延期時差對多截面承重立柱框架結構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山東科技大學土木工程與建筑學院(山東青島，266590)

②中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院(山東青島，266580)

引言

伴隨著我國城市化進程的加快，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、經濟環保等優點而占有重要地位。 爆破拆除理論的發展落后于實踐，目前爆破拆除方案的設計仍以經驗公式為主；但拆除對象的結構及其所處的環境日趨復雜，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、可控化方向發展。 爆破拆除具有不可逆性，對其進行實體實驗較為困難；因此，有必要通過數值模擬的方式對爆破方案的制定和參數的優化設計提供參考依據。

在拆除爆破中，延期時差的不同會直接影響爆破振動的強弱、飛石范圍的大小以及建(構)筑物倒塌效果的好壞[1]。 王濤等[2]采用了數值模擬來預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，爆破區段延期時間不同，框架結構塑性鉸形成位置和倒塌效果有所不同；李勝林等[4]采用內爆法，對單榀鋼混框架進行不同延期時間的爆破切口的數值模擬，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模型進行了研究。 本文中，以多截面承重立柱酒店爆破拆除項目為例，利用ANSYS/LS-DYNA 軟件建立有限元模型，進行數值模擬，探究延期時差對拆除爆破效果的影響；通過現場實際爆破倒塌情況和模擬情況對比，分析有限元模擬的實際工程價值，為類似的工程提供參考借鑒。

1 工程概況

1.1 爆破環境

待拆除酒店位于山東省煙臺市開發區長江路與珠江路交叉口西南側。 因所在地塊重新規劃建設，地塊內建筑物需要被拆除。 該酒店北側75 m 為長江路；東側133 m 為珠江路；南側50 m 為需要保留的平房，88 m 為待拆除樓房；西側距離二層鍋爐房15 m，距離辦公樓30 m。 爆破環境示意圖見圖1。

圖1 爆破環境(單位：m)Fig.1 Blasting environment(unit：m)

1.2 結構特點

該酒店主體結構8 層(局部10 層)，框架結構。高36.4 m，東西長95.3 m，南北寬17.3 m，建筑面積13 000 m2。 建筑物主體結構東西方向共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構特點和周邊環境情況，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、結構穩定，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，建筑物的支撐穩定性被破壞，在自身重力作用下向南定向倒塌。 根據倒塌方向，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行1︰1 建模[7]。 為了能夠真實地反映出鋼筋和混凝土兩種材料的力學性能差異，采用分離式共節點模型。 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。 為了提高建模和計算的速度，在不嚴重影響計算精度的前提下，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層厚度；2)不設置箍筋，通過適當提高混凝土強度來代替箍筋的作用；3)地面設置為剛體，不發生變形；4)將墻的質量等效分配到梁上；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，考慮到計算的準確性，采用規則的六面體映射網格進行網格劃分，網格尺寸設置為0.2 m，單元數量總計344 703 個。 結構的有限元模型見圖4。

圖4 結構的有限元模型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)，各材料的力學性能參數如表1 所示。 通過關鍵字?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 參數進行控制。

表1 各材料的力學性能參數Tab.1 Mechanical property parameters of each material

考慮到建(構)筑物在倒塌過程中接觸的復雜性，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，取靜摩擦系數和動摩擦系數為0.6。

3.3 不同延期時差設置

有限元模型建立完畢后，設置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 進行模擬，分析不同延期時差下多截面承重立柱框架結構的拆除爆破效果。

4 數值模擬結果及對比分析

4.1 數值模擬結果

模型的其他設置保持不變，只改變延期時差，通過數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進行數據處理，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]的研究和本次數值模擬結果的相互論證可以發現，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，降低爆破拆除產生的不良影響。

4.2.1 爆堆高度

以爆堆的最高點作為爆堆高度的選取點。 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、最后趨于穩定的變化規律，并在500 ms 出現最小值。 其中，延期時差為100 ms 時，由于東北側一根立柱尺寸為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，導致爆堆高度在延期時差100 ms 時陡升。 結構的破碎解體主要依靠構件之間的沖擊碰撞作用，當延期時差較小時，在大偏心受壓下，最后一排形成塑性鉸，上部結構整體發生偏轉，但僅第一排的動能會因為距塑性鉸較遠而比較大，無法使結構完全解體；隨著延期時差的增大，每排立柱在梁柱節點處均能形成塑性鉸，且在500 ms 時各塑性鉸轉動充分，產生的豎向動能足以使結構完全解體，爆堆高度為6.92 m；延期時差大于500 ms 后，塑性鉸轉動充分后并趨于穩定，部分動能轉化為內能，能量的耗損反而不利于結構的解體，因此，爆堆高度趨于常數。

4.2.2 后坐距離

從圖5 和圖7 的數值模擬結果對比中可以發現，后坐距離隨著延期時差的增加呈先減小后增大、最后趨于穩定的變化規律，并在400 ms 出現最小值。 樓體在爆破時會產生下坐和沿設計方向的傾倒[12]。 延期時差較小，塑性鉸集中在最后一排立柱處；當爆破切口形成后，最后一排立柱承受剩余懸臂結構的全部重力和彎矩，塑性鉸迅速破壞；當爆破切口閉合時，水平向動能依據作用力與反作用力原理，會使樓體在相反方向產生后坐，導致結構發生較大后坐。 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 時塑性鉸充分轉動，動能轉化為內能，后坐距離達到最小，為7. 47 m。 隨著延期時差的繼續增大，前端結構提前觸地，對后端結構產生支撐作用，導致后坐增大，最終穩定在一個常數。

5 現場爆破效果

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現。 現場爆破過程如圖8 所示，

圖8 爆破倒塌過程Fig.8 Collapse process of blasting

起爆后，結構按預定方向倒塌。 對實際爆破和數值模擬的爆堆形態進行對比：實際爆堆高度約8.10 m，后坐距離約6.20 m；數值模擬的爆堆高度為7.36 m，后坐距離為6.81 m。 可認為現場爆破效果與模擬結果比較符合，模擬結果較好。

本次爆破中，整體產生了明顯的后坐現象。 分析其主要原因為結構的高寬比僅為1.77，樓房重心偏低，導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，轉動軸后移，即上部樓體開始做類似于自由落體運動與繞轉動軸轉動的合成運動[13]。 因此，在爆破施工時應合理地控制后排立柱的裝藥量，減少小高寬比結構因支撐體承載力不足而產生的后坐現象。

6 結論

1)通過與其他研究對比發現，框架結構在進行定向爆破拆除時，爆堆高度和后坐距離隨著延期時差的增大先減小、后增加，最后趨于穩定。 最佳延期時差則根據不同的建筑形態有不同的數值。

2)為避免數值模擬中出現的大截面立柱破而不碎的情況，多截面承重立柱框架結構在爆破拆除時，應對截面剛度較大的立柱進行松動爆破，確保其完全解體。

3)模擬過程中建立的是分離式共節點模型，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構的沖擊作用，但也能很好地模擬出結果，與實際工程吻合。

4)對于本文中的建筑形式，當爆堆高度最小時，數值模擬得到的最佳延期時差為500 ms；當后坐距離最小時，數值模擬得到的最佳延期時差為400 ms。 模擬結果也與實際爆破相符，說明數值模擬可以有效地對實際爆破結果進行模擬預測。