多截面承重立柱框架结构爆破拆除数值模拟研究*

高文乐，李元振，赵德龙，张泽华

(1.山东科技大学 土木工程与建筑学院，青岛 266590；2.中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院，青岛 266580)

由于钢筋混凝土框架酒店一般建于人口稠密地区，周边环境复杂、保护对象多等因素构成了城市复杂的建筑拆除环境，因此对爆破拆除提出了更高的要求。以往主要通过工程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，因此需要开展建筑物爆破拆除的数值模拟研究来填补工程经验指导的不足。为此国内外学者开展了框架结构建筑物爆破拆除过程的研究。言至信等通过整体式建模和分离式建模与实际工程的对比发现，分离式模型模拟的效果更贴近实际[1]；余德运等分析了倒塌过程中钢筋混凝土支撑立柱内侧和外侧的钢筋单元、混凝土单元的承载失效过程[2]；吴建宇、贾永胜、谢先启、李清等利用ANSYS /LS-DYNA 有限元程序对楼房塌落过程进行了数值模拟[3-6]；王涛等对六层框架结构建筑在爆炸荷载下，采用分离式共节点钢筋混凝土模型对爆破拆除过程进行了数值模拟[7]。依托框架式酒店定向爆破拆除工程，采用摄像技术对酒店失稳倒塌过程进行监测，并对该酒店倒塌过程进行了数值模拟分析，以此探究框架式酒店的倒塌过程以及后排立柱混凝土和钢筋的受力情况，为类似框架结构的爆破拆除工程提供一定的参考。

1 工程概况

1.1 周边环境

待拆除蓝天大酒店北侧75 m为长江路；东侧113 m为珠江路；西南侧50 m为需要保留的平房，南侧88 m为待拆除楼房；西侧距离二层锅炉房15 m，距离办公楼30 m，周边环境见图1。

图 1 周边环境(单位：m)Fig. 1 Surrounding environment(unit:m)

1.2 结构特点

蓝天大酒店主体结构8层(局部10层，层高3.6 m)，1层层高3.9 m，2～8层层高3.6 m，框架结构，高36.4 m，东西长95.3 m，南北宽17.3 m，建筑面积13 000 m2。主体建筑物南侧东西两端各有3层附楼，建筑物中间进出口位置有顶棚。建筑物主体结构东西向共16排立柱，跨度为7.8 m，南北向3排立柱，跨度为8.6 m，单层共计48根承重框架立柱。立柱断面尺寸为0.7 m×0.7 m、0.85 m×0.85 m和1.4 m×0.675 m，梁断面尺寸为0.4 m×0.4 m，楼板厚0.2 m。立柱分布图见图2。

图 2 立柱分布图(单位：m)Fig. 2 Column distribution(unit:m)

1.3 爆破方案

根据待拆除酒店的特点，采用1～3层各设立爆破切口，形式为三角形(1层切口最大高度3.9 m、2层切口最大高度3.6 m、3层切口最大高度3.0 m)，爆破切口最大处10.5 m。对南侧第一排立柱，在第4层立柱下部1.5 m进行减弱爆破。采用由南向北依次爆破，第一排立柱瞬时起爆，第二排立柱延时0.46 s起爆，第三排立柱延时0.88 s起爆。各爆区立柱切口高度见图3所示。

图 3 爆破切口(单位：m)Fig. 3 Blasting cut(unit:m)

2 有限元模型

2.1 计算模型建立

海天大酒店有限元模型按照实际结构尺寸建立，为了能够体现立柱受力及倒塌过程，采用分离式共节点模型。梁、柱和地面采用SOLID164单元，钢筋采用Beam161单元，板采用shell163单元，六面体映射网格划分。为保证计算准确将楼体的网格尺寸设为0.2 m，整个模型单元数为344 703。考虑到模型复杂，在不影响计算精度的情况下对模型进行了适当简化：不考虑混凝土保护层的作用；不加入梁、柱箍筋，但适当调高混凝土的强度；把上部墙体的重量等效到混凝土板中；最后把地面设置成刚体。结构实体与模型如图4所示。

2.2 材料及接触方式

混凝土和钢筋均采用塑性随动硬化材料，材料的物理力学参数如表1所示。通过关键字*MAT_ADD_EROSION控制建筑物爆破切口的形成，以及在倒塌过程中混凝土材料的失效，钢筋失效通过定义材料自带的FS参数控制。由于建筑物在倒塌过程中的接触非常复杂，因此选用CONTACT_ERODING_SINGLE_SURFACE定义混凝土单元之间以及混凝土单元和地面的接触；选用CONTACT_NODES_TO_SURFACE定义钢筋与地面的接触[8,9]，以防止钢筋穿透地面。模拟时设定的材料的静摩擦系数和动摩擦系数为0.6。

表 1 材料的物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of materials

3 数值模拟结果及分析

3.1 倒塌过程

采用LS-PrePost对数值模拟的结果进行后处理，然后将1 s作为时间间隔对建筑物数值模拟与实际爆破的倒塌过程进行截图处理并比较，最后以建筑物最顶层触地破碎为结束时刻，模拟倒塌过程和实际爆破倒塌过程分别如图5、图6所示。

图 5 框架式酒店爆破拆除模拟倒塌过程Fig. 5 Simulated collapse process of blasting demolition of frame Hotel

图 6 框架式酒店爆破拆除倒塌过程Fig. 6 Collapse process of demolition of a framed hotel

由图5，图6可得，数值模拟的切口上部的倒塌过程姿势与实际爆破的倒塌过程姿势高度一致。其中，数值模拟的上部结构触地时间为4.4 s，实际爆破的上部结构触地时间为4.3 s，模拟计算的效果理想。说明采用分离式共节点模型与实际爆破拆除效果能够紧密贴合，验证了爆破方案的合理性。根据模拟计算与实际爆破的结果可把框架式酒店倒塌过程分为切口形成阶段(0.2～1.08 s)、半自由落体阶段(1.08～1.4 s)、切口闭合(1.4～2.6 s)以及触地解体(2.6～4.6 s)。这与崔晓荣通过摄影测量分析的建筑物倒塌运动过程一致[10]。为更好的分析建筑物爆破倒塌的运动状态，选取建筑物顶端46943号单元，作出竖向速度曲线图和竖向位移图曲线图，分别见图7和图8。

图 7 顶层单元竖向速度曲线图Fig. 7 Vertical velocity curve of the top element

图 8 顶层单元竖向位移曲线Fig. 8 Vertical displacement curve of the top element

从图7、图8可以看出结构在t=0.6 s之前竖向速度和竖向位移没有明显变化，基本以后两排立柱做缓慢的定轴转动。从图7中可以看到在t=0.6 s左右时结构竖向塌落速度明显加快，此时与第二排立柱爆破时间基本一致，说明此时，最后一排立柱独立承担结构整体重力，结构发生屈曲，最后一排立柱的应力达到材料屈服极限强度。在t=1.08 s时，最后一排爆破切口形成，结构进入下一阶段。

从t=1.4～2.5 s时间内为切口闭合阶段，半自由落体结束后，立柱与地面碰撞后，首先在第1层和第2层立柱连接处，形成“塑性铰”，上部结构在以“塑性铰”和上部结构与地面接触地方为轴做定轴转动。由图5、图6可以看出，切口闭合阶段完成时转角已经达到25°左右。由于结构前面没有柱的支撑，前方底层的梁和板首先开始触地，对上部结构有较强的支撑作用。从图7、图8可见，由于支撑的出现，在1.6 s结构整体塌落速度减慢,使结构下坐的速度不断降低。从图7、图8可以看出在2.0～2.5 s时间内，塌落速度明显增加是因为支撑立柱在第1层和第2层连接处已经发生破坏，倾倒力矩大于支撑部破坏截面的抵抗弯矩，第1层支撑立柱被“折断”，上部结构下落直至触地。

第四阶段是结构的触地解体阶段，从图5、图6可以看出，在t=2.5 s左右时上部结构与地面碰撞，从图7、图8可以看，在t=2.5～2.8 s时间内结构的竖向塌落速度没有减慢，是由于对第4层进行减弱爆破的作用使结构的整体刚度降低。当t=2.8 s左右时结构第5层与地接触，由于第4层冲击撞地消耗了一部分能力，从图7可以看出第5层的塌落速度减小。上部结构在前两层触地解体后梁、柱也发生破坏作用整体刚度不断减小，使得结构的塌落速度趋于稳定。随着塌落速度的稳定而结构的转动速度不断增大，转角越来越大。从图7、图8可以看出在t=4.6 s时顶部单元冲击撞地解体，整个倒塌过程结束。

3.2 支撑区立柱受力

为了研究立柱受力情况，在第三排立柱第1层层底和第2层层底的柱内侧和外侧分别选取一个混凝土单元，内侧单元为A，外侧单元为B。四个单元点在结构爆破拆除倒塌过程中的压力时程曲线如图9所示，负值代表受拉，正值代表受压。选取与上面混凝土单元共节点的钢筋单元，内侧单元为A，外侧单元为B。钢筋的应力时程曲线如图10所示，负值代表受压，正值代表受拉。

图 9 混凝土单元压力时程曲线Fig. 9 Pressure time history curve of concrete element

图 10 钢筋单元应力时程曲线Fig. 10 Stress-history curve of reinforced element

从图9(a)、(b)中可以看出，在t=0.3 s前，第三排立柱都是受压的，在t=0.3～0.66 s之间(0.66 s第二排立柱爆破拆除)第三排第1层立柱混凝土外侧受压，压力在经过0.2 s的应力重分布后逐渐增大，内侧由受压状态转为受拉状态；第2层立柱的外侧受压，内侧在t=0.5 s左右由受压状态变为受拉状态。原因是此时第一排立柱(t=0.2 s)已起爆，根据压杆原理[11]，悬臂部分的长度大于支撑部分的长度，上部结构重心移出支撑区域，才会产生结构受力方式的变化，来平衡重力产生的弯矩。上部结构，特别是底层后两排立柱，发生微弱的平动和转动。

在t=0.66 s后，中间排立柱已经爆破，第1层底部外侧混凝土的压力有所减小，在经过0.1 s左右的时间压力又开始增大；内侧混凝土的拉力减小较快，已达到受压状态，经过0.1 s的受压状态后又变为受拉状态；第2层立柱内侧混凝土单元的压力经过0.2 s的稳定后急剧增大，外侧混凝土单元的拉力较稳定。原因是在t=0.66 s后，第二排立柱起爆，上部结构的重力全部由最后一排立柱承担，使得在0.66～0.8 s的时间内最后一排立柱的拉力急剧减少，在经过0.2 s的应力重分布后混凝土的拉力和压力都有所增大。

在t=1.08 s后，第三排立柱起爆后第1层底部混凝土单元被删除，第2层立柱内侧混凝土单元受压，外侧混凝土单元受拉。这是因为t=1.08 s后，第三排立柱起爆，上部结构整体下落，由于上部建筑还具有质心的平移初速度和围绕质心的转动初速度，混凝土柱触地后，混凝土柱支撑部受冲击反力作用，第1层和第2层立柱连接处应力集中，形成“塑性铰”，这是保证结构顺利倒塌的关键。在此阶段，第1层支撑立柱向设计倾倒方向的反向倾倒，即第1层支撑立柱被“折断”;第2层支撑立柱由于上、下两端与梁相连，保持结构的整体性。

从图10(a)、(b)可以看出，由于钢筋和混凝土共节点，在混凝土单元没有破坏之前钢筋和混凝土共同受力，而钢筋单元的抗压(拉)强度远大于混凝土的，混凝土单元受压(拉)破坏时，钢筋单元还没有破坏，但与钢筋单元共结点的混凝土单元破坏删除后，钢筋单元要独立支撑上部结构。在t=1.08 s时，爆破缺口形成，第三排立柱底部混凝土单元删除，第1层底部钢筋受力明显增大，内侧钢筋单元由受拉变为受压，外侧钢筋单元压力增加迅速；第2层内侧钢筋受拉，外侧钢筋受压。这是因为在1.08 s时，混凝土单元删除，钢筋独立支撑上部结构，所以第1层底部钢筋由受拉状态变为受压状态。在t=1.4 s左右上部结构触地，第2层混凝土破坏，第2层内侧钢筋由受拉变为受压，外侧由受压变为受拉。这是由于在第1层和第2层连接处形成“塑性铰”。此时上部结构以“塑性铰”为转轴做倒塌运动。在后来钢筋单元并没有消除，而是在受拉与受压的状态下不断交换。是因为钢筋在倒塌过程中受力复杂，构件直接不断发生碰撞使得钢筋在受拉与受压的状态下转变。

4 结论

采用分离式共节点方法对钢筋混凝土结构进行建模计算，通过对爆破拆除倒塌过程和支撑立柱受力情况进行分析，得出如下结论：

(1)分离式共节点模型能够有效地描述建(构)筑物的倒塌过程以及倒塌过程中支撑立柱的力学特征及响应，其模拟结果和实际效果极为接近。通过对倒塌过程数值模拟分析可以得出此建筑物的倒塌过程分为爆破切口形成阶段、自由落体阶段、切口闭合阶段和触地解体阶段。从图5，图6可以看出，在触地解体阶段由于没有对4层以上的梁、柱进行预处理，且后排有两个大截面柱的支撑作用，使得上部结构解体并不充分。而模拟中对结构进行了部分简化，减弱了结构的整体的刚度，使得结构解体充分。因此对于有大截面立柱支撑时除了保证有正确的爆破切口外，还应该对上部结构的梁、柱进行减弱爆破，才能确保楼房在倒塌过程中充分解体。

(2)在上部结构整体下落后，由于上部建筑还具有质心的平移初速度和围绕质心的转动初速度，混凝土柱触地后，混凝土柱支撑部受冲击反力作用，第1层和第2层立柱连接处应力集中，形成“塑性铰”，这是保证结构顺利倒塌的关键。从图5，图6可以看出建筑物在实际倾倒过程中产生明显后座，是因为中间立柱截面尺寸较大爆破切口高度不大，不易破碎，顶着上部结构向后移动。拆除爆破时，应采用多个梯形组合的复合切口，这样可以满足多截面承重立柱不同爆破切口高度的需要，从而可以防止建筑物在倒塌过程中后坐现象的产生。

(3)钢筋的失效强度比混凝土的高得多，与钢筋单元共节点的混凝土单元失效后，由钢筋独立支撑上部结构，钢筋在倒塌过程中没有达到屈服状态，而是在受压与受拉的状态中不断转变，直到建筑的倒塌结束。这与实际工程相符合，能够有效的反应钢筋混凝土构件在爆破拆除时的破坏状态，从而可以在爆破前进行数值模拟，指导施工。