箍筋對深基坑支撐梁爆破拆除的影響機制

何 理 鐘冬望 涂圣武 陳 晨 宋 琨

（1.三峽庫區(qū)地質災害教育部重點實驗室，湖北宜昌443002；2.武漢科技大學中鐵港行-武科大爆破技術研究中心，武漢430065）

隨著城市建設的快速發(fā)展，由于地下交通、高層建筑埋深、人防設施等各種需要，地下空間的高效利用越來越被人們重視。近幾年來，超高層房屋的興建以及城市標志性建筑的興起，使得城市地標屢屢刷新記錄。如2008年竣工的上海環(huán)球金融中心共101層，高492 m；2009年竣工的廣州新電視塔共127層，高600 m；2016年3月竣工的上海中心大廈共125層，高632 m；預計在2020年建成的武漢綠地中心將高達636 m［1］。在城市最高建筑屢屢刷新記錄的同時，復雜環(huán)境下大型基坑的開挖、支護、拆除成為建造這些標志性建筑前期最緊要的工作，其中深基坑支撐梁的安全、高效拆除是建設過程中最為關鍵的環(huán)節(jié)之一。

由于箍筋可對混凝土梁產生有效的側向約束作用，能顯著改善混凝土的高脆性問題并提高混凝土梁（柱）自身的承載力、變形能力及穩(wěn)定性［2］。因此，高強箍筋約束的混凝土梁被廣泛應用于大型深基坑圍護結構與支撐體系中。大量工程實踐與試驗研究表明［3-5］，高強箍筋約束混凝土梁較高的承載力及抗變形能力嚴重制約了支撐體系在后續(xù)爆破拆除過程中的施工效率、爆破效果。為了解除箍筋對梁的側向約束效應，改善深基坑鋼筋混凝土支撐梁爆破拆除效果，實踐中通常在支撐梁爆破拆除前采用切割機切割、氧焊切割或鋼絲鉗剪斷等技術手段切斷鋼筋混凝土梁的環(huán)向箍筋［5-6］。然而，深基坑鋼筋混凝土支撐梁爆破拆除理論的發(fā)展嚴重滯后于爆破技術的進步是工程爆破領域長期存在的問題，矩形箍筋側向約束效應解除前后對支撐梁爆破拆除影響機制的研究鮮有成果見諸報端。基于此，本文采用理論分析與數值模擬相結合，對比分析箍筋的側向約束效應解除前后支撐梁核心區(qū)混凝土單元應力狀態(tài)轉化規(guī)律、材料失效破壞方式以及爆破破碎形態(tài)，系統(tǒng)研究爆破法拆除深基坑鋼筋混凝土支撐梁時箍筋對梁身的作用機制及其對爆破拆除效果的影響，為類似拆除爆破工程提供理論借鑒。

1 理論分析

1.1 矩形箍筋對混凝土梁的側向作用機制

Sheikh［7］指出，在混凝土梁橫截面方向，圓形箍筋對核心區(qū)混凝土的被動約束力是均勻分布的，而對于方形或矩形截面，箍筋約束力并非均勻分布，其最大值集中在箍筋各肢十字相交處。這是由于該處的側向約束主要由十字相交處箍筋的軸向剛度決定，直至箍筋受拉屈服之前其剛度很高；隨著遠離十字相交處，側向約束作用快速減小，此時箍筋的抗彎剛度開始起主導作用，所以箍筋各邊中部對混凝土的約束力最小，如圖1（a）所示。

將矩形箍筋對混凝土的實際側向約束力進行等效簡化（圖1b），假定側向約束力為均勻分布［8］，根據靜力平衡方程，可求得平均約束應力σave為：

式中，σsc為約束混凝土達到峰值應力時對應的箍筋應力，MPa；s為箍筋間距，m；Rx和Ry分別為x、y方向箍筋軸線間的距離，m；Ax和Ay分別為x、y方向箍筋的橫截面總面積，m2。

1.2 箍筋對混凝土單元應力狀態(tài)影響分析

當藥包在支撐梁內部爆炸（爆破法拆除支撐梁）瞬間釋放大量能量，箍筋對支撐梁的側向約束效應隨核心區(qū)混凝土的爆破擴容現(xiàn)象而顯著增強；不但自身承擔較多拉應力，也會限制混凝土中拉應力的產生；而且，使梁內核心區(qū)混凝土單元大多處于三向受壓應力狀態(tài)，混凝土力學性能向塑性材料轉變，抵抗變形破壞的能力大大提高，單元應力狀態(tài)如圖2（a）所示。此時混凝土單元主要以受壓破壞為主，而混凝土抗壓強度遠大于其抗拉強度，壓壞混凝土比拉壞混凝土要困難得多。在城市復雜環(huán)境下，為安全考慮，所用炸藥量一般不足以將鋼筋拉斷，通常只會使鋼筋產生較大塑性變形而被拉長。由于藥量的限制和箍筋的側向約束效應，加上鋼筋被拉伸消耗較多能量，鋼筋混凝土支撐梁的拆除爆破往往達不到預期效果，多出現(xiàn)鋼筋與混凝土不能完全分離，大塊多，需要二次破碎和處理等問題。

鋼筋混凝土支撐梁拆除爆破工程中，通常在支撐梁爆破拆除前采用線性切割預處理等技術手段［5］切斷矩形箍筋，解除箍筋對梁身的側向約束作用，梁內混凝土單元在爆破荷載作用下的應力狀態(tài)如圖2（b）所示；混凝土單元抵抗變形破壞能力降低，體現(xiàn)出明顯的脆性材料力學特性。

根據前述的箍筋側向約束力分布機制理論分析結果，可以得到矩形箍筋對梁身混凝土的約束力由箍筋各肢十字相交處向各邊中點逐漸減小，為最大限度解除箍筋側向約束效應，避免因破壞鋼筋而消耗過多爆炸能量，應選取在十字相交處切斷箍筋。爆破拆除時，箍筋切斷處為混凝土側向約束弱面，支撐梁斷面上的早期破壞區(qū)域和拋渣方向必然被引導至切斷點方向。然而，城市復雜環(huán)境下鋼筋混凝土支撐梁的拆除爆破需嚴格控制爆破飛石危害，故只能將拋渣方向引導至側下方。綜合考慮爆破效果、預處理施工便捷性和爆破安全等因素，筆者提出合理的箍筋切斷點位于支撐梁兩側中下部，如圖3所示。同時，對基坑的橫支撐大面積采用箍筋預處理措施，尤其是對于長細比較大的支撐，則容易喪失剛度，會為施工安全帶來不利因素，在深基坑支撐體系爆破拆除實踐中需引起高度重視，建議分區(qū)分段對水平橫支撐采用箍筋預處理措施。

2 鋼筋混凝土支撐梁爆破拆除數值計算

2.1 共節(jié)點分離式模型建立

鋼筋混凝土支撐梁的共節(jié)點分離式模型可以較好地體現(xiàn)鋼筋與混凝土2種材料的力學性能差異，可以真實地再現(xiàn)混凝土和鋼筋單元不同的失效過程。同時，建模過程相對于界面元分離式模型較簡單，又可避免模型單元數目過大帶來的計算困難等問題［9］。

借助有限元分析軟件ANSYS以某項目深基坑支撐體系中桁架撐為研究對象，建立共節(jié)點分離式模型進行有限元計算。為簡化分析，取支撐梁跨中長為1.4 m的梁段進行建模，如圖3所示。梁截面尺寸為1 000 mm×800 mm，混凝土保護層厚度為30 mm；縱筋直徑25 mm，上部架立鋼筋2根，下部縱向鋼筋3根，矩形箍筋直徑15 mm，間距200 mm。炮孔在支撐梁內垂直向梅花形布置，距支撐梁底邊0.25 m，排距300 mm，孔距400 mm，單孔藥量256 g，模型中4個炮孔同時起爆。為滿足設計精度，設定有限元網格單元最大尺寸為2 cm。模型橫向各側面與外界空氣接觸的邊界采用自由邊界條件；模型軸向兩端邊界上采用無反射邊界，并約束梁身軸向位移。

2.2 材料模型及狀態(tài)方程

炸藥單元選用JWL狀態(tài)方程描述爆轟產物中壓力和內能及爆轟產物相對體積之間的關系［10］：式中，V為爆轟產物的相對體積；E0為爆轟產物的比內能，J/m3；A、B為常數；R1、R2為無量綱常數；ω為格林艾森參數。乳化炸藥材料參數取值見表1。

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混凝土采用Mat-Johnson-Holmquist-Concrete模型，材料參數取值見表2。該模型綜合考慮大應變、高應變率及高壓效應；并且通過等效強度取代靜態(tài)屈服強度用以判別和計算結構屈服破壞；用損傷度來判別和計算累積損傷破壞［10］。

縱向鋼筋與箍筋采用隨動強化Mat-Plastic-Kinematic材料模型和Von-Mises屈服準則，該模型適用于模擬各向同性和動力塑性硬化材料。由于整個爆炸沖擊過程瞬間完成，按Cowper-Symonds方式考慮應變率效應對屈服強度的影響［11］。鋼筋材料參數取值見表3。

2.3 結果與分析

2.3.1 單元峰值應力分布規(guī)律

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通過數值計算對比分析箍筋側向約束解除前后支撐梁內混凝土單元峰值拉應力分布規(guī)律，如圖4所示。結果表明拆除前采用相應預處理技術切斷箍筋，箍筋所在截面處混凝土單元峰值拉應力整體取值向大值過渡，截面中51.3%（574個）的單元拉應力超過了混凝土抗拉強度，此時大量混凝土單元失效方式由受壓破壞向受拉破壞轉變，使得混凝土更容易被爆破破碎；因此，相同截面尺寸、配筋率及混凝土強度等級情況下，拆除前切斷箍筋解除其側向約束效應，可有效減小炸藥單耗，節(jié)約施工成本。

2.3.2 支撐梁爆破破碎形態(tài)

材料單元的失效控制計算時，混凝土材料的抗拉強度與抗壓強度分別取為2.5 MPa和20.1 MPa。支撐梁中鋼筋材料視作各向同性均值材料，計算時設置為應變失效控制，失效應變?yōu)?.12。選取支撐梁側面靠下位置為箍筋切斷點，支撐梁爆破破碎形態(tài)如圖5所示。

由圖5可以看出，解除支撐梁箍筋側向約束作用后，梁身混凝土材料破碎區(qū)范圍更大，支撐梁的整體爆破拆除效果顯著提高；由于箍筋切斷點位于支撐梁側面靠下位置，此處產生夾制弱面，支撐梁中下部混凝土破碎較上部充分，可完全脫落，見圖5（b）；同時上部碎而不飛的混凝土可有效阻隔沖擊波作用下向上拋出的爆破飛石，確保了施工安全，驗證了箍筋最優(yōu)切斷點理論分析的合理性。

3 工程應用效果

3.1 工程應用概況

武漢某項目工程地處市區(qū)，基坑等級為一級，開挖深度大。設計采用支護樁加橫向鋼筋混凝土支撐結構作為基坑支護，地下室施工完畢需對橫向支撐結構進行爆破拆除。整個支撐結構一層，由立柱、冠梁、主撐、八字撐和連桿組成，立柱為樁基型鋼柱結構，其他均為鋼筋混凝土結構。鋼筋混凝土構件的混凝土強度等級為C30，保護層厚度30 mm，配筋率約1.2%～2.6%。

根據拆除要求不同可分為立柱結構、支撐結構和圍檁結構。待拆構件參數如表4所示。

支撐梁爆破拆除前，采用鋼釬破除支撐梁側面靠下位置的混凝土保護層，隨后用鋼絲鉗剪斷箍筋，如圖6所示。

3.2 支撐梁爆破拆除效果

通過采取預處理手段切斷箍筋，應用爆破分區(qū)分段、孔內孔外延時起爆的強松動爆破技術，支撐梁中、下部的混凝土脫落，頂部及其兩側混凝土碎而不飛，確保了工程質量要求，如圖7所示；同時，爆區(qū)空間攝影監(jiān)測表明無飛渣拋出基坑，爆破飛石危害得到有效控制。

4 結論

基于箍筋對混凝土梁側向約束效應的理論分析，建立支撐梁的共節(jié)點分離式模型進行有限元計算并結合支撐梁爆破拆除工程實踐，對比分析箍筋側向約束解除前后截面單元峰值應力分布規(guī)律、梁身破碎區(qū)形態(tài)及爆破拆除效果。主要結論如下：

（1）爆破法拆除鋼筋混凝土支撐梁時，箍筋側向約束作用解除前后，支撐梁核心區(qū)大量混凝土單元應力狀態(tài)由三向受壓向單向受壓轉變，混凝土單元抵抗變形破壞能力明顯降低，體現(xiàn)愈趨顯著的脆性材料力學特性。

（2）箍筋被剪斷喪失側向約束作用后，其所在截面處混凝土單元峰值拉應力整體取值向大值過渡，截面中51.3%的單元拉應力超過了混凝土抗拉強度，單元主要以受拉失效破壞為主；鋼筋混凝土支撐梁爆破拆除前采用預處理手段剪斷箍筋可有效減小炸藥單耗，節(jié)約施工成本。

（3）選取支撐梁側面靠下位置切斷箍筋，可使得支撐梁中下部混凝土破碎較上部充分，可完全脫落；同時上部碎而不飛的混凝土可有效阻隔沖擊波作用下向上拋出的爆破飛石，可顯著改善支撐梁爆破拆除效果，有效防止爆破飛石危害。