小高宽比框架结构建筑物拆除爆破数值模拟分析

王 铁 刘 伟 李洪伟

(1.广东宏大爆破股份有限公司；2.安徽理工大学化学工程学院)

小高宽比框架结构建筑物拆除爆破数值模拟分析

王 铁1刘 伟2李洪伟2

(1.广东宏大爆破股份有限公司；2.安徽理工大学化学工程学院)

爆破切口参数对爆破拆除倒塌效果具有重要影响。结合工程案例，采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析程序建立了12层小高宽比框架结构建筑物爆破拆除倒塌的数值分析模型。建筑物梁、柱采用beam单元建模，楼板采用shell单元建模，钢筋混凝土简化为各向同性均质材料，采用随动硬化材料模型，地面采用solid单元、刚体材料模型。对不同切口方案的爆破效果进行了模拟分析。数值模拟及实际爆破效果表明，一定的切口高度是实现建筑物倒塌的必要但非充分条件，应结合合理的预处理及延期间隔获得理想的爆破效果。

框架结构 爆破拆除 切口参数 数值模拟

定向倒塌是建筑物控制爆破中最基本的一种拆除形式，其原理是用三角形爆破切口，控制支持立柱起爆顺序，让整个建筑物绕某一定轴旋转一个倾角后失稳倒塌，冲击地面而解体。爆破切口是实现建筑物按预定方案倒塌的关键，对于高宽比较小的建筑物，爆破切口形成后，重心不容易移出，较难实现理想的倒塌效果，因此该类建筑物爆破切口参数值得深入研究。结合工程案例，采用数值模拟方法，从切口高度、延期间隔、预处理措施等方面探讨小高宽比建筑物的爆破拆除。

1 定向倾倒爆破

图1 定向爆破缺口示意

2 应用实例

2.1 工程概况

需要爆破拆除的建筑物为框架结构，共有12层，一层高6 m，其余各层高3 m，每层共有48根立柱，立柱截面尺寸分别为1.4 m×0.8 m、1.2 m×1.2 m，梁的截面尺寸为0.8 m×0.4 m，楼板厚0.11 m，没有隔墙，电梯井大部分被预先拆除。楼体宽32 m，长52 m。结构平面见图2。

图2 结构平面

2.2 爆破方案

拟对该建筑物实施定向爆破拆除，向东倒塌，该建筑物高宽比为1.125，不满足重心移出条件，必须合理设计爆破切口高度、预处理部位及延期间隔。具体切口参数为：①缺口高23 m，切口范围为7层；②采用半秒延期雷管，合理设置起爆顺序；③沿倒塌方向，7层以内的梁上布置炸点；④爆破前，在第4、5排立柱间，从1～12层开凿20 cm宽的预处理切缝，见图3。

图3 爆破切口示意

2.3 有限元模型

采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件整体建模方法，考虑结构的对称性建立框架结构的1/2模型，采用beam单元建立梁和柱，shell单元建立楼板单元，材料模型为多段线形弹塑性材料。爆破前各楼层的大部分隔墙尚未施工，电梯井已被预先拆除，因而模型中不建立隔墙单元。地面假设为刚体，采用solid164单元建模。

3 数值模拟结果

3.1 爆破拆除数值模拟结果

起爆后，在重力及延期间隔的作用下，楼房沿切割缝分为2部分，运动状态区别明显，前半部分近似自由落体，后半部分转体倾倒，整个过程持续约6 s，倒塌解体充分。数值模拟过程基本反映了倒塌过程中各部分的运动状态，在倒塌经历时间，倒塌长度，堆积高度等方面与真实情况吻合较好，爆破过程数值模拟结果见图4。

图4 爆破数值模拟效果

3.2 爆破切口高度对倒塌效果的影响

在不改变原有模型的基础上，模拟了三角形切口高度分别为9 m(2层)、15 m(4层)、23 m(7层)的爆破方案，切口内立柱同时起爆，切口以外部分不做处理，数值模拟结果见表1。

表1 不同方案的爆破数值模拟结果

由表1及相关数值模拟结果可知：①切口高度为23 m时，爆破堆积高度最小，但后坐距离较大；②切口高度为15 m时，虽不满足重心移出条件，但切口形成后造成的初始垂直塌落运动使得梁柱结合部位破坏，形成铰接，建筑物由常静定结构转化为静不定结构，在重力及惯性运动下仍可实现定向倒塌；③当切口高度较小时，容易导致爆而不倒；④采用延期起爆网络、预留切割缝、增加爆破部位等措施，可以减少倒塌长度和后坐距离。

4 结 论

(1)对于小高宽比建筑物，应合理设计切口高度和延期间隔，一定的切口高度是实现建筑物倾倒、构件破坏以及触地撞击破碎的必要条件；合理的延期间隔，不但可以使建筑物内部形成强大的破坏弯矩，还可以使未爆部分的构件产生局部大变形，解体更充分，使建筑物倒塌更彻底。

(2)切口高度和延期间隔对改善建筑物爆破效果、提高爆破安全有重要影响，应进一步研究切口高度与延期间隔共同作用的机理。

2015-05-29)

王 铁(1981—)，男，工程师，510623 广东省广州市珠江新城华夏路49号。