22層框架樓房定向爆破拆除倒塌過程分析*

葉海旺,李 慶,鄭長青,戴 霖,鄭宗棋,DAHE Monyegni Ghislain

(1.武漢理工大學 資源與環(huán)境工程學院，武漢 430070；2.礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點實驗室，武漢 430070；3.珠海爆破新技術(shù)開發(fā)有限公司，珠海 519000；4.惠州中特特種爆破技術(shù)工程有限公司，惠州 516000)

目前爆破拆除成為高大建(構(gòu))筑物拆除的首選方式，而城鎮(zhèn)拆除爆破周圍環(huán)境復雜，對施工安全、環(huán)保的要求的提高，給爆破拆除帶來了新的挑戰(zhàn)[1,2]。爆破拆除的設(shè)計依賴于工程經(jīng)驗，為了優(yōu)化爆破方案，提高爆破的安全性和可靠性，可采用數(shù)值模擬的方法對爆破方案進行優(yōu)化。

崔正榮等為了確定原地坍塌爆破方案的最小爆破高度[3]，用LS-DYNA進行了模擬，確定了最佳的爆破高度，并用于工程實踐，取得了較好的效果；蒙云琪等用ANSYS/LS-DYNA對原地倒塌略前傾和單向折疊倒塌兩種方案進行了模擬分析[4]，并對爆破方案的參數(shù)就進行了優(yōu)化，確定了最佳的爆破方案；張建華等用ANSYS/LS-DYNA對冷卻塔爆破拆除的傳統(tǒng)爆破技術(shù)和小缺口爆破技術(shù)進行了模擬[5]，對比分析了倒塌范圍和觸地震動，發(fā)現(xiàn)小缺口爆破技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)爆破技術(shù)。

盡管很多學者對爆破拆除的數(shù)值模擬做了很多工作，但是，對于判斷數(shù)值模擬結(jié)果與真實情況是否相符，大多是進行爆堆參數(shù)對比，對于倒塌過程的分析很少，而倒塌過程的運動參數(shù)對于研究倒塌機理具有重要意義。部分學者采用攝影技術(shù)來獲取建筑物的運動參數(shù)，崔曉榮使用近景攝影測量技術(shù)對建筑物的倒塌過程進行測量分析[6]，通過圖像分析和數(shù)據(jù)處理獲得倒塌過程的動力學參數(shù)，測量精度滿足工程要求。鄭長青等使用高級數(shù)碼相機從不同角度對鋼筋混凝土煙囪的倒塌過程拍攝了數(shù)百張照片[7]，從轉(zhuǎn)角、角速度、角加速度等物理量定量分析了煙囪倒塌過程的運動狀態(tài)。

首先用ANSYS/LS-DYNA對不用延期時間的爆破方案進行了模擬，確定了最佳的延期時間，并用于工程實踐，通過近景攝影，獲取建筑物的運動參數(shù)，對比分析模擬結(jié)果與實際的運動軌跡、爆堆范圍等參數(shù)，證明了模擬結(jié)果是真實可靠的。

1 工程概況

1.1 基本情況

龍川縣麻布崗鎮(zhèn)遠東花園第四棟建筑物系違章建筑，存在安全隱患，需進行爆破拆除。待拆除樓房為22層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，總建筑面積16998 m2。主樓長26.6 m，寬25 m，高71.2 m，地下室2層，地面20層，1樓高3.4 m，2樓高3.2 m，3樓高5.0 m，4樓高3.8 m，5～22樓每層高3.1 m。緊挨著高層樓房有一4層的裙樓，長32 m，寬25 m，高15.4 m。

1.2 環(huán)境特點

待拆除樓房東面65 m處為一層平頂鐵皮房，南面5 m處有一棟3層樓別墅，35 m有一棟2層住宅，東南面30 m處有一棟4層住宅，42 m處有一棟16層高樓，西面與西北面68 m處有三棟教學樓，北面為空地，如圖1所示，周圍環(huán)境較復雜。

圖 1 周圍環(huán)境示意圖(單位：m)Fig. 1 Schematic diagram of surroundings(unit:m)

1.3 結(jié)構(gòu)特點

樓房為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，南北方向為5排立柱，東西方向為4排立柱。承重柱有4種規(guī)格，截面尺寸為120 cm×60 cm、100 cm×60 cm、100 cm×40 cm和60 cm×60 cm，梁有2種規(guī)格，截面尺寸為85 cm×30 cm和70 cm×24 cm。1～4層保留西側(cè)和南側(cè)一跨裙樓，5～22層為H型結(jié)構(gòu)，如圖2所示。承重柱橫截面鋼筋分布如圖3所示。

圖 2 結(jié)構(gòu)平面圖(單位：m)Fig. 2 Planar graph of structure(unit:m)

圖 3 立柱鋼筋分布圖(單位：cm)Fig. 3 Diagram of column reinforcement(unit:cm)

2 爆破方案

2.1 爆破定向倒塌方向的選擇

考慮東面65 m處有需要保護的平房，南邊距離5 m處有一棟別墅，西面68 m處有教學樓及需重點保護的農(nóng)田，只有北邊有足夠定向倒塌的空地，根據(jù)周邊環(huán)境對比確定，采用向北定向倒塌的爆破拆除方案。

2.2 爆破缺口

采用梯形爆破缺口，缺口高度13.5 m，缺口傾角36°。見圖4。

圖 4 爆破缺口示意圖Fig. 4 Schematic diagram of blasting incision

3 不同延期時間的數(shù)值模擬

3.1 建立模型

為了確定最佳的排間延期時間，采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對框架結(jié)構(gòu)樓房的倒塌進行數(shù)值模擬，分析排間不同延期時間間隔對建筑物爆破拆除效果的影響，分別建立排間延期時間300 ms、500 ms和800 ms三種模型，模型進行了一定的簡化處理。

鋼筋混凝土計算模型一般分為分離式、組合式和整體式。李清為了驗證LS-DYNA中材料MAT_BRITTLE_DAMAGE的本構(gòu)關(guān)系在模擬中的準確性[8]，對該材料定義的單個單元進行測試，發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力-應(yīng)變曲線和破壞規(guī)律都與混凝土比較復合，并采用整體式建模模擬了建筑物的倒塌，模擬結(jié)果與實際接近。張明[9]、李祥龍用同種材料采用整體式建模方法對建筑物的爆破拆除進行了數(shù)值模擬[10]，都取得了較好的效果。

本次采用整體式模型對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行建模,單元類型為SOLID164,采用六面體網(wǎng)格劃分，單元數(shù)為77794。樓房材料選用*MAT_BRITTLE_DAMAGE，這種材料模型可以定義鋼筋混凝土復合材料，可以設(shè)置鋼筋和混凝土的各項參數(shù)和配筋率，主要參數(shù)如表1。地面采用剛性材料RIGID,接觸方式為AUTOMATIC_GENERAL全局自動接觸，摩擦系數(shù)為0.5，對與地面接觸的樓房立柱節(jié)點施加位移約束，使用關(guān)鍵字*LOAD_GRAVITY_PART給樓房施加重力，用關(guān)鍵字*DEFINE_ELEMENT_DEATH_SOLID_SET控制單元失效時間模擬爆破缺口的形成，添加關(guān)鍵字*ADD_EROSION模擬結(jié)構(gòu)在觸地時的解體。

表1 鋼筋混凝土材料參數(shù)Table 1 Material parameter of reinforced concrete

3.2 倒塌效果對比

分別采用300 ms、500 ms和800 ms排間延期時間間隔對進行了模擬，模擬結(jié)果如圖5所示，爆堆參數(shù)如表2。

圖 5 不同延期時間爆破效果對比Fig. 5 Comparison of different delay time

表2 不同延期時間爆堆尺寸Table 2 Blasting muck pile size of different delay time

根據(jù)模擬結(jié)果，采用排間延期時間為300 ms、500 ms和800 ms的方案時，樓房倒塌過程中后方裙樓都產(chǎn)生了不同程度的后座，分別為1.9 m、4.1 m、6.1 m。樓房可以按照設(shè)計向預期方向傾倒，在倒塌過程中充分解體，有利于減小觸地震動。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，排間延期時間間隔時間為300ms的爆破方案最能滿足實際需要，故本次爆破選擇此方案。

4 結(jié)果分析

4.1 傾倒過程分析

為了精確觀測樓房爆破傾倒過程中爆破缺口的形成、樓房運動姿態(tài)和運動軌跡、觸地破壞等過程，采用佳能1DX、7D、5D高級數(shù)碼相機在不同位置連續(xù)抓拍了數(shù)百張照片，并用無人機在樓房上方、高清攝像機在西北側(cè)同時拍攝視頻，獲得了大量科研數(shù)據(jù)。使用影像處理軟件，對樓房傾倒過程進行分析。

根據(jù)現(xiàn)場拍攝的影像資料，樓房倒塌歷時約7.5 s，數(shù)值模擬樓房倒塌歷時約7.2 s，樓房的倒塌過程與實際倒塌過程基本一致，圖6為實際倒塌過程與模擬倒塌過程對比。

4.2 運動軌跡分析

對于對稱結(jié)構(gòu)建筑物的定向傾倒爆破拆除，可以看作豎直方向和沿傾倒方向構(gòu)成平面的二維運動。單機攝影時，攝影方向垂直于傾倒平面，正對建筑物可獲得觀測點二維坐標。雙機、多機呈一定角度同步攝影可以解析三維空間坐標[6]。

在與建筑物傾倒方向垂直傾倒平面攝影測量，攝影時保證攝影設(shè)備固定，拍攝照片間隔時間相等。在樓房側(cè)面選取3個觀測點如圖7所示，通過連拍照片和圖像處理軟件分析不同時刻觀測點位移變化。取傾倒方向為水平正方向，豎直向下為豎直正方向。以導爆管產(chǎn)生起爆火花時刻為起爆時刻，每隔0.2 s記錄一次觀測點水平方向位移和豎直方向位移。在數(shù)值模擬后處理軟件lsprepost中輸出與觀測點對應(yīng)的節(jié)點的水平方向位移和豎直方向位移，與實際觀測的位移進行對比，繪制時間位移圖，如圖8。

圖 6 樓房倒塌過程Fig. 6 Collapse of buildings

圖 7 位移觀測點位置Fig. 7 Position of displacement observation point

圖 9 爆堆對比圖Fig. 9 Comparison of blasting muck pile

根據(jù)倒塌過程照片和觀測點時間位移曲線，樓房倒塌主要分為爆破缺口形成、結(jié)構(gòu)繞鉸點轉(zhuǎn)動、下座、向前傾倒、觸地解體五個階段。在爆破缺口和塑性鉸形成后，結(jié)構(gòu)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，下部支座發(fā)生破壞，上部結(jié)構(gòu)開始下座和后座，主樓后座距離1.6 m，西面和南面一跨裙樓受主樓下座產(chǎn)生的拉力向內(nèi)傾倒，3 s時前跨觸地，爆破缺口閉合，觸地之后下部結(jié)構(gòu)被壓碎，結(jié)構(gòu)繼續(xù)下座，下座高度約為19 m，隨后結(jié)構(gòu)向前傾倒，傾倒過程中下部結(jié)構(gòu)觸地時發(fā)生剪切破壞，直至倒塌結(jié)束。

數(shù)值模擬倒塌過程和觀測點運動軌跡與樓房實際倒塌過程和觀測點運動軌跡十分接近，時程曲線中模擬位移與實際位移略有偏差的主要原因是進行圖片處理時沒有消除攝影傾斜誤差，在高處觀測點產(chǎn)生位移偏差，并且模擬結(jié)果與實際倒塌在傾倒時間上相差0.3 s。

4.3 爆堆范圍分析

從現(xiàn)場爆堆情況來看，樓房在觸地時充分解體，并且基本沒有產(chǎn)生后座，很好地保護了后方僅隔5 m的建筑物。模擬結(jié)果的爆堆形狀與實際爆堆形狀非常相似，爆堆如圖9所示，實際爆堆與模擬爆堆尺寸對比如表3。

表3 實際效果與模擬效果對比Table 3 Comparison of actual effect and simulation effect

5 結(jié)論

通過對22層鋼筋混凝土框架樓房定向爆破拆除不同排間延期時間的數(shù)值模擬和現(xiàn)場的攝影觀測，對比分析倒塌過程、運動軌跡、解體程度、爆堆范圍等，得出如下結(jié)論：

(1)采用ANSYS/LS-DYNA對排間延期時間分別為300 ms、500 ms和800 ms三種方案進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明采用300ms延期時間時爆破效果最好。

(2)通過攝影觀察，樓房采用定向傾倒的倒塌方式，倒塌過程主要分為爆破缺口形成、結(jié)構(gòu)繞鉸點轉(zhuǎn)動、下座、向前傾倒、觸地解體五個階段。

(3)利用影像設(shè)備，獲得了建筑物的運動參數(shù)，并與模擬進行對比，二者在倒塌姿態(tài)、觀測點運動軌跡、解體情況、爆堆范圍十分接近，攝影分析可為爆破拆除數(shù)值模擬的準確性的驗證提供新方法。