裙樓，長32 m，寬25 m，高15.4 m。

1.2 環(huán)境特點(diǎn)

待拆除樓房東面65 m處為一層平頂鐵皮房，南面5 m處有一棟3層樓別墅，35 m有一棟2層住宅，東南面30 m處有一棟4層住宅，42 m處有一棟16層高樓，西面與西北面68 m處有三棟教學(xué)樓，北面為空地，如圖1所示，周圍環(huán)境較復(fù)雜。

圖 1 周圍環(huán)境示意圖(單位：m)Fig. 1 Schematic diagram of surroundings(unit:m)

1.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

樓房為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，南北方向?yàn)?排立柱，東西方向?yàn)?排立柱。承重柱有4種規(guī)格，截面尺寸為120 cm×60 cm、100 cm×60 cm、100 cm×40 cm和60 cm×60 cm，梁有2種規(guī)格，截面尺寸為85 cm×30 cm和70 cm×24 cm。1～4層保留西側(cè)和南側(cè)一跨裙樓，5～22層為H型結(jié)構(gòu)，如圖2所示。承重柱橫截面鋼筋分布如圖3所示。

圖 2 結(jié)構(gòu)平面圖(單位：m)Fig. 2 Planar graph of structure(unit:m)

圖 3 立柱鋼筋分布圖(單位：cm)Fig. 3 Diagram of column reinforcement(unit:cm)

2 爆破方案

2.1 爆破定向倒塌方向的選擇

考慮東面65 m處有需要保護(hù)的平房，南邊距離5 m處有一棟別墅，西面68 m處有教學(xué)樓及需重點(diǎn)保護(hù)的農(nóng)田，只有北邊有足夠定向倒塌的空地，根據(jù)周邊環(huán)境對比確定，采用向北定向倒塌的爆破拆除方案。

2.2 爆破缺口

采用梯形爆破缺口，缺口高度13.5 m，缺口傾角36°。見圖4。

圖 4 爆破缺口示意圖Fig. 4 Schematic diagram of blasting incision

3 不同延期時間的數(shù)值模擬

3.1 建立模型

為了確定最佳的排間延期時間，采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對框架結(jié)構(gòu)樓房的倒塌進(jìn)行數(shù)值模擬，分析排間不同延期時間間隔對建筑物爆破拆除效果的影響，分別建立排間延期時間300 ms、500 ms和800 ms三種模型，模型進(jìn)行了一定的簡化處理。

鋼筋混凝土計(jì)算模型一般分為分離式、組合式和整體式。李清為了驗(yàn)證LS-DYNA中材料MAT_BRITTLE_DAMAGE的本構(gòu)關(guān)系在模擬中的準(zhǔn)確性[8]，對該材料定義的單個單元進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力-應(yīng)變曲線和破壞規(guī)律都與混凝土比較復(fù)合，并采用整體式建模模擬了建筑物的倒塌，模擬結(jié)果與實(shí)際接近。張明[9]、李祥龍用同種材料采用整體式建模方法對建筑物的爆破拆除進(jìn)行了數(shù)值模擬[10]，都取得了較好的效果。

本次采用整體式模型對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,單元類型為SOLID164,采用六面體網(wǎng)格劃分，單元數(shù)為77794。樓房材料選用*MAT_BRITTLE_DAMAGE，這種材料模型可以定義鋼筋混凝土復(fù)合材料，可以設(shè)置鋼筋和混凝土的各項(xiàng)參數(shù)和配筋率，主要參數(shù)如表1。地面采用剛性材料RIGID,接觸方式為AUTOMATIC_GENERAL全局自動接觸，摩擦系數(shù)為0.5，對與地面接觸的樓房立柱節(jié)點(diǎn)施加位移約束，使用關(guān)鍵字*LOAD_GRAVITY_PART給樓房施加重力，用關(guān)鍵字*DEFINE_ELEMENT_DEATH_SOLID_SET控制單元失效時間模擬爆破缺口的形成，添加關(guān)鍵字*ADD_EROSION模擬結(jié)構(gòu)在觸地時的解體。

表1 鋼筋混凝土材料參數(shù)Table 1 Material parameter of reinforced concrete

3.2 倒塌效果對比

分別采用300 ms、500 ms和800 ms排間延期時間間隔對進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果如圖5所示，爆堆參數(shù)如表2。

圖 5 不同延期時間爆破效果對比Fig. 5 Comparison of different delay time

表2 不同延期時間爆堆尺寸Table 2 Blasting muck pile size of different delay time

根據(jù)模擬結(jié)果，采用排間延期時間為300 ms、500 ms和800 ms的方案時，樓房倒塌過程中后方裙樓都產(chǎn)生了不同程度的后座，分別為1.9 m、4.1 m、6.1 m。樓房可以按照設(shè)計(jì)向預(yù)期方向傾倒，在倒塌過程中充分解體，有利于減小觸地震動。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，排間延期時間間隔時間為300ms的爆破方案最能滿足實(shí)際需要，故本次爆破選擇此方案。

4 結(jié)果分析

4.1 傾倒過程分析

為了精確觀測樓房爆破傾倒過程中爆破缺口的形成、樓房運(yùn)動姿態(tài)和運(yùn)動軌跡、觸地破壞等過程，采用佳能1DX、7D、5D高級數(shù)碼相機(jī)在不同位置連續(xù)抓拍了數(shù)百張照片，并用無人機(jī)在樓房上方、高清攝像機(jī)在西北側(cè)同時拍攝視頻，獲得了大量科研數(shù)據(jù)。使用影像處理軟件，對樓房傾倒過程進(jìn)行分析。

根據(jù)現(xiàn)場拍攝的影像資料，樓房倒塌歷時約7.5 s，數(shù)值模擬樓房倒塌歷時約7.2 s，樓房的倒塌過程與實(shí)際倒塌過程基本一致，圖6為實(shí)際倒塌過程與模擬倒塌過程對比。

4.2 運(yùn)動軌跡分析

對于對稱結(jié)構(gòu)建筑物的定向傾倒爆破拆除，可以看作豎直方向和沿傾倒方向構(gòu)成平面的二維運(yùn)動。單機(jī)攝影時，攝影方向垂直于傾倒平面，正對建筑物可獲得觀測點(diǎn)二維坐標(biāo)。雙機(jī)、多機(jī)呈一定角度同步攝影可以解析三維空間坐標(biāo)[6]。

在與建筑物傾倒方向垂直傾倒平面攝影測量，攝影時保證攝影設(shè)備固定，拍攝照片間隔時間相等。在樓房側(cè)面選取3個觀測點(diǎn)如圖7所示，通過連拍照片和圖像處理軟件分析不同時刻觀測點(diǎn)位移變化。取傾倒方向?yàn)樗秸较颍Q直向下為豎直正方向。以導(dǎo)爆管產(chǎn)生起爆火花時刻為起爆時刻，每隔0.2 s記錄一次觀測點(diǎn)水平方向位移和豎直方向位移。在數(shù)值模擬后處理軟件lsprepost中輸出與觀測點(diǎn)對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)的水平方向位移和豎直方向位移，與實(shí)際觀測的位移進(jìn)行對比，繪制時間位移圖，如圖8。

圖 6 樓房倒塌過程Fig. 6 Collapse of buildings

圖 7 位移觀測點(diǎn)位置Fig. 7 Position of displacement observation point

圖 9 爆堆對比圖Fig. 9 Comparison of blasting muck pile

根據(jù)倒塌過程照片和觀測點(diǎn)時間位移曲線，樓房倒塌主要分為爆破缺口形成、結(jié)構(gòu)繞鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動、下座、向前傾倒、觸地解體五個階段。在爆破缺口和塑性鉸形成后，結(jié)構(gòu)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，下部支座發(fā)生破壞，上部結(jié)構(gòu)開始下座和后座，主樓后座距離1.6 m，西面和南面一跨裙樓受主樓下座產(chǎn)生的拉力向內(nèi)傾倒，3 s時前跨觸地，爆破缺口閉合，觸地之后下部結(jié)構(gòu)被壓碎，結(jié)構(gòu)繼續(xù)下座，下座高度約為19 m，隨后結(jié)構(gòu)向前傾倒，傾倒過程中下部結(jié)構(gòu)觸地時發(fā)生剪切破壞，直至倒塌結(jié)束。

數(shù)值模擬倒塌過程和觀測點(diǎn)運(yùn)動軌跡與樓房實(shí)際倒塌過程和觀測點(diǎn)運(yùn)動軌跡十分接近，時程曲線中模擬位移與實(shí)際位移略有偏差的主要原因是進(jìn)行圖片處理時沒有消除攝影傾斜誤差，在高處觀測點(diǎn)產(chǎn)生位移偏差，并且模擬結(jié)果與實(shí)際倒塌在傾倒時間上相差0.3 s。

4.3 爆堆范圍分析

從現(xiàn)場爆堆情況來看，樓房在觸地時充分解體，并且基本沒有產(chǎn)生后座，很好地保護(hù)了后方僅隔5 m的建筑物。模擬結(jié)果的爆堆形狀與實(shí)際爆堆形狀非常相似，爆堆如圖9所示，實(shí)際爆堆與模擬爆堆尺寸對比如表3。

表3 實(shí)際效果與模擬效果對比Table 3 Comparison of actual effect and simulation effect

5 結(jié)論

通過對22層鋼筋混凝土框架樓房定向爆破拆除不同排間延期時間的數(shù)值模擬和現(xiàn)場的攝影觀測，對比分析倒塌過程、運(yùn)動軌跡、解體程度、爆堆范圍等，得出如下結(jié)論：

(1)采用ANSYS/LS-DYNA對排間延期時間分別為300 ms、500 ms和800 ms三種方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明采用300ms延期時間時爆破效果最好。

(2)通過攝影觀察，樓房采用定向傾倒的倒塌方式，倒塌過程主要分為爆破缺口形成、結(jié)構(gòu)繞鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動、下座、向前傾倒、觸地解體五個階段。

(3)利用影像設(shè)備，獲得了建筑物的運(yùn)動參數(shù)，并與模擬進(jìn)行對比，二者在倒塌姿態(tài)、觀測點(diǎn)運(yùn)動軌跡、解體情況、爆堆范圍十分接近，攝影分析可為爆破拆除數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性的驗(yàn)證提供新方法。