鋼筋混凝土構(gòu)件的大孔徑靜態(tài)破碎技術(shù)研究*

婁 榮，陳威文，周方均，邢黎明，商圣波，倪曉靜,3

(1.華匯工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司， 紹興 312000；2.華匯建設(shè)集團(tuán)有限公司， 嵊州 312400；3.浙江大學(xué)， 杭州 310027)

大面積開挖的深基坑施工過程中，一般需設(shè)置若干道鋼筋混凝土梁作為支撐。施工完畢后，支撐梁的拆除成為影響施工進(jìn)度的重要因素。目前常用的拆除方法有爆破拆除、機(jī)械拆除和人工拆除等，這些方法均會(huì)產(chǎn)生大量飛石、粉塵和噪音。除此之外，爆破拆除伴隨著巨大的沖擊力，并對(duì)周圍的建筑物以及管線設(shè)施產(chǎn)生不利影響；機(jī)械拆除一般采用鎬頭機(jī)，施工過程中不僅振動(dòng)和噪聲大，工期也較長(zhǎng)；而人工拆除法勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低。特別是在城市CBD區(qū)域，如何安全、快速、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保地拆除鋼筋混凝土支撐梁，是一個(gè)具有現(xiàn)實(shí)意義的課題。

靜態(tài)破碎技術(shù)又稱“無(wú)聲破碎技術(shù)”，其原理為利用靜態(tài)破碎劑水化反應(yīng)產(chǎn)生的體積膨脹，使被破碎體開裂、破碎[1,2]。目前該技術(shù)在礦山開采、水利工程等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[3]，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)拆除中應(yīng)用尚不多見。事實(shí)上對(duì)于鋼筋混凝土構(gòu)件的拆除，只需在預(yù)埋孔中灌注靜態(tài)破碎劑，1 h左右便可產(chǎn)生較大膨脹壓力，12 h內(nèi)完成破碎作業(yè)[1,2]，整個(gè)過程可視為準(zhǔn)靜態(tài)過程。與目前常用的拆除方法相比，靜態(tài)破碎技術(shù)可有效減少拆除過程中的振動(dòng)、粉塵以及噪聲，具有良好的社會(huì)效益。

1 鋼筋混凝土構(gòu)件的靜態(tài)破碎

如圖1所示，目前鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在靜態(tài)破碎時(shí)，一般是在構(gòu)件高度方向布置直徑不超過50 mm的預(yù)埋孔[4,5]，孔間距在150～300 mm之間，為達(dá)到破碎效果，需要先將箍筋切斷?；又瘟旱氖芰σ暂S向偏心受壓為主，密密麻麻的預(yù)埋孔引起的應(yīng)力集中對(duì)其承載力有較大的影響，也不便于灌注靜態(tài)破碎劑。

文獻(xiàn)[5]的研究表明，40 mm孔徑靜態(tài)破碎的最大膨脹壓力約為30 MPa，而100 mm孔徑的靜態(tài)破碎最大膨脹力可達(dá)200 MPa以上。此外，大孔徑靜態(tài)破碎發(fā)揮藥效所需時(shí)間也更短[4,5]。由于沖孔問題[4]，目前大孔徑靜態(tài)破碎在實(shí)際工程中的應(yīng)用尚不多見。國(guó)內(nèi)有學(xué)者提出了堵孔器來解決沖孔問題[4]，然而構(gòu)造較為復(fù)雜，不便于在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用。針對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件的拆除，提出一種沿著構(gòu)件軸線布置大直徑預(yù)埋孔進(jìn)行靜態(tài)破碎的方案，其主要優(yōu)點(diǎn)在于：1)采用了對(duì)支撐梁承載力影響較小的預(yù)埋孔布置方式；2)大直徑預(yù)埋孔兩端均采用軟管與注漿口和排氣口相連，通過軟管的彎折防止靜態(tài)破碎劑沖孔；3)在構(gòu)件破碎拆除時(shí)，采用灌漿機(jī)集中灌注靜態(tài)破碎劑漿液，施工快速便捷。在此基礎(chǔ)上，通過擴(kuò)展有限元方法研究了該靜態(tài)破碎方案的裂縫擴(kuò)展過程，進(jìn)而采用足尺模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 基于擴(kuò)展有限元法的裂縫擴(kuò)展研究

2.1 擴(kuò)展有限元法

擴(kuò)展有限元方法由美國(guó)西北大學(xué)的Belytschko和Black于1999年提出。其基本原理為：?jiǎn)卧獌?nèi)部的不連續(xù)面采用法向水平集φ(X)和切向水平集ψ(X)描述，獨(dú)立于計(jì)算網(wǎng)格，從而避免了網(wǎng)格的頻繁重剖分[6]。在常規(guī)有限元法基礎(chǔ)之上，其位移模式增加了反映內(nèi)部裂縫面的加強(qiáng)函數(shù)[6,7]，如式(1)～(4)所示

(1)

(2)

[Fα(x),α=1,…,4]=

(3)

(4)

2.2 算例研究

某鋼筋混凝土支撐梁長(zhǎng)度為6 m，截面如圖2所示。配置的鋼筋為：直徑8 mm間距為100 mm的四肢箍；上下各4C20縱向受力鋼筋；左右各配置2C18腰筋。所有鋼筋均采用HRB400，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。預(yù)埋孔沿著支撐梁的軸向布置，直徑為90 mm。

分析時(shí)采用了Abaqus軟件的擴(kuò)展有限元模塊[7]。支撐梁的長(zhǎng)度超過截面尺寸的十倍，中部截面近似處于平面應(yīng)變受力狀態(tài)，因而將模型簡(jiǎn)化為軸向長(zhǎng)度為300 mm，內(nèi)含兩道箍筋的三維模型?；炷恋臉O限拉應(yīng)變?chǔ)舤u≈1.0×10-4，而靜態(tài)破碎劑的體積膨脹可達(dá)固相體積的3倍以上[1]。因此裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段的體積變形對(duì)靜態(tài)破碎劑膨脹壓力的影響較小，分析時(shí)靜態(tài)破碎劑的膨脹力通過在預(yù)埋孔壁施加壓力來模擬。

模型中混凝土部分采用C3D8R單元，采用指數(shù)法則計(jì)算等效應(yīng)變能釋放率[8-11]，且指數(shù)均取1.0；抗壓和抗拉強(qiáng)度分別取20.1 MPa和2.01 MPa；彈性模量為Ec=29.5 GPa，泊松比取0.2，混凝土的臨界應(yīng)變能釋放率取120 N/m。鋼筋部分采用理想彈塑性本構(gòu)模型，屈服強(qiáng)度取360 MPa，泊松比取為0.3，彈性模量Es=200 GPa。鋼筋與混凝土之間粘結(jié)采用嵌入約束關(guān)系模擬，模型兩端均施加軸線方向的位移約束。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，靜態(tài)破碎過程可分為三個(gè)階段：

1)第一階段為彈性變形階段，在膨脹壓力不大于2.04 MPa時(shí)，支撐梁處于彈性受力狀態(tài)。截面各方向的剛度不同，其中對(duì)角線方向的剛度最大，各邊中部方向剛度最小，因而對(duì)角線方向變形最小，各邊中部變形最大，截面內(nèi)的變形模式如圖3所示。在此位移模式下，最大主拉應(yīng)力垂直于4條對(duì)角線。當(dāng)膨脹壓力P=2.04 MPa時(shí)，預(yù)埋孔附近混凝土的最大主拉應(yīng)力達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度，初始裂縫產(chǎn)生。

2)第二階段為裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段，裂縫擴(kuò)展過程中的應(yīng)變能釋放率如圖4所示。應(yīng)變能釋放率是判斷裂縫擴(kuò)展的宏觀指標(biāo)，根據(jù)受力和開裂模式的不同，應(yīng)變能釋放率可分為Ⅰ型(張開型)、Ⅱ型(滑移型)、和Ⅲ型(撕裂型)三種基本類型[6]。其中，Ⅰ型應(yīng)變能釋放率對(duì)應(yīng)于拉應(yīng)力作用下裂縫面的垂直分離模式。分析結(jié)果顯示，裂縫擴(kuò)展過程中，Ⅱ型和Ⅲ型應(yīng)變能釋放率計(jì)算結(jié)果可忽略不計(jì)，這表明拉應(yīng)力為裂縫擴(kuò)展的主導(dǎo)因素。

隨著膨脹壓力的增大，應(yīng)變能釋放率開始增大，裂縫逐步由截面內(nèi)部向外擴(kuò)展。當(dāng)膨脹壓力P=19.4 MPa時(shí)，應(yīng)變能釋放率開始急劇增大，裂縫快速擴(kuò)展，這就是穩(wěn)定擴(kuò)展與失穩(wěn)擴(kuò)展之間的臨界點(diǎn)；

3)第三階段為裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展，此階段膨脹壓力的微小增大即可引起裂縫快速擴(kuò)展，最終裂縫在對(duì)角線方向貫通，如圖5所示。分析結(jié)果表明，當(dāng)膨脹壓力達(dá)到19.4 MPa時(shí)，裂縫擴(kuò)展到鋼筋混凝土梁的表面，而現(xiàn)有的靜態(tài)破碎劑產(chǎn)品在12 h內(nèi)可達(dá)到30 MPa以上的膨脹壓力[4,5]，這表明該靜態(tài)破碎方案是可行的。在裂縫擴(kuò)展過程中，縱向鋼筋一直處于低應(yīng)力水平，表明其影響可忽略；而箍筋的應(yīng)力在裂縫擴(kuò)展過程中不斷增加。

3 模型試驗(yàn)研究

試驗(yàn)件的截面、配筋與材料等信息與前述數(shù)值分析模型相同。詳細(xì)構(gòu)造如圖6所示，長(zhǎng)度為1.8 m，沿著試驗(yàn)件的軸線布置預(yù)埋孔，兩端分別設(shè)置注漿口和排氣口。

預(yù)埋管件的組裝如圖7所示。中部管件采用PE管，直徑為90 mm。兩端均采用PVC材質(zhì)的偏心異徑接頭，其中在注漿口一端的小頭偏向預(yù)埋管的底部，而排氣口一端的小頭偏向直預(yù)埋管的頂部，以保證靜態(tài)破碎劑漿液灌注飽滿。兩端偏心異徑接頭均采用直徑為30 mm的金屬壓力軟管與注漿口和排氣口連接。

防沖孔構(gòu)造如圖8所示，通過金屬壓力軟管的彎折減小注漿口和排氣口的壓力。破碎劑漿液采用灌漿機(jī)灌注，為便于與灌漿機(jī)的出料口連接，在金屬壓力軟管口部與直徑為50 mm的鋼管相連接。試驗(yàn)表明，彎折一次即可有效防止沖孔，且不影響灌注靜態(tài)破碎劑漿液。上述所有配件均選用國(guó)標(biāo)規(guī)格，所有預(yù)埋管件均固定在箍筋上。

靜態(tài)破碎劑漿液按照3∶10水灰比配置，如圖9所示為灌漿完成1 h后的裂縫擴(kuò)展結(jié)果?？梢?，裂縫已經(jīng)擴(kuò)展到試驗(yàn)件表面，主要裂縫均出現(xiàn)在試驗(yàn)件的角部，與前述數(shù)值模擬結(jié)果相符。

4 結(jié)論

1)針對(duì)鋼筋混凝土臨時(shí)構(gòu)件的拆除，提出了一種沿著構(gòu)件軸向布置大直徑預(yù)埋孔進(jìn)行靜態(tài)破碎的方法，數(shù)值計(jì)算與足尺模型試驗(yàn)均表明該方案的可行性。

2)數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)均表明，該靜態(tài)破碎方案中裂縫沿著截面對(duì)角線方向擴(kuò)展，拉應(yīng)力為裂縫擴(kuò)展的主導(dǎo)因素。

3)足尺試驗(yàn)研究表明，通過金屬壓力軟管的彎折可有效防止大孔徑靜態(tài)破碎發(fā)生沖孔。