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基于Ansys/LS-DYNA框剪结构爆破倒塌仿真分析
[ 摘 要 ] 不同切口方式与延期时差对建筑物拆除爆破倒塌效果有极大影响，尤其是对大高宽比的框架剪力墙结构。因此，利用数值模拟对建筑物倒塌效果进行仿真分析，对于爆破方案的优化具有重要的指导意义。以某17层框架剪力墙结构拆除爆破工程实例，利用Ansys/LS-DYNA有限元分析软件，采用整体式模型，对不同切口方式和延期时差的框架剪力墙结构倒塌过程进行数值模拟。对框剪结构分别采用三角形和梯形切口，以及切口处中间排立柱同时起爆和延期起爆，共选取4种组合方案进行结构倒塌的对比分析。结果表明：采用三角形切口时，中间排立柱同时起爆，最后排立柱容易被压屈，形成的偏心弯矩比第二爆破区段只爆破底层立柱偏小；采用梯形切口时，在切口全部形成后，结构倒塌过程中，梯形切口以上部分形成附加的偏心弯矩较三角形切口小，切口触地时前倾速度比三角形切口小。
[ 关键词 ] Ansys/LS-DYNA数值模拟；拆除爆破；框剪结构；切口方式；延时时差
前言
拆除爆破得益于其安全、快速和高效等特点，近年来在建筑物拆除，特别是在高层建筑物拆除中得到了有效的应用。框架剪力墙结构由于其抗震和抗风性能好，被普遍应用于城市超高层建筑中，故相应的对框剪结构的拆除项目数量是不胜枚举。在对建筑物进行拆除爆破时，常用的爆破切口形式主要有两种，即梯形切口和三角形切口，切口形式的选取对爆破效果会产生重要影响；与此同时切口处各爆破构件的延期起爆时间对结构拆除爆破起着关键作用。而对于切口处立柱的起爆情况的研究分析，更多的还停留在经验总结阶段，其原因是拆除爆破具有不可逆性，对其进行实体实验代价太大。因此，随着计算机技术的发展，数值模拟则成为分析拆除爆破倒塌过程的极佳手段。
研究表明，选取恰当的模型与参数，数值模拟可以真实地反映建筑物爆破拆除倒塌过程，模拟得到的该建筑爆破倒塌堆积形态与工程实际吻合良好，对实际工程有重要的参考价值。基于某17层大高宽比框架剪力墙结构，利用Ansys/LS-DYNA有限元分析软件，采用钢筋混凝土整体式模型对其进行数值模拟，对比分析不同方案下框架倒塌效果，优化爆破设计方案，为类似工程提供借鉴。
1工程实例
1.1 工程概况
待拆除的楼房位于某市区中央大道附近的较为繁华的商业圈，楼房北侧毗邻中央大道，东侧为拆迁后空地，四周工程环境相当复杂：待拆除建筑距离北侧的10KV地下电力管道最近距离4.0m，距离φ1000地下排水管5.4m，距离人防边墙6.9m，距离路边架空线路7.5m，距离中央大道10.0m，其西侧与南侧还有待拆除建筑，马路对面是万达购物广场，如图1所示。
图1 周边环境
待拆除建筑建筑面积约12000m2，为框架剪力墙结构，其混凝土标号为C30。结构主体高度为66.3m，其中：第一层高5m，第二～四层层高4.8m，第五层高4.5m，第六～十层层高3.3m，第十一层高3.6m，第十二～十五层层高3.3m，第十六层高3.8m，第十七层高5.3m。楼体东西走向长达40.4m，并有7排立柱；而南北走向，第一～四层宽21.7m，有4排立柱；第五～十七层宽15.7m，有3排立柱，立柱尺寸为800mm×800mm，砼梁为400mm×800mm。结构平面布置如图2所示。
图2 结构平面图（单位：mm）
1.2 爆破方案设计
由于待拆除楼房的北侧即为中央大道，不能沿此方向倒塌，而其南侧是需要爆破拆除的其他低层楼房，可以在低层楼房爆破拆除后沿此方向倒塌。故最终确定整栋楼房采用控制爆破技术向南倒塌。为减小爆破振动对四周环境的影响，对切口处的立柱采用多段延时起爆的方案，进行爆破拆除。
框剪结构整体强度较大，为使结构能够顺利倒塌解体，减少二次人工或者机械破碎工作量，在爆破拆除前需要进行相应的预拆除，对一层～四层填充墙墙体进行全部预拆除；同时，用人工和机械相结合的方法将一层～四层的裙楼进行预拆除（如图3）。
a） 附属部分未拆除前
b） 附属部分拆除后
图3 裙楼预拆除
由于框剪结构的高度为66.3m，宽度为14.9m，属于大高宽比框剪结构，结构倒塌过程中，切口上沿触地时，重心比较容易移到切口触地点外侧，此时结构主体部分还有一定的前倾速度，可以实现顺利倒塌。切口处承重立柱炸高根据破坏高度经验公式选取，切口处中间排立柱是否同时起爆以及采取何种（三角形或者梯形）切口形式由以下4种拆除爆破方案中最优方案决定：
方案一，A轴第一～四层待拆除立柱同时起爆，使用MS7（200ms）段非电导爆管雷 管（以下均采用非电导爆管雷 管）；B轴一层待拆除柱子使用MS11（500ms）段；B轴第二、三层和C轴第一层柱子使用MS16（1000ms）段；形成如图4（a）所示的三个延期起爆区段的三角形切口。
方案二，A轴第一～四层待拆除立柱同时起爆，使用MS7（200ms）段；B轴第一～三层待拆除立柱同时起爆，使用MS11（500ms）段；C轴爆破立柱使用MS16（1000ms）段；形成如图4（b）所示的三个延期起爆区段的三角形切口。
方案三，A轴第一～四层待拆除立柱同时起爆，使用MS7（200ms）段；B轴第一～四层待拆除立柱同时起爆，使用MS11（500ms）段；C轴爆破立柱使用MS16（1000ms）段；形成如图4（c）所示的三个延期起爆区段的梯形切口。
方案四，A轴第一～四层待拆除立柱同时起爆，使用MS7（200ms）段；B轴第一层待拆除立柱同时起爆，使用MS11（500ms）段；B轴第二～四层和C轴第一层柱子使用MS16（1000ms）段；形成如图4（d）所示的三个延期起爆区段的梯形切口。
各立柱起爆时间及柱子炸高、区段分别见表1和图4。
表1 各柱起爆时间(单位:s)
（a）方案一
（b）方案二
（c）方案三
（d）方案四
图4 四种方案中各柱炸高（单位：m）
2框剪结构倒塌数值模拟方法
Ansys/LS-DYNA软件很适用于模拟分析大变形、研究爆炸冲击等动力学问题，其程序中内嵌常用的单元，包括link160杆单元、beam161梁单元、shell163壳单元和solid164实体单元等。其中，solid164主要适用于实体单元，本文即选用solid164实体单元对框剪楼房和地面进行建模。
2.1 整体式模型
钢筋混凝土计算模型一般有整体式、组合式和分离式这三种形式。现代城市建筑设计的高度不断增加促使其结构更加复杂化，若采用共节点分离式模型，不但难以建模，而且其划分后的单元数可达到百万数量级，由此产生的计算量让普通计算机不堪重负。而整体式模型则不需要单独对钢筋进行单元划分，钢筋的力学性能直接被融合在混凝土中。而在拆除爆破中，我们研究的是结构体的宏观变化，故采用整体式模式是可行的。
模型中，梁、柱和剪力墙材料采用*MAT_BRITTLE_DAMAGE（MAT96），填充墙和地面则采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC（MAT3）材料，本例中的梁柱（剪力墙以及楼板的材料参数与梁柱不同之处在于配筋率，都为2%）和填充墙以及地面参数见表2、3和4所示。
表2 梁、柱材料参数
表3 填充墙材料参数
表4 地面材料参数
2.2 接触
Ansys/LS-DYNA中提供了几十种接触，比较常用的的接触有，AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE（自动单面接触），AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE（自动面面接触），ERODING_SINGLE_SURFACE（单面侵蚀接触）等，由于框剪结构划分完过后有30万多的单元，再加上模型中part（构件）数目较多，为了节省计算时间，采用单面侵蚀接触，取动、静摩擦系数分别为0.4和0.5。单面侵蚀接触不需要定义主从面，可以自动判别框剪结构与地面的接触，并且可以处理侵蚀现象。
2.3 荷载施加与材料失效
建筑物爆破切口形成后，切口上部结构在重力荷载作用下产生倾覆弯矩，发生倾斜倒塌。数值模拟中，可以直接在K文件中添加重力荷载关键字*LOAD_BODY_Y，在结构高度方向（Y）施加重力荷载。
实际情况中，切口处的柱子是在炸药作用下爆破失效，失去承重能力的。由于炸药的爆炸冲击荷载对结构整体的受力影响基本可忽略不计，数值模拟中则是通过在K文件中增加材料失效关键字*MAT_ADD_EROSION，让待爆破拆除柱子按实际中的延期时间依次失效。框剪结构主体部分的失效选择适合脆性材料的第一强度失效准则（最大主应力失效准则），即单元到达最大主应力临界值时，单元从计算模型中消失，其失效形式同上。
3数值模拟分析
3.1 数值模拟结果
方案一（如图5a）中的框剪结构A排立柱爆破拆除后，在B、C排立柱支撑下，主体结构保持稳定；t=0.5s时B轴第一层立柱爆破拆除后，结构主体开始在C排立柱支撑下发生倾斜，由于B轴二、三层的立柱此时未爆破删除，相当于在C排立柱的侧向施加了约束，因此C排立柱未被压屈，而是在其四层的顶端形成塑性铰；t=1.0s第三爆破区段形成后，结构整体开始明显后坐，并且在t=2.8s完成后坐，随着后坐完成，结构开始后滑，大约在t=3.6s时后滑完成，结构绕着触地点整体向下倒塌，在t=5.0s左右结构整体完全触地，在t=5.6s时前冲完成，形成爆堆。
方案二（如图5b）中，当t=0.5s时，第一、二爆破区段形成后，上部结构在偏心荷载下发生偏转，由于方案二中B轴的第一～三层的立柱都爆破删除，因此对C排立柱的侧向约束减小，C排立柱类似于“细长”杆系结构，在偏心荷载下压屈，压屈点出现在C排立柱第二层顶端，整排立柱压屈成类似于字母“S”型；在t=1.0s时，爆破切口全部形成后，结构开始明显后坐，在t=2.8s时完成后坐；之后的后滑及前冲完成时间与方案一类似。
方案三（如图5c）中，B轴爆破切口有四层，比方案三多一层，三个爆破区段延期时间都相同，当t=0.5s时，第一、二爆破区段形成后，结构在偏心荷载下向倒塌方向倾斜，由于C排立柱侧向约束进一步减少，C排立柱的长细杆系效果更加明显，压屈点由方案三中的二层立柱顶端转到三层立柱顶端，并且在t=1.0s左右时，C排立柱四层顶端出现塑性铰并很快就破坏，主体结构也是在t=2.8s时完成后坐，t=5.6s左右完成倒塌。
方案四（如图5d）中，各个爆破区段延期时间与方案一相同，不同之处在于方案四中B轴的爆破立柱有四层，比方案一多一层，故在t=1.0s爆破区段完全形成之前，两者的变化形态是一样的；当三个爆破区段完全形成后，结构开始明显后坐，由于方案四中B轴第四层立柱也爆破拆除了，当C排立柱在t=1.6s下座触地时，结构主体形成的附加偏转弯矩比方案一小，前倾速度也比方案一小，在t=2.8s时完成后坐后继而发生后滑，最终倒塌形成爆堆。
(a) 方案一
(b) 方案二
(c) 方案三
(d) 方案四
图5 框剪结构倒塌过程模拟结果
3.2 前倾速度及重心偏移对比分析
对建筑结构来说，分析建构前倾速度非常重要，很多建筑物爆而不倒，主要就是切口设计不合理导致建筑物重心未偏移出切口触地点，并且前倾速度不够，不能顺利倾倒。在本实例中，结构倒塌方向为南向（X轴正向），结构的高度方向为Y轴正方向。
3.2.1 前倾速度对比分析
选取4种方案中A排立柱最外侧第十一层、十三层、十五层、十七层的4个节点（如图6a），对比分析其沿倒塌方向（X轴正向）的速度曲线（如图7）。
方案一中，当t=0.5s时前两个爆破区段形成后，上部结构绕C排立柱第四层顶端的塑性铰偏转，X方向速度不断增大，直到t=1.0s塑性铰破坏；从曲线图7（a）中可以看出，从t=1.0s至t=2.8s（切口触地时间）这段时间，上部结构的X方向速度还有少许的增加，其主要原因是方案一中采用的是三角形切口，C排立柱在t=1.4s左右触地时（如图6b），B轴未爆破立柱部分形成的偏心弯矩较其他方案大些，使得上部结构偏转速度还能有一定的增加。
方案二中，在结构倒塌动画图分析中就已经提到，由于B排立柱一～三层同时爆破拆除，使得在C排第四层立柱顶端的偏心弯矩比方案一小，因而X方向的前倾速度在t=1.0s也比方案一小，随后的运动形态与方案一大致一直。
方案三与方案二相比，只是第二爆破区段多了B轴第四层立柱也爆破删除，所以偏心弯矩相对于方案三小些，最终切口外沿触地时的速度也小于方案二，并且在t=2.4s至t=2.8s这段时间，X方向速度曲线几乎是直线，速度没有增加，这也是由于梯形切口缺少像三角形切口那样的B排立柱，形成的偏心弯矩较三角形小。
方案四与方案一相比，也是第二爆破区段多了B轴第四层立柱爆破删除，因此当三个爆破区段全部形成后，从t=1.0s至t=2.8s这段时间，X方向速度也是几乎没有任何增加，曲线保持直线，这也是由于梯形切口缺少三角形切口那样B排立柱（如图6b）的缘故。
取各方案中第十五层及十七层点（点66066和75393）处X方向速度进行列表（表5）对比分析就可以看出，方案一中的前倾速度明显大于其他方案。这主要是由于三角形切口中柱对后排立柱侧向限制，使得在C排立柱四层顶端形成明显塑性铰，在偏心荷载下形成较大的前倾速度，在后面运动过程中，当C排立柱触地后，由于三角形切口中B排立柱形成更大偏心弯矩的缘故，使结构倒塌前倾速度进一步加大。
表5 切口闭合时X方向速度（单位：m/s）
(a). A排立柱节点
(b). t=1.4s时，B、C排立柱倒塌状态
图6 局部放大
(a) 方案一
(b) 方案二
(c) 方案三
(d) 方案四
图7 节点X方向速度曲线
3.2.2 重心偏移分析
上面已经对各种方案的前倾速度做了分析对比，这里就只对结构前倾速度最大的方案一中重心（重心近似取切口以上部分的几何中心）以及切口外沿点运动轨迹做分析，从切口触地图（图8）以及两点的运动轨迹曲线（图9）中可以看出，当t=2.8s切口触地闭合时，重心运动轨迹线刚好与切口上沿点轨迹线相交，处于临界值。从图7中各方案中的运动曲线可以发现，点49122的速度几乎一直保持与在X=0轴水平，即点49122附近就是运动曲线的中性轴，结构处于点49122以上有先X轴正方向速度，处于49122点以下有向X轴负方向的后滑速度，如此刚好形成一个打转的趋势（如图8），结构完全可以顺利倒塌。
图8 切口触地图
图9 重心及切口上沿点运动轨迹图
3.3 爆堆范围的对比分析
对爆堆范围的有效控制，是拆除爆破取得理想效果的关键。对爆堆范围的分析，主要从前冲距离、后座距离及爆堆高度三方面综合考量。
3.3.1 后座距离
图10 后座距离单元
取切口外沿四个单元（如图10）触地点时（t=2.8s）的距离为后坐距离，提取运动时程曲线信息可得，方案一～方案四对应的后坐距离分别是6.57m、6.25m、6.41m、6.65m。方案一和四后坐距离稍大于方案二和三，这和它们的前倾速度有关。方案一和四的B轴一层以上楼层起爆延期时差(1.0s)相对于方案二和三（0.8s）较大，前倾速度较大，对应着图6(a)中点49122下部结构X轴负方向较大，因此后坐距离会相应稍大。
事实上，建筑物底部有三个爆破区段，当第一排立柱（爆破区段）爆破失效时，建筑物内力重分布，在后两排的立柱支撑下，还能保持稳定性；但是，当第二爆破区段的立柱失效时，建筑物发生前倾，建筑物上部有前倾速度，建筑物下部（切口上沿）有后滑速度；在最后排立柱支撑下，当支撑时间过长，前倾和后滑速度相应增大，伴随着后座也会增大，而且，根据数值模拟和实际的工程经验也可以看出，最后排立柱支撑的时间有限，在极短的时间就会形成塑性铰并破坏；当支撑时间过短时，前倾速度不够，重心不能偏移出最前排立柱，极有可能导致爆而不倒的情况。由此可见，合理选取各部分起爆延期时差，对减小后座及保证良好爆破效果会产生重要作用。
3.3.2 前冲距离与爆堆高度
取各方案中建筑物爆堆最高点作为爆堆高度，提取运动时程曲线，可以得出方案一～四方案四的爆高分别是12.9m、13.2m、14.2m、13.5m。同理，取各方案中爆堆范围最远处的点作为前冲距离。值得注意的是，结合之前的结构前倾速度以及后坐情况的对比分析可以得知，前倾（X轴正方向）速度大的方案一般伴随着后滑（X轴负方向）速度也相对较大些，使得结构更快触地倒塌，前冲距离反而相对较小。提取运动时程曲线可以得出方案一～方案四的前冲距离分别是44.8m、46.9m、45.8m、47.6m。
3.4 最优方案选择
通过对比分析四种方案中的前倾速度、爆堆范围和倒塌形态，可以得出表6的各项数据。
表6 各方案数据
从表中可以看出方案一中前倾速度比其他方案都大，有利于结构倒塌，而且爆堆高度以及前冲距离也是最小的，后坐距离也仅比最小后座距离大0.3m左右。显然，选择方案一作为最佳方案，应用到实际工程中去。
实际工程倒塌过程如图11所示，从图中的倒塌形态可以看出，起爆1s左右（如图11a），结构发生一定程度的倾斜，后面的填充墙开始破坏；在3s左右框剪结构切口上沿触地闭合完成后坐（如图11b），随后绕着触地点偏转倒塌（如图11c），最后形成爆堆，这与方案一（如图5a）中的整体式模型的倒塌结果很相似。
爆堆范围的数值模拟结果与现场结果的参数对比见表7。结果表明，两种结果的爆堆范围偏差在10%左右，直接证明了数值模拟的重要参考价值。
表7 爆堆范围对比
图11框剪结构倒塌过程
结论
通过对17层框剪楼房的拆除爆破倒塌过程的数值模拟优化分析，得出以下几点结论：
1）整体式模型中，若采用三角形切口，当三个爆破区段的延期时差相同，但第二爆破区段把整排（B排）立柱同时爆破删除时，由于最后排支撑立柱的侧向约束较小，在偏心荷载的压力下，最后排立柱容易被压屈，并且形成的偏心弯矩较第二爆破区段只删除底层立柱小，从而前倾速度也相应偏小。
2）整体式模型中，若采用梯形切口，当延期时差相同，第二爆破区段（B轴立柱）爆破高度增加，即由三角形切口变为梯形切口时，在切口全部形成后，结构倒塌过程中，梯形切口以上部分形成附加的偏心弯矩较三角形切口小，切口触地时前倾速度比三角形切口小。
3）大高宽比框剪结构爆破拆除宜采用三角形切口，倒塌过程中三角形切口中的中间立柱形成的附加弯矩较梯形切口大，可以增加前倾速度利于结构倒塌；同时合理设置各爆破段起爆延期时差，对取得良好爆破效果起到重要作用。
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