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第35卷 第2期 2018年6月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 2 Jun. 2018 doi10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2018. 02. 018 箍筋切口位置对支撑梁爆破拆除影响数值分析* 陈 晨 a,b, 钟冬望a,b, 司剑峰a,b, 黄 雄 a,b, 卢 哲 a,b ( 武汉科技大学a.理学院工程力学系;b.中铁港航武汉科技大学爆破技术研究中心, 武汉430065) 摘 要 深基坑钢筋混凝土支撑梁爆破拆除过程中, 采用预处理切断箍筋的方法可有效改善爆破破碎效 果, 降低炸药单耗, 节约经济成本。采用LS-DYNA有限元分析软件对箍筋切口位置在侧向和顶部两种情况 下钢筋混凝土支撑梁爆破拆除过程进行了数值计算。研究发现当箍筋切口位于支撑梁侧向靠下位置时会使 混凝土单元受拉更为明显, 且拉应力峰值变大, 有效地降低了箍筋对混凝土的约束作用, 能显著提高支撑梁 的爆破破碎效果。 关键词 支撑梁;爆破拆除;箍筋;LS-DYNA;约束作用 中图分类号 O383 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X(2018)02 -0101 -06 Numerical Analysis of Influence of Stirrup-cutting Position on Explosive Demolition of Support Beam CHEN Chena, b, ZHONG Dong-wanga, b, SI Jian-fenga, b, HUANG Xionga, b, LU zhea, b (a. Department of mechanics,College of Science,430065,China; b. China Railway Port and Channel Engineering Group Co Ltd & Research Center of Blasting Technology,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430065,China) Abstract In the process of explosive demolition of deep-foundation pits of reinforced concrete beams,pre-treat- ment method of cutting stirrups can improve the result of concrete fragmentation,reduce the specific charge and save the economic costs. The analysis software LS-DYNA was used to calculate the explosive demolition process of rein- forced concrete beam under the conditions of lateral and top. It is found that when the stirrups notch is located at the lower side of the support beam,the concrete element will be pulled more obviously,and the peak tensile stress be- comes larger,effectively reducing the restraining effect of stirrup on concrete,which can significantly improve the re- sult of concrete fragmentation. Key words support beam;demolition blasting;stirrup;LS-DYNA;constraints 收稿日期2018 -01 -14 作者简介陈 晨(1992 -) , 男, 硕士研究生, 从事爆炸理论及其应 用相关的科研工作, (E-mail)1101476199@ qq. com。 通讯作者钟冬望(1963 -) , 男, 博士、 教授, 从事矿山工程力学、 爆 炸理论及其应用等方面的教学与研究工作,(E-mail) 1057831589@ qq. com。 基金项目国家自然科学基金项目(51574184、51404175) ; 湖北省十 二五支撑项目(2014BEC058) 资助 随着城市化建设的不断发展, 各种大型深基坑 也随之增多, 基坑钢筋混凝土支撑的梁拆除量也不 断增大[ 1]。爆破法拆除深基坑支撑体系具有效率 高、 工期短、 成本适中等优势, 在实践中应用极为广 泛[ 2-4]。基坑内支撑拆除爆破工程多数位于市区城 区繁华地带, 导致施工环境复杂, 施工安全要求高且 对工期的要求也越来越短[ 5]。爆破安全是施工中 特别关注的问题, 特别是大型深基坑支撑爆破拆除, 主要体现在两方面 一是爆破对基坑稳定性的影响, 二是爆破对基坑内半成品、 周围建筑物和人员的影 响。目前在基坑内支撑梁的爆破拆除施工中, 为保 证爆破效果良好的同时确保爆破安全, 通常在支撑 万方数据 梁爆破拆除前会采用切割机切割、 氧焊切割或钢丝 钳剪断等技术手段切断钢筋混凝土梁的环向箍 筋[ 6,7]从而改善爆破效果, 降低炸药单耗。通过数 值计算, 分析支撑梁爆破拆除过程中不同位置的箍 筋切口对混凝土材料受力情况及破坏方式的影响, 选取切断箍筋的最佳位置, 并应用于实际工程中有 效地提高了支撑梁爆破破碎效果。 1 有限元模型的建立 选取基坑爆破拆除施工中一段长为1. 4 m的支 撑梁段进行建模, 其横截面尺寸B H =1000 mm 800 mm, 混凝土保护层厚度为20 mm, 混凝土强度 等级为C40。为简化计算模型, 钢筋混凝土梁内顶 部设有2根直径为25 mm的架立钢筋, 底部设有3 根直径为25 mm的纵向钢筋, 箍筋直径为12 mm, 间距200 mm。支撑梁整体模型与钢筋布置示意图 如图1所示。 图1 支撑梁共节点分离式数值计算模型 Fig. 1 Common node separate model of support beam 图2 炮孔示意图( 单位mm) Fig. 2 Schematic diagram of the blasting hole(unitmm) 支撑梁中炮孔间距400 mm, 排距为200 mm, 布 孔方式如图2所示。孔深为750 mm,孔径为 40 mm, 炸药单耗为0. 8 kg/ m3。 支撑梁中不同的箍筋切口位置如图3, 每个位 置切口宽度都为20 mm, 切口1位于支撑梁顶部轴 线位置,切口2、3位于支撑梁侧面,高度分别为 1/4H和1/2H。 图3 箍筋切口位置( 单位mm) Fig. 3 Stirrup-cutting position(unitmm) 数值计算中涉及中钢筋混凝土、 炸药和钢筋3 种材料, 其中, 钢筋混凝土材料采用“分离式共节点 式” 算法。在LS-DYNA有限元程序中, 分别选取不 同的材料模型, 对其物理力学特性进行表征。混凝 土材料模型采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_ CONCRETE( 简称JHC模型) , 该模型综合考虑大应 变、 高应变率及高压效应; 并且通过等效强度取代静 态屈服强度用以判别和计算结构屈服破坏, 用损伤 度来判别和计算累积损伤破坏[ 8];炸药单元采用 *MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型,2#岩 石乳化炸药的密度为1090 kg/ m3, 炸药爆速4000 m/ s, 爆压4.36 GPa, 其炸药状态方程参数如表1所示; 钢筋 材料具有弹性和塑性力学特征, 在LS-DYNA有限元分 析软件中可以选用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 动态弹塑性材料模型[ 9]。混凝土与钢筋材料模型 参数如表2和表3所示。为满足设计精度, 控制有 限元单元最大尺寸为2 cm。模型横向各侧面与外 界空气接触的边界采用自由边界条件; 轴向两端边 界上采用无反射边界, 并约束梁身轴向位移。 表1 炸药状态方程参数 Table 1 Detonation product state equation related parameters A/ GPaB/ GPaR1R2ωE/ GPaV 21418. 24. 20. 90. 154. 191. 00 表2 混凝土材料模型参数 Table 2 Material parameters of concrete ρ/ (kgm -3) G/ GPaABCNFC/ MPaT/ MPaεEFMIN 240014. 80. 791. 600. 0070. 6125. 62. 41. 00. 01 SFMAXPC/ MPaUCPL/ MPaULD1D2K1/ GPaK2/ GPaK3/ GPa 7. 016. 00. 0018000. 10. 04185. 0-171. 0208. 0 201爆 破 2018年6月 万方数据 表3 钢筋材料模型参数 Table 3 Material parameters of rebar ρ/ (kgm -3) Es/ GPaνsσsy/ MPa 7. 52010. 284360 2 计算结果及分析 2. 1 应力云图分析 按照爆破方案, 设计孔内炸药起爆点设置在偏 孔底的位置。计算得到支撑梁爆破过程中的Von- Mises有效应力传播云图, 如图4所示。 由图4可知, 支撑梁内部柱状药包自起爆时刻 起, 药包周围产生柱状爆炸波向四周均匀传播。爆 炸波在33 μs时传播到支撑梁两端, 由于模型两端 设置透射边界, 因此爆炸波到达模型左右边界时未 发生反射现象。随着时间的进一步增加, 在73 μs 时爆炸波传播至模型左侧箍筋处, 在箍筋约束作用 下波阵面发生形变, 爆炸波在传播过程中能量产生 明显衰减。 图4 不同时刻Von mises等效应力分布状况 Fig. 4 Von mises equivalent stress distribution at different times 2. 2 混凝土单元应力分析 选取两个炮孔之间的1/2截面、 箍筋所在的两 个截面以及炮孔所在截面, 分析在爆炸波传播过程 中不同切口位置对混凝土单元受力情况的影响, 如 图5所示。 图5 截面位置示意图 Fig. 5 Schematic diagram of Cross-sectional position diagram 拉应力结果分析表明, 在没有箍筋切口的情况 下,四个截面中分别有17. 4%、11. 9%、11%、 16.8%的混凝土单元拉应力峰值达到了混凝土C40 极限抗拉强度标准值(2. 4 MPa) , 产生了受拉破坏; 混凝土单元受到的拉应力峰值主要集中在2 10 -2 MPa与1. 6 MPa之间, 表明未切断箍筋的支撑 梁在爆破拆除过程中混凝土的破坏方式主要为受压 破坏。四个截面的混凝土单元受拉应力峰值分布表 4所示。 表4 无切口模型混凝土单元受拉应力峰值分布 Table 4 No cutting model of Concrete peak tensile stress distribution 截面位置 单元数量( 个)α <1.6 混凝土单元拉应力峰值分布范围/ MPa 1.6≤α <2.02.0≤α <2.4α≥2.4 炸药截面886160667360 箍筋截面1940330561242 箍筋截面2931374543225 1/2截面776447505342 分析切口1、2、3模型中四个截面的混凝土单元 拉应力峰值可以看出, 当支撑梁使用一些预处理方 法切断箍筋后, 四个截面中的混凝土单元受到拉应 力普遍增大, 混凝土单元拉应力峰值集中分布范围 由2 10 -2 MPa到1. 6 MPa向2. 0 ~2. 4 MPa过渡, 达到混凝土极限抗拉强度标准值(2. 4 MPa)的混凝 土单元数量相较于无箍筋切口情况下的混凝土单元 数量也得到了相应的提高了。此时通过切断箍筋解 除了箍筋对混凝土的约束作用, 提高了部分混凝土 单元受到的拉应力, 并且由于混凝土材料的极限抗 压强度远大于其极限抗拉强度, 使得混凝土更容易 受到拉破坏。四个模型中的四个截面混凝土拉应力 301第35卷 第2期 陈 晨, 钟冬望, 司剑峰, 等 箍筋切口位置对支撑梁爆破拆除影响数值分析 万方数据 峰值分布对比图如图6。 图6 混凝土单元拉应力峰值分布图 Fig. 6 The peak tensile stress distribution of concrete elements 根据表5中各个切口位置各个截面拉应力峰值 超过其抗拉极限强度的混凝土单元数量增长率可以 看出切口3的增长率在各个截面均低于其余两个切 口位置, 切口2的增长率在各个截面中均高于其余 两个切口位置。 表5 拉应力峰值超过其抗拉极限强度的 混凝土单元数量增长率 Table 5 The tensile stress peak value exceeds the tensile strength of the concrete unit growth rate 截面位置 切口1 增长率 切口2切口3 炸药截面14644 箍筋截面1505512 箍筋截面259608 1/2截面959732 支撑梁中切断顶部箍筋对混凝土受到的约束强 度影响较小, 解除箍筋约束后不能大幅提高混凝土 在支撑梁爆破过程中所受到的拉应力, 无法通过切 断支撑梁顶部箍筋这种方法有效地改善支撑梁爆破 破碎效果; 而切断切口2位置钢筋时, 箍筋对混凝土 的约束作用明显减弱, 有效增大了支撑梁中混凝土 受到的拉应力, 混凝土主要以受拉破坏为主, 使混凝 土更容易被破坏, 有效地改善了支撑梁的爆破破碎 效果。 3 实际工程应用 3. 1 工程概况 武汉某深基坑支撑梁爆破拆除项目地处市区, 在 地下设施施工完毕后需对部分支撑结构进行爆破拆 除。整个支撑结构三层, 由立柱、 围檩、 冠梁和主支 撑、 次支撑、 栈桥主梁和栈桥次梁组成, 立柱为钢柱结 构, 其它均为钢筋混凝土构件。其混凝土强度等级为 C40, 保护层厚度30 mm, 配筋率约1.2% ~2.6%。 根据拆除要求不同可分为立柱结构、 支撑结构 和围檩结构。待拆构件参数与爆破参数如表6 所示。 401爆 破 2018年6月 万方数据 表6 待拆构件参数 Table 6 Parameters of component 结构件 名称 截面尺寸( 宽高)/ (m m) 孔距/ m排距/ m孔深/ m 单耗/ (gm -2) 主支撑0. 8 10. 80. 3(2排)0. 65900 次支撑0. 6 10. 80. 3(3排)0. 65900 在支撑梁浇筑前, 该工程使用了自主研发的一 种基坑内钢筋混凝土支撑梁爆破拆除预处理方 法[ 10], 在支撑梁侧面靠下距底面 25 cm处安装了预 置木条。在支撑梁爆破拆除前, 先用风镐破坏支撑 梁侧向的预制木条, 再割断箍筋, 割断箍筋的位置即 为数值计算中切口2的位置, 如图7所示。 图7 箍筋割断位置 Fig. 7 Cutting position of stirrup 3. 2 爆破破碎效果 如图8所示, 在没有采取预处理手段割断箍筋 的情况下, 由于没有解除箍筋约束, 部分混凝土受压 破坏导致其破碎不均匀, 爆破破碎效果较差, 支撑梁 内部分箍筋保留完整, 还需进行二次机械拆除清理 大块度混凝土与箍筋; 而通过采取预处理手段割断 箍筋使部分混凝土受拉破坏, 其破碎更加均匀、 充 分, 支撑梁爆破后仅剩纵向钢筋, 大大减小了二次机 械拆除工作量, 加快了施工进度, 降低了施工成本, 确保了工程质量要求。 图8 支撑梁爆破拆除效果 Fig. 8 Blasting demolition effect of support beams 4 结论 基于数值计算, 对支撑梁在不同箍筋切口位置 情况下混凝土的受力情况及破坏形式进行分析, 并 得出以下结论 (1) 在基坑支撑梁爆破拆除时, 预先切断箍筋 来解除箍筋约束作用可使部分混凝土单元破坏方式 以受拉破坏为主, 从而可以在相同药量下使混凝土 破碎更充分。 (2) 通过数值计算确定当切口位置在梁的侧面 靠下1/4处时, 支撑梁模型中达到抗拉极限强的混 凝土单元数量增长率最大, 可以确定该位置为箍筋 切口的最佳位置。 (3) 将计算结果中得出的最佳切口位置应用于 实际工程中, 取得了良好的支撑梁爆破破碎效果, 从 而加快了施工进度, 降低了施工成本, 可以为类似工 程提供借鉴。 参考文献(References) [1] 李福清, 蒋耀港, 曾定波, 等.不同基坑支撑拆除方式 对比研究[J].爆破,2011,28(3) 18-20. 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