多截面承重立柱框架結(jié)構(gòu)爆破拆除數(shù)值模擬研究*

高文樂，李元振，趙德龍，張澤華

(1.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，青島 266590；2.中國石油大學(xué)(華東) 儲運與建筑工程學(xué)院，青島 266580)

由于鋼筋混凝土框架酒店一般建于人口稠密地區(qū)，周邊環(huán)境復(fù)雜、保護(hù)對象多等因素構(gòu)成了城市復(fù)雜的建筑拆除環(huán)境，因此對爆破拆除提出了更高的要求。以往主要通過工程經(jīng)驗進(jìn)行建筑物爆破拆除設(shè)計的方法已經(jīng)不能滿足工程實踐快速發(fā)展的要求，因此需要開展建筑物爆破拆除的數(shù)值模擬研究來填補工程經(jīng)驗指導(dǎo)的不足。為此國內(nèi)外學(xué)者開展了框架結(jié)構(gòu)建筑物爆破拆除過程的研究。言至信等通過整體式建模和分離式建模與實際工程的對比發(fā)現(xiàn)，分離式模型模擬的效果更貼近實際[1]；余德運等分析了倒塌過程中鋼筋混凝土支撐立柱內(nèi)側(cè)和外側(cè)的鋼筋單元、混凝土單元的承載失效過程[2]；吳建宇、賈永勝、謝先啟、李清等利用ANSYS /LS-DYNA 有限元程序?qū)欠克溥^程進(jìn)行了數(shù)值模擬[3-6]；王濤等對六層框架結(jié)構(gòu)建筑在爆炸荷載下，采用分離式共節(jié)點鋼筋混凝土模型對爆破拆除過程進(jìn)行了數(shù)值模擬[7]。依托框架式酒店定向爆破拆除工程，采用攝像技術(shù)對酒店失穩(wěn)倒塌過程進(jìn)行監(jiān)測，并對該酒店倒塌過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，以此探究框架式酒店的倒塌過程以及后排立柱混凝土和鋼筋的受力情況，為類似框架結(jié)構(gòu)的爆破拆除工程提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 周邊環(huán)境

待拆除藍(lán)天大酒店北側(cè)75 m為長江路；東側(cè)113 m為珠江路；西南側(cè)50 m為需要保留的平房，南側(cè)88 m為待拆除樓房；西側(cè)距離二層鍋爐房15 m，距離辦公樓30 m，周邊環(huán)境見圖1。

圖 1 周邊環(huán)境(單位：m)Fig. 1 Surrounding environment(unit:m)

1.2 結(jié)構(gòu)特點

藍(lán)天大酒店主體結(jié)構(gòu)8層(局部10層，層高3.6 m)，1層層高3.9 m，2～8層層高3.6 m，框架結(jié)構(gòu)，高36.4 m，東西長95.3 m，南北寬17.3 m，建筑面積13 000 m2。主體建筑物南側(cè)東西兩端各有3層附樓，建筑物中間進(jìn)出口位置有頂棚。建筑物主體結(jié)構(gòu)東西向共16排立柱，跨度為7.8 m，南北向3排立柱，跨度為8.6 m，單層共計48根承重框架立柱。立柱斷面尺寸為0.7 m×0.7 m、0.85 m×0.85 m和1.4 m×0.675 m，梁斷面尺寸為0.4 m×0.4 m，樓板厚0.2 m。立柱分布圖見圖2。

圖 2 立柱分布圖(單位：m)Fig. 2 Column distribution(unit:m)

1.3 爆破方案

根據(jù)待拆除酒店的特點，采用1～3層各設(shè)立爆破切口，形式為三角形(1層切口最大高度3.9 m、2層切口最大高度3.6 m、3層切口最大高度3.0 m)，爆破切口最大處10.5 m。對南側(cè)第一排立柱，在第4層立柱下部1.5 m進(jìn)行減弱爆破。采用由南向北依次爆破，第一排立柱瞬時起爆，第二排立柱延時0.46 s起爆，第三排立柱延時0.88 s起爆。各爆區(qū)立柱切口高度見圖3所示。

圖 3 爆破切口(單位：m)Fig. 3 Blasting cut(unit:m)

2 有限元模型

2.1 計算模型建立

海天大酒店有限元模型按照實際結(jié)構(gòu)尺寸建立，為了能夠體現(xiàn)立柱受力及倒塌過程，采用分離式共節(jié)點模型。梁、柱和地面采用SOLID164單元，鋼筋采用Beam161單元，板采用shell163單元，六面體映射網(wǎng)格劃分。為保證計算準(zhǔn)確將樓體的網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.2 m，整個模型單元數(shù)為344 703?？紤]到模型復(fù)雜，在不影響計算精度的情況下對模型進(jìn)行了適當(dāng)簡化：不考慮混凝土保護(hù)層的作用；不加入梁、柱箍筋，但適當(dāng)調(diào)高混凝土的強度；把上部墻體的重量等效到混凝土板中；最后把地面設(shè)置成剛體。結(jié)構(gòu)實體與模型如圖4所示。

2.2 材料及接觸方式

混凝土和鋼筋均采用塑性隨動硬化材料，材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。通過關(guān)鍵字*MAT_ADD_EROSION控制建筑物爆破切口的形成，以及在倒塌過程中混凝土材料的失效，鋼筋失效通過定義材料自帶的FS參數(shù)控制。由于建筑物在倒塌過程中的接觸非常復(fù)雜，因此選用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；選用CONTACT_NODES_TO_SURFACE定義鋼筋與地面的接觸[8,9]，以防止鋼筋穿透地面。模擬時設(shè)定的材料的靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)為0.6。

表 1 材料的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of materials

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 倒塌過程

采用LS-PrePost對數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行后處理，然后將1 s作為時間間隔對建筑物數(shù)值模擬與實際爆破的倒塌過程進(jìn)行截圖處理并比較，最后以建筑物最頂層觸地破碎為結(jié)束時刻，模擬倒塌過程和實際爆破倒塌過程分別如圖5、圖6所示。

圖 5 框架式酒店爆破拆除模擬倒塌過程Fig. 5 Simulated collapse process of blasting demolition of frame Hotel

圖 6 框架式酒店爆破拆除倒塌過程Fig. 6 Collapse process of demolition of a framed hotel

由圖5，圖6可得，數(shù)值模擬的切口上部的倒塌過程姿勢與實際爆破的倒塌過程姿勢高度一致。其中，數(shù)值模擬的上部結(jié)構(gòu)觸地時間為4.4 s，實際爆破的上部結(jié)構(gòu)觸地時間為4.3 s，模擬計算的效果理想。說明采用分離式共節(jié)點模型與實際爆破拆除效果能夠緊密貼合，驗證了爆破方案的合理性。根據(jù)模擬計算與實際爆破的結(jié)果可把框架式酒店倒塌過程分為切口形成階段(0.2～1.08 s)、半自由落體階段(1.08～1.4 s)、切口閉合(1.4～2.6 s)以及觸地解體(2.6～4.6 s)。這與崔曉榮通過攝影測量分析的建筑物倒塌運動過程一致[10]。為更好的分析建筑物爆破倒塌的運動狀態(tài)，選取建筑物頂端46943號單元，作出豎向速度曲線圖和豎向位移圖曲線圖，分別見圖7和圖8。

圖 7 頂層單元豎向速度曲線圖Fig. 7 Vertical velocity curve of the top element

圖 8 頂層單元豎向位移曲線Fig. 8 Vertical displacement curve of the top element

從圖7、圖8可以看出結(jié)構(gòu)在t=0.6 s之前豎向速度和豎向位移沒有明顯變化，基本以后兩排立柱做緩慢的定軸轉(zhuǎn)動。從圖7中可以看到在t=0.6 s左右時結(jié)構(gòu)豎向塌落速度明顯加快，此時與第二排立柱爆破時間基本一致，說明此時，最后一排立柱獨立承擔(dān)結(jié)構(gòu)整體重力，結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲，最后一排立柱的應(yīng)力達(dá)到材料屈服極限強度。在t=1.08 s時，最后一排爆破切口形成，結(jié)構(gòu)進(jìn)入下一階段。

從t=1.4～2.5 s時間內(nèi)為切口閉合階段，半自由落體結(jié)束后，立柱與地面碰撞后，首先在第1層和第2層立柱連接處，形成“塑性鉸”，上部結(jié)構(gòu)在以“塑性鉸”和上部結(jié)構(gòu)與地面接觸地方為軸做定軸轉(zhuǎn)動。由圖5、圖6可以看出，切口閉合階段完成時轉(zhuǎn)角已經(jīng)達(dá)到25°左右。由于結(jié)構(gòu)前面沒有柱的支撐，前方底層的梁和板首先開始觸地，對上部結(jié)構(gòu)有較強的支撐作用。從圖7、圖8可見，由于支撐的出現(xiàn)，在1.6 s結(jié)構(gòu)整體塌落速度減慢,使結(jié)構(gòu)下坐的速度不斷降低。從圖7、圖8可以看出在2.0～2.5 s時間內(nèi)，塌落速度明顯增加是因為支撐立柱在第1層和第2層連接處已經(jīng)發(fā)生破壞，傾倒力矩大于支撐部破壞截面的抵抗彎矩，第1層支撐立柱被“折斷”，上部結(jié)構(gòu)下落直至觸地。

第四階段是結(jié)構(gòu)的觸地解體階段，從圖5、圖6可以看出，在t=2.5 s左右時上部結(jié)構(gòu)與地面碰撞，從圖7、圖8可以看，在t=2.5～2.8 s時間內(nèi)結(jié)構(gòu)的豎向塌落速度沒有減慢，是由于對第4層進(jìn)行減弱爆破的作用使結(jié)構(gòu)的整體剛度降低。當(dāng)t=2.8 s左右時結(jié)構(gòu)第5層與地接觸，由于第4層沖擊撞地消耗了一部分能力，從圖7可以看出第5層的塌落速度減小。上部結(jié)構(gòu)在前兩層觸地解體后梁、柱也發(fā)生破壞作用整體剛度不斷減小，使得結(jié)構(gòu)的塌落速度趨于穩(wěn)定。隨著塌落速度的穩(wěn)定而結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動速度不斷增大，轉(zhuǎn)角越來越大。從圖7、圖8可以看出在t=4.6 s時頂部單元沖擊撞地解體，整個倒塌過程結(jié)束。

3.2 支撐區(qū)立柱受力

為了研究立柱受力情況，在第三排立柱第1層層底和第2層層底的柱內(nèi)側(cè)和外側(cè)分別選取一個混凝土單元，內(nèi)側(cè)單元為A，外側(cè)單元為B。四個單元點在結(jié)構(gòu)爆破拆除倒塌過程中的壓力時程曲線如圖9所示，負(fù)值代表受拉，正值代表受壓。選取與上面混凝土單元共節(jié)點的鋼筋單元，內(nèi)側(cè)單元為A，外側(cè)單元為B。鋼筋的應(yīng)力時程曲線如圖10所示，負(fù)值代表受壓，正值代表受拉。

圖 9 混凝土單元壓力時程曲線Fig. 9 Pressure time history curve of concrete element

圖 10 鋼筋單元應(yīng)力時程曲線Fig. 10 Stress-history curve of reinforced element

從圖9(a)、(b)中可以看出，在t=0.3 s前，第三排立柱都是受壓的，在t=0.3～0.66 s之間(0.66 s第二排立柱爆破拆除)第三排第1層立柱混凝土外側(cè)受壓，壓力在經(jīng)過0.2 s的應(yīng)力重分布后逐漸增大，內(nèi)側(cè)由受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)為受拉狀態(tài)；第2層立柱的外側(cè)受壓，內(nèi)側(cè)在t=0.5 s左右由受壓狀態(tài)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)。原因是此時第一排立柱(t=0.2 s)已起爆，根據(jù)壓桿原理[11]，懸臂部分的長度大于支撐部分的長度，上部結(jié)構(gòu)重心移出支撐區(qū)域，才會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)受力方式的變化，來平衡重力產(chǎn)生的彎矩。上部結(jié)構(gòu)，特別是底層后兩排立柱，發(fā)生微弱的平動和轉(zhuǎn)動。

在t=0.66 s后，中間排立柱已經(jīng)爆破，第1層底部外側(cè)混凝土的壓力有所減小，在經(jīng)過0.1 s左右的時間壓力又開始增大；內(nèi)側(cè)混凝土的拉力減小較快，已達(dá)到受壓狀態(tài)，經(jīng)過0.1 s的受壓狀態(tài)后又變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)；第2層立柱內(nèi)側(cè)混凝土單元的壓力經(jīng)過0.2 s的穩(wěn)定后急劇增大，外側(cè)混凝土單元的拉力較穩(wěn)定。原因是在t=0.66 s后，第二排立柱起爆，上部結(jié)構(gòu)的重力全部由最后一排立柱承擔(dān)，使得在0.66～0.8 s的時間內(nèi)最后一排立柱的拉力急劇減少，在經(jīng)過0.2 s的應(yīng)力重分布后混凝土的拉力和壓力都有所增大。

在t=1.08 s后，第三排立柱起爆后第1層底部混凝土單元被刪除，第2層立柱內(nèi)側(cè)混凝土單元受壓，外側(cè)混凝土單元受拉。這是因為t=1.08 s后，第三排立柱起爆，上部結(jié)構(gòu)整體下落，由于上部建筑還具有質(zhì)心的平移初速度和圍繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動初速度，混凝土柱觸地后，混凝土柱支撐部受沖擊反力作用，第1層和第2層立柱連接處應(yīng)力集中，形成“塑性鉸”，這是保證結(jié)構(gòu)順利倒塌的關(guān)鍵。在此階段，第1層支撐立柱向設(shè)計傾倒方向的反向傾倒，即第1層支撐立柱被“折斷”;第2層支撐立柱由于上、下兩端與梁相連，保持結(jié)構(gòu)的整體性。

從圖10(a)、(b)可以看出，由于鋼筋和混凝土共節(jié)點，在混凝土單元沒有破壞之前鋼筋和混凝土共同受力，而鋼筋單元的抗壓(拉)強度遠(yuǎn)大于混凝土的，混凝土單元受壓(拉)破壞時，鋼筋單元還沒有破壞，但與鋼筋單元共結(jié)點的混凝土單元破壞刪除后，鋼筋單元要獨立支撐上部結(jié)構(gòu)。在t=1.08 s時，爆破缺口形成，第三排立柱底部混凝土單元刪除，第1層底部鋼筋受力明顯增大，內(nèi)側(cè)鋼筋單元由受拉變?yōu)槭軌海鈧?cè)鋼筋單元壓力增加迅速；第2層內(nèi)側(cè)鋼筋受拉，外側(cè)鋼筋受壓。這是因為在1.08 s時，混凝土單元刪除，鋼筋獨立支撐上部結(jié)構(gòu)，所以第1層底部鋼筋由受拉狀態(tài)變?yōu)槭軌籂顟B(tài)。在t=1.4 s左右上部結(jié)構(gòu)觸地，第2層混凝土破壞，第2層內(nèi)側(cè)鋼筋由受拉變?yōu)槭軌海鈧?cè)由受壓變?yōu)槭芾?。這是由于在第1層和第2層連接處形成“塑性鉸”。此時上部結(jié)構(gòu)以“塑性鉸”為轉(zhuǎn)軸做倒塌運動。在后來鋼筋單元并沒有消除，而是在受拉與受壓的狀態(tài)下不斷交換。是因為鋼筋在倒塌過程中受力復(fù)雜，構(gòu)件直接不斷發(fā)生碰撞使得鋼筋在受拉與受壓的狀態(tài)下轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)論

采用分離式共節(jié)點方法對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計算，通過對爆破拆除倒塌過程和支撐立柱受力情況進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

(1)分離式共節(jié)點模型能夠有效地描述建(構(gòu))筑物的倒塌過程以及倒塌過程中支撐立柱的力學(xué)特征及響應(yīng)，其模擬結(jié)果和實際效果極為接近。通過對倒塌過程數(shù)值模擬分析可以得出此建筑物的倒塌過程分為爆破切口形成階段、自由落體階段、切口閉合階段和觸地解體階段。從圖5，圖6可以看出，在觸地解體階段由于沒有對4層以上的梁、柱進(jìn)行預(yù)處理，且后排有兩個大截面柱的支撐作用，使得上部結(jié)構(gòu)解體并不充分。而模擬中對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了部分簡化，減弱了結(jié)構(gòu)的整體的剛度，使得結(jié)構(gòu)解體充分。因此對于有大截面立柱支撐時除了保證有正確的爆破切口外，還應(yīng)該對上部結(jié)構(gòu)的梁、柱進(jìn)行減弱爆破，才能確保樓房在倒塌過程中充分解體。

(2)在上部結(jié)構(gòu)整體下落后，由于上部建筑還具有質(zhì)心的平移初速度和圍繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動初速度，混凝土柱觸地后，混凝土柱支撐部受沖擊反力作用，第1層和第2層立柱連接處應(yīng)力集中，形成“塑性鉸”，這是保證結(jié)構(gòu)順利倒塌的關(guān)鍵。從圖5，圖6可以看出建筑物在實際傾倒過程中產(chǎn)生明顯后座，是因為中間立柱截面尺寸較大爆破切口高度不大，不易破碎，頂著上部結(jié)構(gòu)向后移動。拆除爆破時，應(yīng)采用多個梯形組合的復(fù)合切口，這樣可以滿足多截面承重立柱不同爆破切口高度的需要，從而可以防止建筑物在倒塌過程中后坐現(xiàn)象的產(chǎn)生。

(3)鋼筋的失效強度比混凝土的高得多，與鋼筋單元共節(jié)點的混凝土單元失效后，由鋼筋獨立支撐上部結(jié)構(gòu)，鋼筋在倒塌過程中沒有達(dá)到屈服狀態(tài)，而是在受壓與受拉的狀態(tài)中不斷轉(zhuǎn)變，直到建筑的倒塌結(jié)束。這與實際工程相符合，能夠有效的反應(yīng)鋼筋混凝土構(gòu)件在爆破拆除時的破壞狀態(tài)，從而可以在爆破前進(jìn)行數(shù)值模擬，指導(dǎo)施工。