建筑物爆破拆除定向切口參量數值模擬研究

摘 要： 針對酒店的爆破拆除進行了數值模擬，對6個切口高度條件下主樓的爆破拆除過程進行數值計算。通過單根立柱的數值模擬實驗對分離式共節點模型進行研究，找出分離式共節點模型中鋼筋大量斷裂的源頭為鋼筋的失效應變自動降低。同時，基于重心失穩理論和經驗公式理論，選取了6個切口高度進行定向傾倒研究。數值計算結果分析顯示最佳切口高度為重心高度的一半，此時整個大樓的拆除可以獲得最大的動能利用率。

關鍵詞： 爆破拆除； 定向傾倒； 切口參量； 數值模擬； 分離式共節點模型

中圖分類號： TN011?34； TM417 文獻標識碼： A 文章編號： 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

隨著我國城市建設和改造進入了大規模發展階段，需要拆除的建筑結構的數量越來越多，拆除規模和難度越來越大，安全環保方面要求越來越高，對爆破拆除的設計水平提出了更高的要求。然而現在爆破拆除設計的參數主要通過經驗公式確定，這些經驗公式來自以往對爆破試驗和實踐的總結，參數選取范圍過于寬泛，往往需要具有豐富實踐經驗的專家才能得出正確選擇。對于各種建筑結構和復雜多變的周圍環境，爆破專家要對拆除爆破方案和具體參數做出準確的判斷有一定的難度，設計不當是引起拆除爆破失敗或不理想情況發生的原因之一。

1 數值模擬方法及技術

1.1 模擬方法的選擇

目前，有限元對框架樓房的爆破拆除過程進行模擬所采用的計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，可以充分體現兩種材料的力學性能差異。聯接單元是用來模擬鋼筋和混凝土之間黏結滑移以及裂縫兩側骨料的咬合作用。按單元之間有無聯接單元以及聯接單元類型的不同，可以將分離式模型分為雙彈簧聯接單元、四邊形聯接單元和共節點分離式模型。

組合式模型假定鋼筋和混凝土兩者之間的相互黏結很好，沒有相對滑移，于是，在單元分析時，可分別求得混凝土和鋼筋對單元剛度矩陣的貢獻，組合一個復合的單元剛度矩陣，最常用的組合式模型有兩種，一是分層組合單元，二是復合單元。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，然后對截面的應變做出某些假定，再根據材料的應力?應變關系和平衡條件導出單元的剛度表達式。這種分層組合式單元在鋼筋混凝土桿式結構和板殼結構中應用很廣。鋼筋和混凝土復合單元是在建立單元剛度矩陣時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。常用的鋼筋和混凝土復合單元有帶鋼筋的四邊形單元、帶鋼筋膜的八節點六面體單元。這一模型包括兩種材料對單元剛度矩陣的貢獻，但它不再分別計算，而是將鋼筋化為等效的混凝土，然后按照一種材料計算單元剛度矩陣，即：

[Ke=BT（DC+DS）BdV] （1）

然后集成為總體剛度矩陣，運用下式：

[K=VB+DBdV] （2）

將其中彈性矩陣改為由兩部分組合，具體表達式為：

[D=DC+DSK=BTDBdV] （3）

式中：[DC，DS]分別為混凝土和鋼筋的應力應變矩陣，這一模型的優點是單元劃分較少，計算量小。當分析區域較大，受計算機軟件和硬件的限制，無法將鋼筋和混凝土分別劃分單元，同時人們所關心的結果是結構在外荷載作用下的宏觀反應（如結構的總體位移和應力分布情況等），此時采用整體式模型比較合適。

在整體式模型中，將鋼筋彌散于整個單元中，并把單元視為連續均勻的材料。鋼筋對整個結構的貢獻，可以通過調整單元的材料力學性能參數來體現，例如提高材料的屈服強度、材料的彈性模量等。在爆破拆除建筑結構的數值模擬中，兼顧模型的真實性和建模的方便性，文中數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點，不考慮它們之間的滑動，并對結構中鋼筋的分布位置及數量進行了簡化。

1.2 單元和材料模型的選擇

鋼筋混凝土材料具有非常復雜的性質：在多軸應力狀態下的非線性應力?應變特性；應變軟化和各向異性彈性劣化；由拉伸應力或應變引發的逐步開裂；鋼筋和混凝土的粘結滑動、骨料的連鎖作用、鋼筋的榫合作用；有如徐變、收縮等與時間相關的特性。

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體單元solid164模擬，其具有以下特性：該三維實體單元具有8個節點，每個節點具有9個自由度，即UX，UY，UZ，VX，VY，VZ，AX，AY，AZ。在默認情況下，采用單點積分算法，也可在單元屬性設置對話框里設置為全積分單元。 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?；炷恋牟牧夏Ｐ筒捎秒p線性隨動模型，該模型參數簡單，可以定義極限屈服應力，還可以定義失效應變?？蚣軜欠康谋撇鸪饕谜ㄋ幍谋_擊波對承重結構造成破壞，使得建筑物失穩，靠建筑物的重力傾倒、坍塌、解體、破壞。整個過程混凝土結構的破壞主要是壓應力失效，用雙線性隨動模型可以很好地表現混凝土的這一特征，另外，模型中定義失效應變參數實現混凝土的受拉破壞，很多數值模擬案例證實了這一材料模型的有效性和適用性。鋼筋在整個過程中主要承受拉應力，故而該模型也可以作為鋼筋的材料模型。

2 分離式共節點模型的研究

2.1 分離式共節點模型

分離式共節點模型是本課題組在分析建筑結構爆破拆除過程中一直推崇和使用的模型，大量數據分析顯示該模型有一定的先進性和適用性。在使用分離式共節點模型對建筑物爆破拆除進行模擬的過程中，經常出現如圖1所示的鋼筋大量脫離混凝土單元斷裂為小段的現象。對于出現鋼筋大量脫離混凝土單元斷裂現象的模型稱為問題模型，對于這種現象不是很嚴重的模型稱為正常模型。

圖2對比問題模型和正常模型，發現問題模型多數是對混凝土結構進行切割，然后將所有的切割線都賦予了鋼筋屬性，鋼筋密度相對于正常模型較大，使得這種現象更加的嚴重，而在正常模型中，也有這種現象出現。由此推斷應該是分離式共節點模型本身的問題，為了能夠找出問題的源頭，建立小模型對這種現象進行研究，并對大模型做了材料參數的修正對比試驗。

2.2 分離式共節點模型的具體問題

模擬對象為撫順大樓中的一根支撐力柱，具體結構尺寸如下：長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。經過計算，等效為每條邊4根鋼筋，柱子內部4根，半徑均為24 mm。為了達到類似于樓房倒塌過程中柱子的受力狀態，在柱子頂部施加縱向均布壓力，即[FY=]-40 MPa，水平拉力即[FX=]1 kPa。通過*MAT_ADD_EROSION關鍵字設置柱子材料失效高度為3 m。整個模型采用*ERODING_SINGLE_SURFACE和*NODES_TO_SURFACE兩種接觸。對鋼筋和柱子的底端分別采用節點約束和面約束，分別約束6個自由度，這樣可以防止鋼筋穿透地面。對地面采用面約束，約束6個自由度。柱子在運動到[T=]5.9 s時，鋼筋出現明顯的斷裂，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。假設建筑物的重心與其形心重合，那么有[H=33 ]m，根據重心失穩理論模型公式，有：[3321-221332≤h≤3321+221332] （4）

綜合考慮重心失穩公式取值范圍和經驗公式典型切口角度，選取的切口高度如表1所示。

3.2 數值計算結果分析

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

從表2中可以看出：

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

（2） 切口高度為19.3 m和23.1 m時，相較于16 m時爆堆范圍較大、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，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，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，樓房只是下座壓碎了三層，未發生轉動塌落，表明切口高度嚴重不足，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能隨時間變化圖

從圖4可以看出，當切口高度為16 m時，建筑結構在切口形成之后獲得的動能是最大的，這有利于建筑物上部結構的沖擊破碎；圖中除切口高度為5.6 m時，動能曲線有一個波峰，其他切口高度下均有兩個波峰，從第二波峰可以看出，切口高度為16 m時的動能衰減是最為迅速的，由此可以說明切口高度為16 m時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時的能量利用率為第二。由此可以看出選取切口高度時應盡可能靠近中間值。

針對撫順大酒店爆破拆除過程中的主樓，進行了6種爆破切口高度的數值模擬研究，數值計算結果顯示：

（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，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，無前沖距離，后座只有1.5 m，切口高度為9.3 m時，無前沖距離，后座只有1.4 m；

（4） 從后排支撐強度分析情況來說，切口高度[h≥Hmin，]切口角大于24°時，后排支撐強度均滿足整個結構繞支點轉動的要求，切口形成后，均能夠繞支點轉動；

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

綜合考慮以上幾點，對于高寬比較大的建筑物拆除有以下幾點結論：

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

（2） 切口內部剪力墻以及附屬建筑物盡可能通過預處理拆除干凈；

（3） 經驗公式中切口角度的最佳取值范圍為24°～34°；

（4） 重心失穩理論中切口高度的最佳取值范圍為[38～12]重心高度；

（5） 對后排支撐進行強度校核，在切口形成過程中，必須滿足整個結構繞支點轉動的要求，否則容易發生壓塌，而不發生傾倒，拆除失敗。

4 數值試驗及結果分析

4.1 模型選擇

由于爆破拆除失敗案例的結構資料很難搜集，因此，這一分析基于一個類似于“樓堅強”的九層框剪樓房，如圖5所示。樓房長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。模型的材料參數如表3所示。

4.2 數值試驗方案

“樓堅強”在進行爆破拆除過程中，實行爆破的只有兩層樓房，故而實驗也拆除兩層，切口的角度為24°。在廣西撫州的“樓堅強”案例中，有兩種猜測：建筑物中的電梯井未處理導致拆除失??；拆除公司對該樓的實際強度估計錯誤，炸藥量的使用不足。根據作者掌握的樓房拆除理論及拆除數據，分析該樓拆除過程中的資料，認為該樓拆除失敗的原因有三個方面：樓房切口高度不足；樓房中剪力墻未做預處理；后支撐強度不足。

為了考證這個推斷，數值模擬試驗主要對表4所示的8種情況進行數值分析。

4.3 試驗結果及分析

圖6展示了6種方案條件下的傾倒對比圖，其拆除方案中只處理了一二層，且爆破切口也設為兩層，數值模擬方案A，B和C分別針對“樓堅強”的拆除方案進行計算，均未傾倒，且傾斜角度和實際狀況類似。D方案在B方案的基礎上對切口上部剪力墻進行了處理，在一定程度上降低了建筑結構的剛度，壓壞了四層，未傾倒。建筑結構的后支撐強度不夠，在樓房拆除過程中必須校核后支撐立柱強度。E方案增加了延時，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，相較于E方案，切口高度增加了一層，而對切口的預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論：“樓堅強”拆除失敗主要是由于切口高度不夠，導致整個結構無法獲得足夠的塌落動能。另外，在拆除之前也未對建筑結構中的剪力墻采取任何措施。通過數值試驗，對于拆除高寬比較小的建筑結構給出以下建議：切口傾斜角取值應在30°～34°；切口內傾倒方向上的剪力墻需拆除；拆除切口上方的剪力墻，降低建筑結構的剛度；校核后支撐強度，使其滿足整個建筑結構繞支點轉動。

5 結 論

利用有限元ansys/ls?dyna對建筑結構爆破拆除的定向倒塌進行模擬。首先，對分離式共節點模型使用過程中出現大量鋼筋斷裂的現象進行分析；然后，建立單根立柱的分離式共節點模型，查看數值模擬結果，分析鋼筋在整個過程中的應力應變曲線，找出問題的根源。進一步，基于分離式共節點模型理論，給出數值計算過程中的材料參數、幾何參數以及建模網格參數等，對酒店的爆破拆除過程進行數值分析，給出較合理的倒塌過程，對后支撐立柱的受力進行分析，對爆堆范圍及高度進行分析，并與實際情況對比。

通過單根柱子的數值模擬研究，對分離式共節點模型存在的問題進行了初步分析，在大量數值模擬實驗的基礎上，找出了鋼筋失效應變的修正系數范圍，針對這種現象提出了三種可能，在接下來的研究中從數值計算的角度找出真正的原因，并解決這一問題。

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