建筑物爆破拆除定向切口參量數(shù)值模擬研究

摘 要： 針對(duì)酒店的爆破拆除進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)6個(gè)切口高度條件下主樓的爆破拆除過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。通過單根立柱的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)分離式共節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行研究，找出分離式共節(jié)點(diǎn)模型中鋼筋大量斷裂的源頭為鋼筋的失效應(yīng)變自動(dòng)降低。同時(shí)，基于重心失穩(wěn)理論和經(jīng)驗(yàn)公式理論，選取了6個(gè)切口高度進(jìn)行定向傾倒研究。數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析顯示最佳切口高度為重心高度的一半，此時(shí)整個(gè)大樓的拆除可以獲得最大的動(dòng)能利用率。

關(guān)鍵詞： 爆破拆除； 定向傾倒； 切口參量； 數(shù)值模擬； 分離式共節(jié)點(diǎn)模型

中圖分類號(hào)： TN011?34； TM417 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）17?0156?05

Study on numerical simulation of directional incision parameter

for building blasting demolition

LIU Yi， YI Shulin

（Nanyang Normal University， Nanyang 473061， China）

Abstract： The numerical simulation of hotel blasting demolition was conducted， and the numerical calculation for the blasting demolition process of the main building was performed in the condition of six incisions height. The separated common node model is studied by means of the numerical simulation experiment of single upright， in which the reason of massive rebar fracturing is caused by automatic decrease of rebar strain failure. On the basis of the gravity center instability theory and empirical formula theory， the six?incision height is selected to research the directional collapse. The numerical calculation results show that the height of best incision is half of the gravity center height， at this moment， the building demolition can obtain the maximum kinetic energy utilization.

Keywords： blasting demolition； directional collapse； incision parameter； numerical simulation； separated common node model

隨著我國(guó)城市建設(shè)和改造進(jìn)入了大規(guī)模發(fā)展階段，需要拆除的建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)量越來越多，拆除規(guī)模和難度越來越大，安全環(huán)保方面要求越來越高，對(duì)爆破拆除的設(shè)計(jì)水平提出了更高的要求。然而現(xiàn)在爆破拆除設(shè)計(jì)的參數(shù)主要通過經(jīng)驗(yàn)公式確定，這些經(jīng)驗(yàn)公式來自以往對(duì)爆破試驗(yàn)和實(shí)踐的總結(jié)，參數(shù)選取范圍過于寬泛，往往需要具有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的專家才能得出正確選擇。對(duì)于各種建筑結(jié)構(gòu)和復(fù)雜多變的周圍環(huán)境，爆破專家要對(duì)拆除爆破方案和具體參數(shù)做出準(zhǔn)確的判斷有一定的難度，設(shè)計(jì)不當(dāng)是引起拆除爆破失敗或不理想情況發(fā)生的原因之一。

1 數(shù)值模擬方法及技術(shù)

1.1 模擬方法的選擇

目前，有限元對(duì)框架樓房的爆破拆除過程進(jìn)行模擬所采用的計(jì)算模型主要可以分為三類：分離式模型、整體式模型和組合式模型。

分離式模型即分別考慮鋼筋和混凝土單元的貢獻(xiàn)，可以充分體現(xiàn)兩種材料的力學(xué)性能差異。聯(lián)接單元是用來模擬鋼筋和混凝土之間黏結(jié)滑移以及裂縫兩側(cè)骨料的咬合作用。按單元之間有無聯(lián)接單元以及聯(lián)接單元類型的不同，可以將分離式模型分為雙彈簧聯(lián)接單元、四邊形聯(lián)接單元和共節(jié)點(diǎn)分離式模型。

組合式模型假定鋼筋和混凝土兩者之間的相互黏結(jié)很好，沒有相對(duì)滑移，于是，在單元分析時(shí)，可分別求得混凝土和鋼筋對(duì)單元?jiǎng)偠染仃嚨呢暙I(xiàn)，組合一個(gè)復(fù)合的單元?jiǎng)偠染仃?，最常用的組合式模型有兩種，一是分層組合單元，二是復(fù)合單元。分層組合單元是指在橫截面上將混凝土和鋼筋分成若干層次，然后對(duì)截面的應(yīng)變做出某些假定，再根據(jù)材料的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系和平衡條件導(dǎo)出單元的剛度表達(dá)式。這種分層組合式單元在鋼筋混凝土桿式結(jié)構(gòu)和板殼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用很廣。鋼筋和混凝土復(fù)合單元是在建立單元?jiǎng)偠染仃嚂r(shí)不但要考慮混凝土材料的作用，而且要考慮鋼筋的剛度貢獻(xiàn)。常用的鋼筋和混凝土復(fù)合單元有帶鋼筋的四邊形單元、帶鋼筋膜的八節(jié)點(diǎn)六面體單元。這一模型包括兩種材料對(duì)單元?jiǎng)偠染仃嚨呢暙I(xiàn)，但它不再分別計(jì)算，而是將鋼筋化為等效的混凝土，然后按照一種材料計(jì)算單元?jiǎng)偠染仃?，即?/p>

[Ke=BT（DC+DS）BdV] （1）

然后集成為總體剛度矩陣，運(yùn)用下式：

[K=VB+DBdV] （2）

將其中彈性矩陣改為由兩部分組合，具體表達(dá)式為：

[D=DC+DSK=BTDBdV] （3）

式中：[DC，DS]分別為混凝土和鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變矩陣，這一模型的優(yōu)點(diǎn)是單元?jiǎng)澐州^少，計(jì)算量小。當(dāng)分析區(qū)域較大，受計(jì)算機(jī)軟件和硬件的限制，無法將鋼筋和混凝土分別劃分單元，同時(shí)人們所關(guān)心的結(jié)果是結(jié)構(gòu)在外荷載作用下的宏觀反應(yīng)（如結(jié)構(gòu)的總體位移和應(yīng)力分布情況等），此時(shí)采用整體式模型比較合適。

在整體式模型中，將鋼筋彌散于整個(gè)單元中，并把單元視為連續(xù)均勻的材料。鋼筋對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)，可以通過調(diào)整單元的材料力學(xué)性能參數(shù)來體現(xiàn)，例如提高材料的屈服強(qiáng)度、材料的彈性模量等。在爆破拆除建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬中，兼顧模型的真實(shí)性和建模的方便性，文中數(shù)值模擬中采用分離式鋼筋混凝土模型，鋼筋和混凝土之間共節(jié)點(diǎn)，不考慮它們之間的滑動(dòng)，并對(duì)結(jié)構(gòu)中鋼筋的分布位置及數(shù)量進(jìn)行了簡(jiǎn)化。

1.2 單元和材料模型的選擇

鋼筋混凝土材料具有非常復(fù)雜的性質(zhì)：在多軸應(yīng)力狀態(tài)下的非線性應(yīng)力?應(yīng)變特性；應(yīng)變軟化和各向異性彈性劣化；由拉伸應(yīng)力或應(yīng)變引發(fā)的逐步開裂；鋼筋和混凝土的粘結(jié)滑動(dòng)、骨料的連鎖作用、鋼筋的榫合作用；有如徐變、收縮等與時(shí)間相關(guān)的特性。

為了更好地模擬框架樓房倒塌過程中拆除主體的變形、破碎、拋擲等，樓房主體使用三維實(shí)體單元solid164模擬，其具有以下特性：該三維實(shí)體單元具有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有9個(gè)自由度，即UX，UY，UZ，VX，VY，VZ，AX，AY，AZ。在默認(rèn)情況下，采用單點(diǎn)積分算法，也可在單元屬性設(shè)置對(duì)話框里設(shè)置為全積分單元。 該單元可采用Lagrange列式，也可采用ALE列式。支持大部分的LS?DYNA材料算法。混凝土的材料模型采用雙線性隨動(dòng)模型，該模型參數(shù)簡(jiǎn)單，可以定義極限屈服應(yīng)力，還可以定義失效應(yīng)變?？蚣軜欠康谋撇鸪饕谜ㄋ幍谋_擊波對(duì)承重結(jié)構(gòu)造成破壞，使得建筑物失穩(wěn)，靠建筑物的重力傾倒、坍塌、解體、破壞。整個(gè)過程混凝土結(jié)構(gòu)的破壞主要是壓應(yīng)力失效，用雙線性隨動(dòng)模型可以很好地表現(xiàn)混凝土的這一特征，另外，模型中定義失效應(yīng)變參數(shù)實(shí)現(xiàn)混凝土的受拉破壞，很多數(shù)值模擬案例證實(shí)了這一材料模型的有效性和適用性。鋼筋在整個(gè)過程中主要承受拉應(yīng)力，故而該模型也可以作為鋼筋的材料模型。

2 分離式共節(jié)點(diǎn)模型的研究

2.1 分離式共節(jié)點(diǎn)模型

分離式共節(jié)點(diǎn)模型是本課題組在分析建筑結(jié)構(gòu)爆破拆除過程中一直推崇和使用的模型，大量數(shù)據(jù)分析顯示該模型有一定的先進(jìn)性和適用性。在使用分離式共節(jié)點(diǎn)模型對(duì)建筑物爆破拆除進(jìn)行模擬的過程中，經(jīng)常出現(xiàn)如圖1所示的鋼筋大量脫離混凝土單元斷裂為小段的現(xiàn)象。對(duì)于出現(xiàn)鋼筋大量脫離混凝土單元斷裂現(xiàn)象的模型稱為問題模型，對(duì)于這種現(xiàn)象不是很嚴(yán)重的模型稱為正常模型。

圖2對(duì)比問題模型和正常模型，發(fā)現(xiàn)問題模型多數(shù)是對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行切割，然后將所有的切割線都賦予了鋼筋屬性，鋼筋密度相對(duì)于正常模型較大，使得這種現(xiàn)象更加的嚴(yán)重，而在正常模型中，也有這種現(xiàn)象出現(xiàn)。由此推斷應(yīng)該是分離式共節(jié)點(diǎn)模型本身的問題，為了能夠找出問題的源頭，建立小模型對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行研究，并對(duì)大模型做了材料參數(shù)的修正對(duì)比試驗(yàn)。

2.2 分離式共節(jié)點(diǎn)模型的具體問題

模擬對(duì)象為撫順大樓中的一根支撐力柱，具體結(jié)構(gòu)尺寸如下：長(zhǎng)0.9 m，寬0.9 m，高4.9 m。柱子橫截面的每條邊有7根，按[4Φ40，3Φ32]布置。經(jīng)過計(jì)算，等效為每條邊4根鋼筋，柱子內(nèi)部4根，半徑均為24 mm。為了達(dá)到類似于樓房倒塌過程中柱子的受力狀態(tài)，在柱子頂部施加縱向均布?jí)毫?，即[FY=]-40 MPa，水平拉力即[FX=]1 kPa。通過*MAT_ADD_EROSION關(guān)鍵字設(shè)置柱子材料失效高度為3 m。整個(gè)模型采用*ERODING_SINGLE_SURFACE和*NODES_TO_SURFACE兩種接觸。對(duì)鋼筋和柱子的底端分別采用節(jié)點(diǎn)約束和面約束，分別約束6個(gè)自由度，這樣可以防止鋼筋穿透地面。對(duì)地面采用面約束，約束6個(gè)自由度。柱子在運(yùn)動(dòng)到[T=]5.9 s時(shí)，鋼筋出現(xiàn)明顯的斷裂，圖3為鋼筋放大圖。

3.1 選取切口高度

已知撫順大酒店總高度[H0=66] m，寬[L=21 ]m。假設(shè)建筑物的重心與其形心重合，那么有[H=33 ]m，根據(jù)重心失穩(wěn)理論模型公式，有：[3321-221332≤h≤3321+221332] （4）

綜合考慮重心失穩(wěn)公式取值范圍和經(jīng)驗(yàn)公式典型切口角度，選取的切口高度如表1所示。

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

不同切口條件下，爆堆形狀基本相同，切口高度為14.5 m時(shí)，倒塌過程壓碎了六層樓房，切口高度為23.1 m時(shí)，壓碎了五層，切口高度為19.3 m時(shí)，壓碎了四層，切口高度為9.3 m和12.1 m時(shí)，壓碎了三層。切口高度為5.6 m時(shí)，樓房下座壓碎了三層，然后靜止不動(dòng)了，拆除失敗。表2列出了各種切口條件下的爆堆參數(shù)、倒塌時(shí)間以及壓碎高度，各切口高度條件下動(dòng)能隨時(shí)間變化圖如圖4所示。

從表2中可以看出：

（1） 切口高度為16 m時(shí)，爆堆范圍最小，壓碎的高度也最高，表明在重心失穩(wěn)理論模型中取重心高度的一半時(shí)有最佳爆破拆除效果；

（2） 切口高度為19.3 m和23.1 m時(shí)，相較于16 m時(shí)爆堆范圍較大、壓碎高度較低，表明增加切口高度并不能獲得更好的爆破拆除效果；

（3） 切口高度為9.3 m和12.1 m時(shí)，相較于16 m，19.3 m和23.1 m壓碎高度較低，表明切口高度不足時(shí)，不能夠充分利用重力作用，使建筑物充分的沖擊破碎；

（4） 切口高度為5.6 m時(shí)，樓房只是下座壓碎了三層，未發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)塌落，表明切口高度嚴(yán)重不足，不能夠提供滿足建筑物沖擊破碎的沖擊能量需求，造成倒塌失敗。

圖4 各切口高度條件下動(dòng)能隨時(shí)間變化圖

從圖4可以看出，當(dāng)切口高度為16 m時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)在切口形成之后獲得的動(dòng)能是最大的，這有利于建筑物上部結(jié)構(gòu)的沖擊破碎；圖中除切口高度為5.6 m時(shí)，動(dòng)能曲線有一個(gè)波峰，其他切口高度下均有兩個(gè)波峰，從第二波峰可以看出，切口高度為16 m時(shí)的動(dòng)能衰減是最為迅速的，由此可以說明切口高度為16 m時(shí)的壓碎效率是最高的；從能量利用率來講，切口高度為12.1 m時(shí)的能量利用率為第二。由此可以看出選取切口高度時(shí)應(yīng)盡可能靠近中間值。

針對(duì)撫順大酒店爆破拆除過程中的主樓，進(jìn)行了6種爆破切口高度的數(shù)值模擬研究，數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示：

（1） 切口高度[h

（2） 從爆堆范圍及破碎情況來說，切口高度為16 m時(shí)，倒塌效果最佳，爆堆范圍較小，壓碎了六層；

（3） 從拆除過程中的前沖后座來說，切口高度為16 m，[h=][Hmin，]切口角為34°時(shí)，無前沖距離，后座只有1.5 m，切口高度為9.3 m時(shí)，無前沖距離，后座只有1.4 m；

（4） 從后排支撐強(qiáng)度分析情況來說，切口高度[h≥Hmin，]切口角大于24°時(shí)，后排支撐強(qiáng)度均滿足整個(gè)結(jié)構(gòu)繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的要求，切口形成后，均能夠繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)；

（5） 從塌落動(dòng)能分析結(jié)果來說，切口高度為16 m，[h=Hmin，]切口角為34°時(shí)，動(dòng)能利用率最高。

綜合考慮以上幾點(diǎn)，對(duì)于高寬比較大的建筑物拆除有以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1） 在選取切口高度時(shí)，盡可能靠近重心[12]的高度，可以獲得最大的動(dòng)能利用率；

（2） 切口內(nèi)部剪力墻以及附屬建筑物盡可能通過預(yù)處理拆除干凈；

（3） 經(jīng)驗(yàn)公式中切口角度的最佳取值范圍為24°～34°；

（4） 重心失穩(wěn)理論中切口高度的最佳取值范圍為[38～12]重心高度；

（5） 對(duì)后排支撐進(jìn)行強(qiáng)度校核，在切口形成過程中，必須滿足整個(gè)結(jié)構(gòu)繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的要求，否則容易發(fā)生壓塌，而不發(fā)生傾倒，拆除失敗。

4 數(shù)值試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 模型選擇

由于爆破拆除失敗案例的結(jié)構(gòu)資料很難搜集，因此，這一分析基于一個(gè)類似于“樓堅(jiān)強(qiáng)”的九層框剪樓房，如圖5所示。樓房長(zhǎng)31.8 m，寬13.5 m，高31.6 m，柱子為0.6 m×0.6 m，梁為0.5 m×0.3 m，板厚為0.15 m，剪力墻為0.3 m。模型的材料參數(shù)如表3所示。

4.2 數(shù)值試驗(yàn)方案

“樓堅(jiān)強(qiáng)”在進(jìn)行爆破拆除過程中，實(shí)行爆破的只有兩層樓房，故而實(shí)驗(yàn)也拆除兩層，切口的角度為24°。在廣西撫州的“樓堅(jiān)強(qiáng)”案例中，有兩種猜測(cè)：建筑物中的電梯井未處理導(dǎo)致拆除失?。徊鸪緦?duì)該樓的實(shí)際強(qiáng)度估計(jì)錯(cuò)誤，炸藥量的使用不足。根據(jù)作者掌握的樓房拆除理論及拆除數(shù)據(jù)，分析該樓拆除過程中的資料，認(rèn)為該樓拆除失敗的原因有三個(gè)方面：樓房切口高度不足；樓房中剪力墻未做預(yù)處理；后支撐強(qiáng)度不足。

為了考證這個(gè)推斷，數(shù)值模擬試驗(yàn)主要對(duì)表4所示的8種情況進(jìn)行數(shù)值分析。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖6展示了6種方案條件下的傾倒對(duì)比圖，其拆除方案中只處理了一二層，且爆破切口也設(shè)為兩層，數(shù)值模擬方案A，B和C分別針對(duì)“樓堅(jiān)強(qiáng)”的拆除方案進(jìn)行計(jì)算，均未傾倒，且傾斜角度和實(shí)際狀況類似。D方案在B方案的基礎(chǔ)上對(duì)切口上部剪力墻進(jìn)行了處理，在一定程度上降低了建筑結(jié)構(gòu)的剛度，壓壞了四層，未傾倒。建筑結(jié)構(gòu)的后支撐強(qiáng)度不夠，在樓房拆除過程中必須校核后支撐立柱強(qiáng)度。E方案增加了延時(shí)，拆了切口上部一層剪力墻，并將四層靠近第一排立柱的剪力墻拆除。延時(shí)可以減緩后支撐立柱的破壞，壓壞了三層，傾倒失敗。F方案中增加了延時(shí)，相較于E方案，切口高度增加了一層，而對(duì)切口的預(yù)處理中只是拆除了切口附近的剪力墻，成功傾倒。

由此可以得到如下結(jié)論：“樓堅(jiān)強(qiáng)”拆除失敗主要是由于切口高度不夠，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)無法獲得足夠的塌落動(dòng)能。另外，在拆除之前也未對(duì)建筑結(jié)構(gòu)中的剪力墻采取任何措施。通過數(shù)值試驗(yàn)，對(duì)于拆除高寬比較小的建筑結(jié)構(gòu)給出以下建議：切口傾斜角取值應(yīng)在30°～34°；切口內(nèi)傾倒方向上的剪力墻需拆除；拆除切口上方的剪力墻，降低建筑結(jié)構(gòu)的剛度；校核后支撐強(qiáng)度，使其滿足整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

5 結(jié) 論

利用有限元ansys/ls?dyna對(duì)建筑結(jié)構(gòu)爆破拆除的定向倒塌進(jìn)行模擬。首先，對(duì)分離式共節(jié)點(diǎn)模型使用過程中出現(xiàn)大量鋼筋斷裂的現(xiàn)象進(jìn)行分析；然后，建立單根立柱的分離式共節(jié)點(diǎn)模型，查看數(shù)值模擬結(jié)果，分析鋼筋在整個(gè)過程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線，找出問題的根源。進(jìn)一步，基于分離式共節(jié)點(diǎn)模型理論，給出數(shù)值計(jì)算過程中的材料參數(shù)、幾何參數(shù)以及建模網(wǎng)格參數(shù)等，對(duì)酒店的爆破拆除過程進(jìn)行數(shù)值分析，給出較合理的倒塌過程，對(duì)后支撐立柱的受力進(jìn)行分析，對(duì)爆堆范圍及高度進(jìn)行分析，并與實(shí)際情況對(duì)比。

通過單根柱子的數(shù)值模擬研究，對(duì)分離式共節(jié)點(diǎn)模型存在的問題進(jìn)行了初步分析，在大量數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，找出了鋼筋失效應(yīng)變的修正系數(shù)范圍，針對(duì)這種現(xiàn)象提出了三種可能，在接下來的研究中從數(shù)值計(jì)算的角度找出真正的原因，并解決這一問題。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊軍，楊國(guó)梁，張光雄.建筑結(jié)構(gòu)爆破拆除數(shù)值模擬[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

[2] 劉龍泉.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)爆破拆除的分離式模擬研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2012.

[3] 王磊.分離式共節(jié)點(diǎn)鋼筋混凝土有限元模型研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2008.

[4] 范磊，沈蔚，李裕春，等.復(fù)雜環(huán)境下兩棟框架大樓定向爆破拆除[J].工程爆破，2008，14（1）： 60?62.

[5] 曹堃銳，陳硯圃，羅林.有效值高精度測(cè)量量化誤差估計(jì)與數(shù)值模擬[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（1）：141?144.

[6] 王旭光.中國(guó)典型爆破工程與技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

[7] 易克，吳克剛，姜洲.16層Y字形全框剪結(jié)構(gòu)樓爆破拆除[J].工程爆破，2009，15（1）：56?59.

[8] 劉東.框架樓房拆除爆破數(shù)值模擬與優(yōu)化分析[D].西安：西安科技大學(xué)，2006.