框架剪力墙结构的定向爆破倒塌过程＊

言志信，刘培林，叶振辉

（1.兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃 兰州 730000；2.兰州大学土木工程与力学学院，甘肃 兰州 730000）

随着城市化进程的加快，在城市现代化改造工程中爆破拆除起着越来越重要的作用，城市复杂的建筑环境对爆破拆除提出了更高的要求。以往主要通过经验进行建筑物爆破拆除设计的方法已经不能满足工程实践快速发展的要求，因此针对建筑物爆破拆除的研究更加迫切。

孙金山［1］探讨了高耸筒形建筑物的折叠爆破拆除过程，指出上下切口起爆时差是直接关系到整个方案成败的关键参数；杨国梁等［2］利用分离式模型模拟高层框筒结构建筑物的折叠爆破拆除，研究了不同切口高度和延迟时间对倒塌范围和爆堆高度的影响；崔正荣等［3］利用有限元程序对剪力墙结构原地坍塌爆破拆除过程进行模拟，指出模拟的结果与实际情况比较接近；叶振辉等［4］运用力学原理建立砖烟囱倒塌的模型，结合数值模拟进行研究，并与实际倒塌过程相对比，指出烟囱倒塌过程中的折断多发生在在距离地面1／3处和约1／2处。

建筑物爆破拆除工程自身的特性决定对每一次爆破过程进行实际实验是不可能的，而数值模拟为这一问题的解决提供了可能。本文中，以某实际工程为例，进行数值模拟，将模拟结果与工程实际进行对比，然后分析切口位置对倒塌范围的影响。

1 工程实例

1.1 工程概况

待拆除大楼为框架剪力墙结构［5］；自然地平以上16层，高约48m；主楼东西长32m，南北宽27m；柱尺寸为0.7m×0.7m。平面图如图1所示。

根据场地条件，为保证附近人员、建筑物及市政设施的安全，预定倒塌范围及实际倒塌范围如图2所示［5］。

1.2 爆破方案

图1 结构平面图Fig.1Structural plane diagram

采用定向倾倒爆破的方案，工程实例中切口位于第4～8层，切口示意图如图3所示［5］。

图2 倒塌范围示意图Fig.2Schematic drawing of collapse range

图3 切口示意图Fig.3Schematic drawing of blasting cut

2 有限元模型

2.1 材料的本构关系

模型中材料采用随动塑性材料模型［6］，它与应变率相关，可以考虑失效，可以通过设置不同的参数，较好地模拟钢筋及混凝土各自的材料特性。

2.2 建模方案

利用ANSYS／LS－DYNA有限元软件，采用2种不同的建模方式，并考虑不同位置的切口，建立5个模型，模型方案如下：

方案1：用杆系有限元模型建立三维结构模型，其中梁柱用梁单元（beam 161）建模，剪力墙及楼板采用壳单元（shell 163），切口位置及形状与上述工程实例一致。利用等效原理［7］，把钢筋的材料性能分散到混凝土当中，将两者看作一种材料分析。

方案2：采用共用节点的方法建立钢筋混凝土分离式模型［8］。其中，钢筋采用梁单元（beam 161）建模，楼板采用壳单元（shell 163），梁、柱及剪力墙的混凝土用实体单元（solid 164）；模型采用自动单面接触；切口位置及形状与上文中工程实例一致。

方案3：建模方法与方案2相同，切口位置设置于结构第3～6层。

方案4：建模方法与方案2相同，切口位置设置于结构第2～5层。

方案5：建模方法与方案2相同，切口位置设置于结构第1～4层。

方案2～5中切口形状均与实例相同，模型作了如下简化：（1）梁、柱中只设置了纵向钢筋，箍筋的作用通过调整混凝土单元的参数达到等效的目的；减少剪力墙钢筋数量，通过调整钢筋截面积达到等效的目的；电梯井采用板壳单元模拟；（2）忽略爆炸过程，不考虑爆炸的影响直接形成爆破切口。

3 模拟结果的比较与分析

3.1 倒塌过程分析

倒塌过程的模拟如图4所示。切口形成后，结构在重力作用下开始偏转，首先压坏倒塌方向上保留的剪力墙，结构开始后座，然后在最后一排柱形成活动铰，结构翻转倒塌。5个方案中，倒塌时间均在6.5s左右。

方案1～2的模拟效果表明：倒塌过程大致相同，方案1中模型由于单元简单，网格较大，在触地后几乎没有飞散物；方案2的模拟过程中则有明显碎块飞出，结构触地后，可以看见混凝土剥离钢筋表面的现象，这与实际是相符的。因此，模拟效果表明分离式模型比整体式模型更贴近实际。

方案2、3、4、5切口的位置依次降低，通过对比发现，结构的破碎程度从方案2至方案5依次增大，这是由于倒塌结构的势能依次增大。

图4 倒塌过程模拟结果Fig.4Simulation results of collapse process

3.2 倒塌范围的比较

在模拟倒塌完成后，分别选取前、后堆积物外沿的单元输出其水平位移曲线，如图5所示。

如图1～2所示，本文中后座距离为结构从轴线A往南的位移；倒塌方向上的前冲距离为结构从轴线F往北的位移（以下简称前冲距离）。根据以上单元在结构上的位置，结合单元位移曲线图（见图5）。分别计算得出5个方案中结构各自的后座位移及前冲距离，方案1～5的后座距离分别为1.92、4.01、5.72、6.01、3.94m，前冲距离分别为38.01、42.53、47.57、51.79、55.84m。

如图2所示，工程实例中的前冲位移为41.5m。通过工程实例的比较，方案1模拟的误差为8.4%，方案2模拟的误差为2.5%。表明数值模拟能较好地与实际相吻合，并且分离式模型更贴近实际。另外，装药爆破前第2跨东侧部分的电梯井剪力墙的预处理未进行完毕，留有少量剪力墙体，而西侧剪力墙处理充分，所以导致了整座楼房偏西倒塌的现象［5］。

由计算得到的方案1～5的后座距离和前冲距离可知：第1，结构的后座位移随切口位置的下移有增大的趋势，这是由于切口下移使得势能增加，方案5后座位移反而减小是由于切口位于底层，其下方有地面的约束；第2，前冲距离会随切口位置的下移而增加，且大致呈线性变化，主要是由于切口位置下移使得转动铰位置下移，从而上部结构绕该铰转动的高度增加。

图5 单元位移曲线图Fig.5Element displacement graphs

3.3 钢筋和混凝土单元应力分析

在方案2模型中，在最后一排柱的第4层处取一钢筋单元，并在相应位置取一混凝土单元，输出的应力时程曲线如图6所示。

因为钢筋的抗拉屈服应力远大于混凝土，实际倒塌过程中大部分钢筋并不会屈服。从图6（a）中可以看出，整个倒塌过程钢筋都没有屈服，这与实际是相符的。在t＝1.72s时，钢筋单元最大压应力为0.21GPa；在t＝1.15s时，混凝土单元达到最大压应力，之后就失效被删除了。

图6 钢筋和混凝土单元应力时程曲线Fig.6Stress curves of reinforcement and concrete elements

4 结 论

通过采用不同的有限元模型对某高层框－剪结构倒塌过程进行数值模拟研究，并与实际工程相对比，得出以下结论：

（1）从整体式与分离式2种方案的模拟结果看，误差均在10%以内，均能较好地与实际相吻合，这对爆破拆除工程具有指导意义。分离式模型更贴近实际，整体式模型网格划分简单、计算时间短；2种建模方法各有优势，可以根据模拟的具体要求，灵活地选择不同的建模方式。

（2）分离式模型能反映混凝土和钢筋力学性能上的差异，通过应力时程曲线可以考察钢筋和混凝土的力学性能状态。

（3）通过方案2～5的模拟，发现切口位置上移会造成以下结果：第1，能有效地减少结构的前冲距离；第2，结构触地后的破碎程度会相应降低。这是一个相互影响的过程，因此，爆破切口的位置应该在一个合理的范围内。

（4）在爆破切口形状相同的情况下，后座距离会随结构倒塌的初始势能的增加而增加。

［1］孙金山.高耸（高层）建筑物拆除爆破倒塌过程模拟［D］.武汉：武汉大学，2005.

［2］杨国梁，杨军，姜琳琳.框－筒结构建筑物的折叠爆破拆除［J］.爆炸与冲击，2009，29（4）：380－384.

YANG Guo－liang，YANG Jun，JIANG Lin－lin.Numerical simulations on fold blasting demolition of frame－tube structures［J］.Explosion and Shock Waves，2009，29（4）：380－384.

［3］崔正荣，赵明生，杜明照.剪力墙结构原地坍塌爆破拆除数值模拟［J］.爆破，2009，26（1）：62－64.

CUI Zheng－rong，ZHAO Ming－sheng，DU Ming－zhao.Numerical simulation for blasting demolition of shear－wall blasting structure collapse in situation［J］.Blasting，2009，26（1）：62－64.

［4］叶振辉，言志信.砖烟囱定向爆破拆除倾倒过程研究［J］.工程爆破，2010，16（1）：16－19.

YE Zhen－hui，YAN Zhi－xin.Research on brick chimney collapsing process by directional blasting demolition［J］.Engineering Blasting，2010，16（1）：16－19.

［5］赵红宇，王守祥，刘云剑，等.高层框架剪力墙结构楼房的控制爆破拆除［J］.爆破，2008，25（2）：53－56.

ZHAO Hong－yu，WANG Shou－xiang，LIU Yun－jian，et al.Demolition of a high framed shear－wall structure by controlled blasting［J］.Blasting，2008，25（2）：53－56.

［6］尚晓江，苏建宇，王化锋.ANSYS／LS－DYNA动力分析方法与工程实例［M］.第2版.北京：中国水利水电出版社，2008.

［7］刘世波.百米以上钢筋混凝土烟囱拆除爆破研究［D］.北京：铁道科学研究院，2004.

［8］周宁.ANSYS－APDL高级工程应用实例分析与二次开发［M］.北京：中国水利水电出版社，2007.