框架剪力墻結構的定向爆破倒塌過程＊

言志信，劉培林，葉振輝

（1.蘭州大學西部災害與環(huán)境力學教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州大學土木工程與力學學院，甘肅 蘭州 730000）

隨著城市化進程的加快，在城市現代化改造工程中爆破拆除起著越來越重要的作用，城市復雜的建筑環(huán)境對爆破拆除提出了更高的要求。以往主要通過經驗進行建筑物爆破拆除設計的方法已經不能滿足工程實踐快速發(fā)展的要求，因此針對建筑物爆破拆除的研究更加迫切。

孫金山［1］探討了高聳筒形建筑物的折疊爆破拆除過程，指出上下切口起爆時差是直接關系到整個方案成敗的關鍵參數；楊國梁等［2］利用分離式模型模擬高層框筒結構建筑物的折疊爆破拆除，研究了不同切口高度和延遲時間對倒塌范圍和爆堆高度的影響；崔正榮等［3］利用有限元程序對剪力墻結構原地坍塌爆破拆除過程進行模擬，指出模擬的結果與實際情況比較接近；葉振輝等［4］運用力學原理建立磚煙囪倒塌的模型，結合數值模擬進行研究，并與實際倒塌過程相對比，指出煙囪倒塌過程中的折斷多發(fā)生在在距離地面1／3處和約1／2處。

建筑物爆破拆除工程自身的特性決定對每一次爆破過程進行實際實驗是不可能的，而數值模擬為這一問題的解決提供了可能。本文中，以某實際工程為例，進行數值模擬，將模擬結果與工程實際進行對比，然后分析切口位置對倒塌范圍的影響。

1 工程實例

1.1 工程概況

待拆除大樓為框架剪力墻結構［5］；自然地平以上16層，高約48m；主樓東西長32m，南北寬27m；柱尺寸為0.7m×0.7m。平面圖如圖1所示。

根據場地條件，為保證附近人員、建筑物及市政設施的安全，預定倒塌范圍及實際倒塌范圍如圖2所示［5］。

1.2 爆破方案

圖1 結構平面圖Fig.1Structural plane diagram

采用定向傾倒爆破的方案，工程實例中切口位于第4～8層，切口示意圖如圖3所示［5］。

圖2 倒塌范圍示意圖Fig.2Schematic drawing of collapse range

圖3 切口示意圖Fig.3Schematic drawing of blasting cut

2 有限元模型

2.1 材料的本構關系

模型中材料采用隨動塑性材料模型［6］，它與應變率相關，可以考慮失效，可以通過設置不同的參數，較好地模擬鋼筋及混凝土各自的材料特性。

2.2 建模方案

利用ANSYS／LS－DYNA有限元軟件，采用2種不同的建模方式，并考慮不同位置的切口，建立5個模型，模型方案如下：

方案1：用桿系有限元模型建立三維結構模型，其中梁柱用梁單元（beam 161）建模，剪力墻及樓板采用殼單元（shell 163），切口位置及形狀與上述工程實例一致。利用等效原理［7］，把鋼筋的材料性能分散到混凝土當中，將兩者看作一種材料分析。

方案2：采用共用節(jié)點的方法建立鋼筋混凝土分離式模型［8］。其中，鋼筋采用梁單元（beam 161）建模，樓板采用殼單元（shell 163），梁、柱及剪力墻的混凝土用實體單元（solid 164）；模型采用自動單面接觸；切口位置及形狀與上文中工程實例一致。

方案3：建模方法與方案2相同，切口位置設置于結構第3～6層。

方案4：建模方法與方案2相同，切口位置設置于結構第2～5層。

方案5：建模方法與方案2相同，切口位置設置于結構第1～4層。

方案2～5中切口形狀均與實例相同，模型作了如下簡化：（1）梁、柱中只設置了縱向鋼筋，箍筋的作用通過調整混凝土單元的參數達到等效的目的；減少剪力墻鋼筋數量，通過調整鋼筋截面積達到等效的目的；電梯井采用板殼單元模擬；（2）忽略爆炸過程，不考慮爆炸的影響直接形成爆破切口。

3 模擬結果的比較與分析

3.1 倒塌過程分析

倒塌過程的模擬如圖4所示。切口形成后，結構在重力作用下開始偏轉，首先壓壞倒塌方向上保留的剪力墻，結構開始后座，然后在最后一排柱形成活動鉸，結構翻轉倒塌。5個方案中，倒塌時間均在6.5s左右。

方案1～2的模擬效果表明：倒塌過程大致相同，方案1中模型由于單元簡單，網格較大，在觸地后幾乎沒有飛散物；方案2的模擬過程中則有明顯碎塊飛出，結構觸地后，可以看見混凝土剝離鋼筋表面的現象，這與實際是相符的。因此，模擬效果表明分離式模型比整體式模型更貼近實際。

方案2、3、4、5切口的位置依次降低，通過對比發(fā)現，結構的破碎程度從方案2至方案5依次增大，這是由于倒塌結構的勢能依次增大。

圖4 倒塌過程模擬結果Fig.4Simulation results of collapse process

3.2 倒塌范圍的比較

在模擬倒塌完成后，分別選取前、后堆積物外沿的單元輸出其水平位移曲線，如圖5所示。

如圖1～2所示，本文中后座距離為結構從軸線A往南的位移；倒塌方向上的前沖距離為結構從軸線F往北的位移（以下簡稱前沖距離）。根據以上單元在結構上的位置，結合單元位移曲線圖（見圖5）。分別計算得出5個方案中結構各自的后座位移及前沖距離，方案1～5的后座距離分別為1.92、4.01、5.72、6.01、3.94m，前沖距離分別為38.01、42.53、47.57、51.79、55.84m。

如圖2所示，工程實例中的前沖位移為41.5m。通過工程實例的比較，方案1模擬的誤差為8.4%，方案2模擬的誤差為2.5%。表明數值模擬能較好地與實際相吻合，并且分離式模型更貼近實際。另外，裝藥爆破前第2跨東側部分的電梯井剪力墻的預處理未進行完畢，留有少量剪力墻體，而西側剪力墻處理充分，所以導致了整座樓房偏西倒塌的現象［5］。

由計算得到的方案1～5的后座距離和前沖距離可知：第1，結構的后座位移隨切口位置的下移有增大的趨勢，這是由于切口下移使得勢能增加，方案5后座位移反而減小是由于切口位于底層，其下方有地面的約束；第2，前沖距離會隨切口位置的下移而增加，且大致呈線性變化，主要是由于切口位置下移使得轉動鉸位置下移，從而上部結構繞該鉸轉動的高度增加。

圖5 單元位移曲線圖Fig.5Element displacement graphs

3.3 鋼筋和混凝土單元應力分析

在方案2模型中，在最后一排柱的第4層處取一鋼筋單元，并在相應位置取一混凝土單元，輸出的應力時程曲線如圖6所示。

因為鋼筋的抗拉屈服應力遠大于混凝土，實際倒塌過程中大部分鋼筋并不會屈服。從圖6（a）中可以看出，整個倒塌過程鋼筋都沒有屈服，這與實際是相符的。在t＝1.72s時，鋼筋單元最大壓應力為0.21GPa；在t＝1.15s時，混凝土單元達到最大壓應力，之后就失效被刪除了。

圖6 鋼筋和混凝土單元應力時程曲線Fig.6Stress curves of reinforcement and concrete elements

4 結 論

通過采用不同的有限元模型對某高層框－剪結構倒塌過程進行數值模擬研究，并與實際工程相對比，得出以下結論：

（1）從整體式與分離式2種方案的模擬結果看，誤差均在10%以內，均能較好地與實際相吻合，這對爆破拆除工程具有指導意義。分離式模型更貼近實際，整體式模型網格劃分簡單、計算時間短；2種建模方法各有優(yōu)勢，可以根據模擬的具體要求，靈活地選擇不同的建模方式。

（2）分離式模型能反映混凝土和鋼筋力學性能上的差異，通過應力時程曲線可以考察鋼筋和混凝土的力學性能狀態(tài)。

（3）通過方案2～5的模擬，發(fā)現切口位置上移會造成以下結果：第1，能有效地減少結構的前沖距離；第2，結構觸地后的破碎程度會相應降低。這是一個相互影響的過程，因此，爆破切口的位置應該在一個合理的范圍內。

（4）在爆破切口形狀相同的情況下，后座距離會隨結構倒塌的初始勢能的增加而增加。

［1］孫金山.高聳（高層）建筑物拆除爆破倒塌過程模擬［D］.武漢：武漢大學，2005.

［2］楊國梁，楊軍，姜琳琳.框－筒結構建筑物的折疊爆破拆除［J］.爆炸與沖擊，2009，29（4）：380－384.

YANG Guo－liang，YANG Jun，JIANG Lin－lin.Numerical simulations on fold blasting demolition of frame－tube structures［J］.Explosion and Shock Waves，2009，29（4）：380－384.

［3］崔正榮，趙明生，杜明照.剪力墻結構原地坍塌爆破拆除數值模擬［J］.爆破，2009，26（1）：62－64.

CUI Zheng－rong，ZHAO Ming－sheng，DU Ming－zhao.Numerical simulation for blasting demolition of shear－wall blasting structure collapse in situation［J］.Blasting，2009，26（1）：62－64.

［4］葉振輝，言志信.磚煙囪定向爆破拆除傾倒過程研究［J］.工程爆破，2010，16（1）：16－19.

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［5］趙紅宇，王守祥，劉云劍，等.高層框架剪力墻結構樓房的控制爆破拆除［J］.爆破，2008，25（2）：53－56.

ZHAO Hong－yu，WANG Shou－xiang，LIU Yun－jian，et al.Demolition of a high framed shear－wall structure by controlled blasting［J］.Blasting，2008，25（2）：53－56.

［6］尚曉江，蘇建宇，王化鋒.ANSYS／LS－DYNA動力分析方法與工程實例［M］.第2版.北京：中國水利水電出版社，2008.

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［8］周寧.ANSYS－APDL高級工程應用實例分析與二次開發(fā)［M］.北京：中國水利水電出版社，2007.