摘要：高层钢筋混凝土建筑具有整体性好、强度大的特点，进行爆破时往往需要给予精密计算，为保证爆破效果，目前常用折叠倒塌爆破法进行拆除。基于此，本文以高层钢筋混凝土结构折叠倒塌爆破拆除数值模拟方法作为切入点，简述有限元分析法、边界元分析法等，再以此为基础，结合实例重点论述模拟的要点和过程，以期通过分析明晰理论，为后续爆破作业的开展和优化提供必要参考。
关键词：钢筋混凝土结构；折叠倒塌爆破；有限元分析法
一、高层钢筋混凝土结构折叠倒塌爆破拆除数值模拟方法
1.1有限元分析法
有限元法在数值计算方法中应用比较十分广泛。该方法的特点是对目标的受力情况进行分析，之后将其划分为互不重叠的若干单元（有限单元），用选择的单元插值函数的线性组合来逼近单元真解。一般单元的数目越多，对象和目标分析所获的结果越准确，有限元法对于连续变形问题和大部分静力学问题的处理效果较好[1]。结合此前各地的工作资料，在高层混凝土结构的爆破中，有限元分析法主要用于爆炸前建筑物稳定性分析、确定结构内力和结构倒塌的动力分析，能够有效提升力学分析的有效性，保证爆破作业的成效。
1.2边界元分析法
边界元分析法是一种解决连续问题的数值分析方法，该方法的特点是将分析重点放在边界问题上，持续求解边界积分，以边界应力和位移同时作为未知量，所有的单元划分集中于边界处，分析对象目标任何区域内的场变量。在此前的工作资料中，边界元分析法得到了一定的应用，但多集中于小型建筑，高层混凝土结构本身力学条件复杂，建筑倒塌解体过程中、倒塌后的影响面积往往比较大，而且折叠倒塌爆破拆除方法下，建筑被拆毁的过程往往不是连续的，在折叠发生的过程中，倒塌会出现不连续的情况，这些因素制约了边界元分析法的价值。
1.3不连续变形法
不连续变形法被认为是与有限元法平行的数值计算方法，但该方法的应用带有一定的局限性，一般用于求解不连续介质的内力分布、位移、变形等。要求对象目标的分析区域由不连续面确定，采用最小势能原理建立总体平衡方程，将刚度、质量和荷载子矩阵加到联立方程的系数矩阵中，釆用罚函数法强迫块体截面约束求解。分析对象的外观形状可以使凹面、凸面或者其他不太复杂的情况，如果对象目标存在复杂的表面特点，其力学特征也将带有特殊性，应用不连续变形法，需要将其拆分为大量小单元，操作性较差，同时需要大量的计算时间，因此应用的范围相对狭窄[2]。
二、高层钢筋混凝土结构折叠倒塌爆破拆除数值模拟实例分析
2.1工程概况
2017年9月，河北省保定市进行某高层钢筋混凝土建筑的爆破拆除，拟采用折叠倒塌爆破拆除法，并进行了反复的数值模拟，以保证作业安全性和效率。该建筑位于城市边缘地带，由于商业开发需求准备给予拆毁，建筑占地面积1758.7平方米，高21层，标高82.89米，其中1-4层为商用，高度为4.8米，6-21层为民用普通商品房，高3.9米，5层为转换层，高度3.3米。立柱尺寸包括0.8*1.2（米）和0.9*0.9（米）两种规格，电梯井位于中央位置。设计人员提供了单向折叠爆破和双向折叠爆破两种方案（图1），经分析，本次爆破拟采用单向折叠倒塌爆破拆除法。
图 1 单向折叠爆破和双向折叠爆破
2.2模拟要点
本次爆破作业模拟分析的要点为力学数据分析，包括结构失稳、触地震动两个方面。技术人员根据现场实测数据应用BIM技术进行建模，经过反复分析，发现影响该建筑爆破结构稳定性的核心因素为钢结构框架，拟采用杆系有限元法计算刚架的稳定性。计算公式如下：
F=δ（Ke-PKG）.
式中，Ke表达刚度矩阵（钢结构框架刚度矩阵）；P代表轴向力（钢结构框架所受的轴向力）；KG表达几何刚度矩阵（钢结构框架几何刚度矩阵）；δ表达爆破过程中的位移阵列；F表达爆破过程中的荷载阵列。在爆破发生时，钢结构框架不断出现侧翼，必须保证对横梁的约束，以免建筑出现无序倒塌，而衡量的抗弯强度是有限的，爆破切口出现，将导致框架失稳，需要寻求新的支撑点和受力、传力方式，支撑点以及受力、传力方式与建筑的重心直接相关，要求建筑的重心在地面投影位于底部新支撑位置，该位置的计算公式如下：
AOcos[（π/2）-α-φ0]≥AC=AD.
式中，D表达建筑倒塌方向的底边长度；α表达爆破切口的角度；φ0表达结构初始重心与支撑点的连线和铅垂线的夹角。触地震动方面的控制，主要应用常数分析法进行模拟，在不考虑其他特殊因素的情况下，触地震动可以速度可以应用下式表达：
v=k（I1/3/R）α.
式中v代表的是震动速度，为便于实现精细化分析，其单位为cm/s；I代表冲量，单位为N•s；R表达建筑倒塌中心到监测点的最短距离，单位为m；k、α则表达一些带有规律性的常数，在模拟过程中，代入数据进行测试时，一般应用开放性测试法，了解震动速度的上限，分析其破坏和安全性，在条件允许的情况下要去尽量缩小震动速度。
2.3爆破结果与分析
本次爆破最终按单方向折叠倒塌爆破法进行拆除，对爆破过程中的重要指标进行分析，并与设计标准进行对照分析，所获结果如表1所示。
表1 主要参数对比
从结果上看，本次爆破的核心模拟指标和实测结果基本相同，爆堆高度差异较大，达到14.9％，经过分析，爆破工程中为避免建筑垮塌范围过大导致的意外问题，减小了用药量，使爆堆呈现垂直方向的叠加，造成高度较高的情况。爆破过程的其他方面态势良好，证明了高层钢筋混凝土结构折叠倒塌爆破拆除数值模拟的价值，可在后续工作中加以推广。
三、总结
通过分析高层钢筋混凝土结构折叠倒塌爆破拆除数值模拟，获取了相关理论内容。爆破拆除是现代混凝土建筑拆除的主要方式，常用有限元分析法和边界元分析法进行模拟，在模拟的过程中，需要重视力学数据分析，包括结构失稳和触地震动两个大方面，实例分析证明了上述理论。后续工作中，考虑到高层钢筋混凝土结构的特殊性，进行折叠倒塌爆破拆除时，可参考上述方式保证作业水平。
参考文献：
[1]王明明,刘治兵.十一层钢筋混凝土框架结构楼房爆破拆除[J].煤矿爆破,2017(03):30-32.
[2]张凡榛,李必红,崔伟峰.钢筋混凝土框架结构爆破拆柱后传力机制分析[J].采矿技术,2016,16(06):93-96.
论文作者:孙志永
论文发表刊物:《基层建设》2018年第21期
论文发表时间:2018/9/10
标签：建筑论文; 分析法论文; 数值论文; 边界论文; 高层论文; 钢筋论文; 混凝土结构论文; 《基层建设》2018年第21期论文;