布孔方式对支撑梁爆破拆除的影响机制.pdf

第35卷 第3期 2018年9月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 3 Sep. 2018 doi10. 3963／ j. issn. 1001 -487X. 2018. 03. 014 布孔方式对支撑梁爆破拆除的影响机制* 何 理 a，b，c， 钟冬望a，b，c， 李琳娜a，b， 司剑峰a，c， 涂圣武a （ 武汉科技大学a.理学院；b.冶金工业过程系统科学湖北省重点实验室； c.中铁港航-武科大爆破技术研究中心， 武汉430065） 摘 要 支撑梁爆炸毁伤破坏效应的数值模拟及理论研究是创新改进爆破拆除方法的前提。结合钢筋混 凝土支撑梁爆破拆除工程实际， 针对垂直布孔与多向协同布孔分别建立其共节点分离式模型， 比较分析梁内 Von Mises等效应力分布规律、 爆炸荷载空间分布特点及其破碎形态。结果表明 相邻炮孔炸药能量分别在 50 μs、60 μs开始耦合叠加， 叠加区应力水平显著增高； 在混凝土碎胀效应及反射拉伸波共同作用下， 支撑梁 表面材料单元以拉伸破坏为主； 相同炸药单耗时， 多向协同布孔法可促进梁内爆炸荷载的均匀分布， 有效改 善拆除效果； 材料失效演变过程表明， 支撑梁破碎形态分别在255 μs、265 μs时刻稳定下来， 采取先下后上的 起爆顺序， 能有效防治爆破飞石危害。 关键词 支撑梁；爆破拆除；布孔方式；共节点分离式模型；拆除效果 中图分类号 O389 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X（2018）03 -0085 -07 Influence Mechanism of Blasthole Arrangement on Explosive Demolition of Support Beam HE Lia， b，c， ZHONG Dong-wanga， b，c， LI Lin-naa， b， SI Jian-fenga， c， TU Shen-wua （a. College of Science；b. Hubei Province Key Laboratory of Systems Science in Metallurgical Process； c. CRPCE-WUST Blasting Technology Research Center，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065，China） Abstract Numerical simulation and theoretical study of explosion damage effect of support beam are the prereq- uisite for innovation and improvement of demolition blasting . Combined with engineering practice，the separa- ted common-node blasting model of reinforced concrete support beam is established with vertical and multi-direction- al synergy arrangement of blasthole. Under which，the distribution law of Von Mises equivalent stress，the spatial dis- tribution characteristics of explosive load and the shape of fracture zone are analyzed and compared. The result shows that the explosive energy of the adjacent holes is coupled and superposed at 50 μs and 60 μs respectively，and the stress level of the superposition region is obviously higher than that of other regions. Under the combined action of the concrete dilatancy effect and the reflected tensile wave，tensile failure is dominated on the supporting beam surface. With the same unit explosive consumption，the multi-directional synergy arrangement of blasthole can promote the u- ni distribution of explosive load in the beam，effectively improve the demolition effect. Furthermore，material fail- ure evolution process shows that，the fracture shape of the support beam is stabilized at 255 μs and 265 μs respec- tively. Priming sequence from bottom to top. Can prevent the hazard of blasting slungshot significantly. Key words support beam；demolition blasting；blasthole arrangement；separated common-node model；demo- lition effect 万方数据 收稿日期2018 -05 -15 作者简介何 理（1986 -） ， 男， 湖北十堰人， 讲师、 博士， 从事工程 爆破与岩石动力学研究， （E-mail）emp-heli＠ hotmail. com。 基金项目国家自然科学基金项目（51574184） ； 湖北省教育厅科学 技术研究项目（Q20161101） ； 武汉科技大学青年科技骨干 培育计划项目（2016xz018） 随着国家经济建设的繁荣与发展， 各类大型岩 体工程日渐增多， 衍生出各类大型深基坑， 基坑内钢 筋混凝土支撑梁拆除量逐渐增大。由于支撑梁爆破 拆除法具有拆除工期短、 出渣快、 可回收废旧钢筋和 节约资源的特点， 目前在深基坑钢筋混凝土支撑梁 拆除时应用最为广泛[ 1-4]。支撑梁爆破拆除的布孔 及其装药工序的便捷程度直接影响着爆破拆除成本 与施工工期， 决定了爆破拆除工程的经济效益； 同 时， 不恰当的布孔及装药方法会影响爆破拆除效果， 并带来极大的安全隐患， 轻则造成施工工期延误， 重 则伤及爆破作业人员生命及财产安全[ 5，6]。大量爆 破工程技术人员经过长期的爆破拆除工程实践， 探 索总结出较完善的钢筋混凝土支撑梁爆破拆除布孔 及装药方法， 即使用PVC管同时沿支撑梁垂直向和 轴向预制炮孔， 借助牵引装置在轴向孔内敷设导爆 索、 采用空气间隔装药结构并进行分区延时爆破， 可 有效降低爆破危害效应， 提高爆破作业安全性与拆 除效率， 改善爆破拆除效果[ 7，8]。然而， 钢筋混凝土 支撑梁爆破拆除理论的发展严重滞后于爆破技术的 进步是工程爆破领域长期存在的问题， 针对钢筋混 凝土支撑梁爆破拆除动力响应的理论与数值模拟研 究较少。大多理论及模拟分析主要集中在楼房、 路 桥、 烟囱、 冷却塔等建（构）筑物的倒塌计算[ 9]。通 常为简化分析问题， 钢筋混凝土结构爆炸动力响应 的数值模拟通常采用整体式模型[ 10，11]， 但是由于钢 筋与混凝土材料的力学性能差异较大， 计算中往往 整体式模型不能真实地再现爆炸冲击荷载作用下混 凝土与钢筋单元的失效过程， 使得数值计算结果与 试验结果吻合度较差， 不便对类似爆破拆除工程实 践提供参考[ 12，13]。基于此， 结合深基坑支撑梁爆破 拆除工程实际， 针对药包不同空间分布形态分别建 立钢筋混凝土支撑梁的共节点分离式模型， 从梁内 炸药能量耦合状况、 爆炸荷载空间分布机制及爆破 破碎形态等方面对比分析炮孔布置方式对支撑梁爆 破拆除效果的影响， 提出炮孔在支撑梁内的合理布 置方式， 以期进一步完善深基坑钢筋混凝土支撑梁 爆破拆除理论， 推动爆破技术的发展。 1 基于不同炮孔布置方式的支撑梁爆 破拆除方法 爆破法拆除支撑梁时， 常规做法是在支撑梁进 行支模和浇筑混凝土前， 按设计要求的孔位沿支撑 梁垂直方向布置特定直径的PVC直管； 并通过铁丝 绑扎固定在钢筋笼中， 而后再进行混凝土的浇筑从 而实现梁内部的炮孔预埋[ 4，5]。然而， 实践证明， 该 布孔方式使得炮孔预制数目庞大， 施工劳动强度与 成本偏高， 且时有冲炮事故发生。鉴于此， 钟冬望、 何理、 操鹏等提出了一种新的施工操作便捷、 劳动强 度与施工成本低、 爆破破碎均匀的支撑梁爆破拆除 布孔技术及装药方法， 即在支撑梁爆破拆除前， 沿梁 轴向、 垂直向同时预制炮孔的多向协同布孔技术， 借 助牵引装置在轴向孔内敷设导爆索， 并采用空气间 隔装药结构[ 7，8]， 见图 1所示。 图1 多向协同布孔技术及装药结构 Fig. 1 Multi-directional synergy arrangement of blasthole and its charge structure 2 支撑梁拆除爆破工程概况 武汉某深基坑项目工程地处闹市区， 周边环境复 杂， 基坑等级为一级， 开挖深度大， 支撑梁爆破拆除时 受保护对象多。设计采用支护桩加横向钢筋混凝土 支撑结构作为基坑支护， 地下室施工完毕需对横向支 撑结构进行爆破拆除。整个支撑结构一层， 由立柱、 冠梁、 主撑、 八字撑和连杆组成， 立柱为桩基型钢柱结 构， 其它均为钢筋混凝土结构。钢筋混凝土构件的混 凝土强度等级为C30， 保护层厚度30 mm， 配筋率约 1.2％ ～2.6％。基坑支撑梁分区见图2。 3 钢筋混凝土支撑梁爆破拆除数值模拟 3. 1 材料模型及状态方程 炸药材料选用JWL状态方程描述爆轰产物中 68爆 破 2018年9月 万方数据 压力和内能及爆轰产物的相对体积之间的关系[ 14]。 P ＝ A 1 - ω R1 V e-R1V＋ B 1 - ω R2 V e-R2V＋ ωE 0 V （1） 式中V为爆轰产物的相对体积；E0为爆轰产物的 比内能；A、B为常数；R1、R2为无量纲常数；ω为格 林艾森参数。炸药材料参数取值见表1。 图2 基坑支撑梁分区 Fig. 2 The partition map of support beam in foundation pit 混凝土采用JHC材料模型[ 14]， 相关参数取值见 表2。 钢筋采用随动强化Mat-Plastic-Kinematic材料 模型和Von-Mises屈服准则[ 14]，材料参数取值见 表3。 空气采用Mat-Null材料模型和Eos-Linear-Poly- nomial线性多项式状态方程进行描述[ 15]， 即 P ＝ C0＋ C1μ ＋ C2μ2＋ C3μ3＋（C4＋ C5μ ＋ C6μ2）E （2） 式中μ ＝ ρ／ ρ0-1， 其中ρ为当前密度，ρ0为初 始密度；E为材料的内能；C0～ C6为状态方程参数， 空气的材料参数见表4。 3. 2 数值计算模型 为较好地体现钢筋与混凝土两种材料的力学性 能差异， 并真实地再现混凝土和钢筋单元不同的失 效过程， 采用共节点分离式钢筋混凝土模型进行数 值计算[ 9]。其中炸药、 混凝土和空气介质采用欧拉 网格建模， 单元使用多物质ALE算法， 钢筋采用拉 格朗日网格建模， 钢筋与炸药、 空气和混凝土之间采 用耦合算法， 耦合方式采用罚函数的方法。 表1 炸药材料参数 Table 1 Material parameter of explosive ρ／ （kgm -3） D／（ms -1） PCJ／ GPaA／ GPaB／ GPaR1R2 ωE0／（Jm -3） 1630693021. 0371. 23. 2314. 150. 950. 357. 0 表2 混凝土材料参数 Table 2 Material parameter of concrete ρ／ （kgm -3） ABNCf ′ c／ GPa SmaxD1D2 24400. 791. 60. 610. 0070. 04870. 041 Ef minPcrush／ GPaμcrush／ GPaK1K2K3Plock／ GPaμlock／ GPaT／ GPa 0. 010. 0160. 00185-1712080. 80. 10. 004 表3 钢筋材料参数 Table 3 Material parameter of reinforcement ρ／ （kgm -3） E／ GPaμfy／ MPaβnmG／ MPaε 78002000. 32351. 640510000. 12 表4 空气材料参数 Table 4 Material parameter of atmosphere ρ0／（kgm -3） C0／ MPaC1C2C3C4C5C6E／ MPa 1. 29-0. 10000. 40. 400. 253 以前述工程实例中截面尺寸b h ＝1000 mm 800 mm的支撑梁为研究对象进行有限元建模。支 撑梁内顶部2根架立钢筋的尺寸为φ 12 mm， 底部 有四根φ 20 mm的纵向钢筋； 由于箍筋在爆破拆除 前已通过预处理手段被切断， 所以分析计算时不考 虑箍筋的侧向约束效应。针对常规布孔（垂直向） 与多向协同布孔（轴向＋垂直向）两种方式， 如图3 所示， 分别建立钢筋混凝土支撑梁的共节点分离式 模型。 考虑钢筋混凝土支撑梁及布孔形式具有轴对称 78第35卷 第3期 何 理， 钟冬望， 李琳娜， 等 布孔方式对支撑梁爆破拆除的影响机制 万方数据 特性， 为简化分析， 选取图3中虚线截取部分实体进 行建模， 对称边界处均定义为剖面法线方向位移为 零， 沿法线外其它两方向转动为零， 并施加无反射边 界条件。支撑梁在爆破拆除前， 箍筋已被预切割剪 断， 为简化分析计算模型， 建模时只考虑架立钢筋和 纵向钢筋的作用。 图3 支撑梁炮孔布置俯视图（ 单位mm） Fig. 3 Top view of support beam blasthole layout（unitmm） 选用SOLID164单元对炸药、 混凝土和空气层 进行建模， 选用BEAM161单元对钢筋进行建模， 并 进行映射网格划分， 分别得到实体单元29601个、 27756个。数值计算模型见图4。 两种布孔方式下支撑梁内炸药空间分布如图5 所示。 图4 数值计算模型 Fig. 4 Numerical model 图5 支撑梁内炸药空间分布形式 Fig. 5 The spatial distribution of explosive in support beam 3. 3 计算结果及分析 3. 3. 1 Mises等效应力传播规律 垂直布孔与多向协同布孔方式情况下， 不同时 刻支撑梁内等效应力分布见图6、 图7。 由图6、 图7可以看出， 支撑梁内柱状药包自起 爆时刻起， 药包周围产生近似柱面波向四周传播。 两种布孔方式情况下，相邻炮孔爆炸波分别在 60 μs、50 μs时刻相遇互相叠加， 爆炸能量相互耦 合， 叠加区域内材料单元应力水平较其他区域高。 由于模型左右边界为对称边界， 因此爆炸波到达模 88爆 破 2018年9月 万方数据 型左右边界时未发生反射现象。随着时间的进一步 增加， 爆炸波继续向四周传播， 爆炸波分别在90 μs、 70 μs时刻到达模型下边界， 由于支撑梁下表面为 自由边界， 爆炸波在此边界发生反射形成拉伸波， 而 后传播至上表面自由边界， 同样反射形成拉伸波。 图6 垂直布孔时等效应力分布 Fig. 6 Equivalent stress distribution under vertical arrangement of blasthole 图7 多向协同布孔时等效应力分布 Fig. 7 Equivalent stress distribution under multi-directional synergy arrangement of blasthole 3. 3. 2 支撑梁内爆炸荷载空间分布机制 为对比分析梁内爆炸荷载空间分布特征， 沿数 值计算模型Z方向每间隔20 cm截取一目标断面， 定量分析目标断面上各考察单元的压力荷载值。由 此截取得到Z坐标值为10、30、50 cm的3个目标断 面， 目标断面截取方式如图8所示。 图8 目标断面截取方式 Fig. 8 Intercepting of target section 目标断面上沿水平（X方向）及竖直（Y方向） 两个方向选取一定数量考察单元， 考察单元在目标 断面上的分布情况如图9所示（ 图中黑色填充体） 。 图9 目标断面的考察单元分布 Fig. 9 Element distribution of target cross section 两种布孔方式情况下各目标断面上考察单元的 压力（Pressure）峰值分布情况如图10 ～图12所示 （H值表示考察单元在目标断面上的高程； 横坐标表 示考察单元在目标断面上距圆点的水平距离） 。 由图10 ～12可以看出， 随着与支撑梁两侧自由 面距离的增加， 断面上考察单元压力峰值整体呈现 逐渐增大的趋势， 这主要是由于支撑梁内部药包的 空间分布特征所决定的。Z ＝10 cm目标断面上， 考 察单元整体压力峰值均小于混凝土材料抗压强度 20. 1 MPa， 但多向协同布孔方式下考察单元整体应 力水平要高于垂直布孔方式， 由于数值计算时两种 布孔方式均采用相同的炸药单耗（800 g／ m3） ， 因此 从侧面反映出多向协同布孔方式使得炸药爆炸能量 耦合状况更好。Z ＝ 30 cm及Z ＝ 50 cm目标断面 上， 同一高程处各考察单元压力峰值沿支撑梁轴向 呈现较强的波动现象， 但是相较于多向协同布孔方 式， 垂直布孔时考察单元压力峰值上下波动更为显 著， 表明采取多向协同布孔方法时， 支撑梁内部爆炸 荷载分布更为均匀， 可避免支撑梁破碎不均现象。 3. 3. 3 钢筋混凝土支撑梁爆破破碎形态 通过添加控制关键字*MAT_ADD_EROSION， 实 现对混凝土材料失效的额外控制。对于混凝土材料的 抗压强度控制由材料本身材料参数决定， 对混凝土材 料在拉应力状态下的失效通过抗拉失效强度项进行控 制， 模型计算时混凝土材料的抗拉强度与抗压强度分 别取为2.5 MPa和25.1 MPa。支撑梁中钢筋材料近似 看作各向同性均值材料， 计算时在其材料参数中将其 98第35卷 第3期 何 理， 钟冬望， 李琳娜， 等 布孔方式对支撑梁爆破拆除的影响机制 万方数据 设置为应变失效控制， 失效应变为0.12[ 16]。不同时刻 支撑梁爆破破碎形态见图13、 图14所示。 图10 Z ＝10 cm断面单元峰值压力分布 Fig. 10 Peak pressure distribution of cross section with Z coordinate is 10 cm 图11 Z ＝30 cm断面单元峰值压力分布 Fig. 11 Peak pressure distribution of cross section with Z coordinate is 30 cm 图12 Z ＝50 cm断面单元峰值压力分布 Fig. 12 Peak pressure distribution of cross section with Z coordinate is 50 cm 图13 垂直布孔下支撑梁爆破破碎形态 Fig. 13 Blasting fracture shape of support beam with vertical arrangement of blasthole 由图13可以看出， 垂直布孔方式下， 支撑梁内 炸药起爆后， 混凝土材料单元在爆炸压缩波和反射 拉伸波作用下， 发生破坏、 失效， 材料单元被删除。 当t ＝50 μs时， 药包附近出现了明显的材料破碎、 图14 垂直布孔下支撑梁爆破破碎形态 Fig. 14 Blasting fracture shape of support beam with multi-directional synergy arrangement of blasthole 失效区域， 主要是由于爆炸压力荷载峰值超过了混 凝土材料抗压强度导致单元失效被删除；当t ＝ 145 μs时刻， 支撑梁左侧出现了单元失效现象， 主要 是由于支撑梁内部混凝土碎胀效应及压缩波在自由 09爆 破 2018年9月 万方数据 面处反射形成的拉伸波共同作用下， 支撑梁表面处 单元被拉断导致的。当t ＝ 255 μs时刻， 支撑梁爆 破破碎区范围及爆后形态基本稳定下来。由图14 可以看出， 多向协同布孔方式下， 当炸药爆炸至t ＝ 155 μs时刻， 支撑梁下、 后表面处出现了明显的材 料破裂（ 单元失效） 区域。随着时间的增加， 支撑梁 内部失效单元逐渐增多， 当t ＝265 μs时刻， 支撑梁 爆破破碎区范围及爆后形态基本稳定。对比两种布 孔方式下支撑梁爆后形态可以得到， 采取多向协同 布孔方式时， 支撑梁爆破破碎更加均匀、 材料破碎区 范围更大、 爆破拆除效果更好。同时， 观察两种布孔 方式时的支撑梁破碎区范围及爆后形态随时间的变 化趋势可以看出， 靠近支撑梁中下部的混凝土材料 破碎时间较上部早， 且破碎区域集中在靠下部， 主要 是由于在布孔时均满足梁内药包的最小抵抗线方向 为两侧或向下， 使得分散药包的重心倾向支撑梁截 面的中下部， 这样在爆破法拆除支撑梁时， 上部相对 较完整的混凝土层可有效阻隔向上抛出的爆破渣 石， 提高爆破拆除的安全可靠性。 4 结论 （1） 相较于常规垂直布孔方式， 多向协同布孔 能够大幅降低炮孔预埋数目及施工劳动成本， 提高 支撑梁炮孔预制效率， 缩短爆破拆除施工工期。 （2） 针对两种布孔方式， 相邻炮孔炸药能量分 别在60 μs、50 μs开始耦合叠加， 叠加区域内材料 单元应力水平较其他区域高； 在混凝土碎胀效应及 反射拉伸波共同作用下， 支撑梁表面材料单元以拉 伸破坏为主。 （3） 炸药单耗相同情况下， 多向协同布孔方式 可使得各换向孔内炸药能量相互耦合， 促进梁内爆 炸荷载的均匀分布， 有效改善拆除效果。 （4） 爆破法拆除支撑梁时， 首先剪断环向箍筋解 除其侧向约束效应， 同时采取先下后上的炮孔起爆顺 序， 可借助上部相对较晚破碎的混凝土层有效阻隔向 上抛出的爆破渣石， 提高爆破拆除的安全可靠性。 参考文献（References） [1] 叶建军， 程大春， 明 军.基坑钢筋混凝土临时支撑梁 绿色拆除爆破技术[J].爆破，2017，34（1） 101-107. 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