延期時差對多截面承重立柱框架結(jié)構(gòu)拆除爆破效果的影響?

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，爆破區(qū)段延期時間不同，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)行不同延期時間的爆破切口的數(shù)值模擬，并提出了延期時間的確定原則；田水龍等[5]研究了不同毫秒延時對后坐的影響；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，延期時間分別為 50、460 ms 和 880 ms。

3 不同延期時差下的數(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，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，取靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)為0.6。

3.3 不同延期時差設(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差相同。 通過ANSYS/LS-DYNA 進(jìn)行模擬，分析不同延期時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，只改變延期時差，通過數(shù)值模擬得到各個延期方案的爆破效果。 不同時差時的最終倒塌效果見圖5。 利用LS-DYNA 的后處理模塊對圖5 中不同延期時差時的倒塌形態(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 不同延期時差時的爆堆高度Fig.6 Blasting height with different delay time difference

圖7 不同延期時差下的后坐距離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，延期時差為100 ms 時，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差100 ms 時陡升。 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)延期時差較小時，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。 樓體在爆破時會產(chǎn)生下坐和沿設(shè)計(jì)方向的傾倒[12]。 延期時差較小，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，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。 隨著延期時差的增大，各排立柱相繼形成塑性鉸，并且在延期時差為400 ms 時塑性鉸充分轉(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，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，爆堆高度和后坐距離隨著延期時差的增大先減小、后增加，最后趨于穩(wěn)定。 最佳延期時差則根據(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，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，數(shù)值模擬得到的最佳延期時差為500 ms；當(dāng)后坐距離最小時，數(shù)值模擬得到的最佳延期時差為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。