小高寬比框架結(jié)構(gòu)建筑物拆除爆破數(shù)值模擬分析

王 鐵 劉 偉 李洪偉

(1.廣東宏大爆破股份有限公司；2.安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院)

小高寬比框架結(jié)構(gòu)建筑物拆除爆破數(shù)值模擬分析

王 鐵1劉 偉2李洪偉2

(1.廣東宏大爆破股份有限公司；2.安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院)

爆破切口參數(shù)對(duì)爆破拆除倒塌效果具有重要影響。結(jié)合工程案例，采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析程序建立了12層小高寬比框架結(jié)構(gòu)建筑物爆破拆除倒塌的數(shù)值分析模型。建筑物梁、柱采用beam單元建模，樓板采用shell單元建模，鋼筋混凝土簡(jiǎn)化為各向同性均質(zhì)材料，采用隨動(dòng)硬化材料模型，地面采用solid單元、剛體材料模型。對(duì)不同切口方案的爆破效果進(jìn)行了模擬分析。數(shù)值模擬及實(shí)際爆破效果表明，一定的切口高度是實(shí)現(xiàn)建筑物倒塌的必要但非充分條件，應(yīng)結(jié)合合理的預(yù)處理及延期間隔獲得理想的爆破效果。

框架結(jié)構(gòu) 爆破拆除 切口參數(shù) 數(shù)值模擬

定向倒塌是建筑物控制爆破中最基本的一種拆除形式，其原理是用三角形爆破切口，控制支持立柱起爆順序，讓整個(gè)建筑物繞某一定軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)傾角后失穩(wěn)倒塌，沖擊地面而解體。爆破切口是實(shí)現(xiàn)建筑物按預(yù)定方案倒塌的關(guān)鍵，對(duì)于高寬比較小的建筑物，爆破切口形成后，重心不容易移出，較難實(shí)現(xiàn)理想的倒塌效果，因此該類建筑物爆破切口參數(shù)值得深入研究。結(jié)合工程案例，采用數(shù)值模擬方法，從切口高度、延期間隔、預(yù)處理措施等方面探討小高寬比建筑物的爆破拆除。

1 定向傾倒爆破

圖1 定向爆破缺口示意

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

需要爆破拆除的建筑物為框架結(jié)構(gòu)，共有12層，一層高6 m，其余各層高3 m，每層共有48根立柱，立柱截面尺寸分別為1.4 m×0.8 m、1.2 m×1.2 m，梁的截面尺寸為0.8 m×0.4 m，樓板厚0.11 m，沒(méi)有隔墻，電梯井大部分被預(yù)先拆除。樓體寬32 m，長(zhǎng)52 m。結(jié)構(gòu)平面見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)平面

2.2 爆破方案

擬對(duì)該建筑物實(shí)施定向爆破拆除，向東倒塌，該建筑物高寬比為1.125，不滿足重心移出條件，必須合理設(shè)計(jì)爆破切口高度、預(yù)處理部位及延期間隔。具體切口參數(shù)為：①缺口高23 m，切口范圍為7層；②采用半秒延期雷管，合理設(shè)置起爆順序；③沿倒塌方向，7層以內(nèi)的梁上布置炸點(diǎn)；④爆破前，在第4、5排立柱間，從1～12層開鑿20 cm寬的預(yù)處理切縫，見圖3。

圖3 爆破切口示意

2.3 有限元模型

采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件整體建模方法，考慮結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性建立框架結(jié)構(gòu)的1/2模型，采用beam單元建立梁和柱，shell單元建立樓板單元，材料模型為多段線形彈塑性材料。爆破前各樓層的大部分隔墻尚未施工，電梯井已被預(yù)先拆除，因而模型中不建立隔墻單元。地面假設(shè)為剛體，采用solid164單元建模。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 爆破拆除數(shù)值模擬結(jié)果

起爆后，在重力及延期間隔的作用下，樓房沿切割縫分為2部分，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)區(qū)別明顯，前半部分近似自由落體，后半部分轉(zhuǎn)體傾倒，整個(gè)過(guò)程持續(xù)約6 s，倒塌解體充分。數(shù)值模擬過(guò)程基本反映了倒塌過(guò)程中各部分的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在倒塌經(jīng)歷時(shí)間，倒塌長(zhǎng)度，堆積高度等方面與真實(shí)情況吻合較好，爆破過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果見圖4。

圖4 爆破數(shù)值模擬效果

3.2 爆破切口高度對(duì)倒塌效果的影響

在不改變?cè)心Ｐ偷幕A(chǔ)上，模擬了三角形切口高度分別為9 m(2層)、15 m(4層)、23 m(7層)的爆破方案，切口內(nèi)立柱同時(shí)起爆，切口以外部分不做處理，數(shù)值模擬結(jié)果見表1。

表1 不同方案的爆破數(shù)值模擬結(jié)果

由表1及相關(guān)數(shù)值模擬結(jié)果可知：①切口高度為23 m時(shí)，爆破堆積高度最小，但后坐距離較大；②切口高度為15 m時(shí)，雖不滿足重心移出條件，但切口形成后造成的初始垂直塌落運(yùn)動(dòng)使得梁柱結(jié)合部位破壞，形成鉸接，建筑物由常靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為靜不定結(jié)構(gòu)，在重力及慣性運(yùn)動(dòng)下仍可實(shí)現(xiàn)定向倒塌；③當(dāng)切口高度較小時(shí)，容易導(dǎo)致爆而不倒；④采用延期起爆網(wǎng)絡(luò)、預(yù)留切割縫、增加爆破部位等措施，可以減少倒塌長(zhǎng)度和后坐距離。

4 結(jié) 論

(1)對(duì)于小高寬比建筑物，應(yīng)合理設(shè)計(jì)切口高度和延期間隔，一定的切口高度是實(shí)現(xiàn)建筑物傾倒、構(gòu)件破壞以及觸地撞擊破碎的必要條件；合理的延期間隔，不但可以使建筑物內(nèi)部形成強(qiáng)大的破壞彎矩，還可以使未爆部分的構(gòu)件產(chǎn)生局部大變形，解體更充分，使建筑物倒塌更徹底。

(2)切口高度和延期間隔對(duì)改善建筑物爆破效果、提高爆破安全有重要影響，應(yīng)進(jìn)一步研究切口高度與延期間隔共同作用的機(jī)理。

2015-05-29)

王 鐵(1981—)，男，工程師，510623 廣東省廣州市珠江新城華夏路49號(hào)。