箍筋对深基坑支撑梁爆破拆除的影响机制

时间：2024-07-28

何理钟冬望涂圣武陈晨宋琨

（1.三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北宜昌443002；2.武汉科技大学中铁港行-武科大爆破技术研究中心，武汉430065）

随着城市建设的快速发展，由于地下交通、高层建筑埋深、人防设施等各种需要，地下空间的高效利用越来越被人们重视。近几年来，超高层房屋的兴建以及城市标志性建筑的兴起，使得城市地标屡屡刷新记录。如2008年竣工的上海环球金融中心共101层，高492 m；2009年竣工的广州新电视塔共127层，高600 m；2016年3月竣工的上海中心大厦共125层，高632 m；预计在2020年建成的武汉绿地中心将高达636 m［1］。在城市最高建筑屡屡刷新记录的同时，复杂环境下大型基坑的开挖、支护、拆除成为建造这些标志性建筑前期最紧要的工作，其中深基坑支撑梁的安全、高效拆除是建设过程中最为关键的环节之一。

由于箍筋可对混凝土梁产生有效的侧向约束作用，能显著改善混凝土的高脆性问题并提高混凝土梁（柱）自身的承载力、变形能力及稳定性［2］。因此，高强箍筋约束的混凝土梁被广泛应用于大型深基坑围护结构与支撑体系中。大量工程实践与试验研究表明［3-5］，高强箍筋约束混凝土梁较高的承载力及抗变形能力严重制约了支撑体系在后续爆破拆除过程中的施工效率、爆破效果。为了解除箍筋对梁的侧向约束效应，改善深基坑钢筋混凝土支撑梁爆破拆除效果，实践中通常在支撑梁爆破拆除前采用切割机切割、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［5-6］。然而，深基坑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，矩形箍筋侧向约束效应解除前后对支撑梁爆破拆除影响机制的研究鲜有成果见诸报端。基于此，本文采用理论分析与数值模拟相结合，对比分析箍筋的侧向约束效应解除前后支撑梁核心区混凝土单元应力状态转化规律、材料失效破坏方式以及爆破破碎形态，系统研究爆破法拆除深基坑钢筋混凝土支撑梁时箍筋对梁身的作用机制及其对爆破拆除效果的影响，为类似拆除爆破工程提供理论借鉴。

1 理论分析

1.1 矩形箍筋对混凝土梁的侧向作用机制

Sheikh［7］指出，在混凝土梁横截面方向，圆形箍筋对核心区混凝土的被动约束力是均匀分布的，而对于方形或矩形截面，箍筋约束力并非均匀分布，其最大值集中在箍筋各肢十字相交处。这是由于该处的侧向约束主要由十字相交处箍筋的轴向刚度决定，直至箍筋受拉屈服之前其刚度很高；随着远离十字相交处，侧向约束作用快速减小，此时箍筋的抗弯刚度开始起主导作用，所以箍筋各边中部对混凝土的约束力最小，如图1（a）所示。

将矩形箍筋对混凝土的实际侧向约束力进行等效简化（图1b），假定侧向约束力为均匀分布［8］，根据静力平衡方程，可求得平均约束应力σave为：

式中，σsc为约束混凝土达到峰值应力时对应的箍筋应力，MPa；s为箍筋间距，m；Rx和Ry分别为x、y方向箍筋轴线间的距离，m；Ax和Ay分别为x、y方向箍筋的横截面总面积，m2。

1.2 箍筋对混凝土单元应力状态影响分析

当药包在支撑梁内部爆炸（爆破法拆除支撑梁）瞬间释放大量能量，箍筋对支撑梁的侧向约束效应随核心区混凝土的爆破扩容现象而显著增强；不但自身承担较多拉应力，也会限制混凝土中拉应力的产生；而且，使梁内核心区混凝土单元大多处于三向受压应力状态，混凝土力学性能向塑性材料转变，抵抗变形破坏的能力大大提高，单元应力状态如图2（a）所示。此时混凝土单元主要以受压破坏为主，而混凝土抗压强度远大于其抗拉强度，压坏混凝土比拉坏混凝土要困难得多。在城市复杂环境下，为安全考虑，所用炸药量一般不足以将钢筋拉断，通常只会使钢筋产生较大塑性变形而被拉长。由于药量的限制和箍筋的侧向约束效应，加上钢筋被拉伸消耗较多能量，钢筋混凝土支撑梁的拆除爆破往往达不到预期效果，多出现钢筋与混凝土不能完全分离，大块多，需要二次破碎和处理等问题。

钢筋混凝土支撑梁拆除爆破工程中，通常在支撑梁爆破拆除前采用线性切割预处理等技术手段［5］切断矩形箍筋，解除箍筋对梁身的侧向约束作用，梁内混凝土单元在爆破荷载作用下的应力状态如图2（b）所示；混凝土单元抵抗变形破坏能力降低，体现出明显的脆性材料力学特性。

根据前述的箍筋侧向约束力分布机制理论分析结果，可以得到矩形箍筋对梁身混凝土的约束力由箍筋各肢十字相交处向各边中点逐渐减小，为最大限度解除箍筋侧向约束效应，避免因破坏钢筋而消耗过多爆炸能量，应选取在十字相交处切断箍筋。爆破拆除时，箍筋切断处为混凝土侧向约束弱面，支撑梁断面上的早期破坏区域和抛渣方向必然被引导至切断点方向。然而，城市复杂环境下钢筋混凝土支撑梁的拆除爆破需严格控制爆破飞石危害，故只能将抛渣方向引导至侧下方。综合考虑爆破效果、预处理施工便捷性和爆破安全等因素，笔者提出合理的箍筋切断点位于支撑梁两侧中下部，如图3所示。同时，对基坑的横支撑大面积采用箍筋预处理措施，尤其是对于长细比较大的支撑，则容易丧失刚度，会为施工安全带来不利因素，在深基坑支撑体系爆破拆除实践中需引起高度重视，建议分区分段对水平横支撑采用箍筋预处理措施。

2 钢筋混凝土支撑梁爆破拆除数值计算

2.1 共节点分离式模型建立

钢筋混凝土支撑梁的共节点分离式模型可以较好地体现钢筋与混凝土2种材料的力学性能差异，可以真实地再现混凝土和钢筋单元不同的失效过程。同时，建模过程相对于界面元分离式模型较简单，又可避免模型单元数目过大带来的计算困难等问题［9］。

借助有限元分析软件ANSYS以某项目深基坑支撑体系中桁架撑为研究对象，建立共节点分离式模型进行有限元计算。为简化分析，取支撑梁跨中长为1.4 m的梁段进行建模，如图3所示。梁截面尺寸为1 000 mm×800 mm，混凝土保护层厚度为30 mm；纵筋直径25 mm，上部架立钢筋2根，下部纵向钢筋3根，矩形箍筋直径15 mm，间距200 mm。炮孔在支撑梁内垂直向梅花形布置，距支撑梁底边0.25 m，排距300 mm，孔距400 mm，单孔药量256 g，模型中4个炮孔同时起爆。为满足设计精度，设定有限元网格单元最大尺寸为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；模型轴向两端边界上采用无反射边界，并约束梁身轴向位移。

2.2 材料模型及状态方程

炸药单元选用JWL状态方程描述爆轰产物中压力和内能及爆轰产物相对体积之间的关系［10］：式中，V为爆轰产物的相对体积；E0为爆轰产物的比内能，J/m3；A、B为常数；R1、R2为无量纲常数；ω为格林艾森参数。乳化炸药材料参数取值见表1。

混凝土采用Mat-Johnson-Holmquist-Concrete模型，材料参数取值见表2。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［10］。

纵向钢筋与箍筋采用随动强化Mat-Plastic-Kinematic材料模型和Von-Mises屈服准则，该模型适用于模拟各向同性和动力塑性硬化材料。由于整个爆炸冲击过程瞬间完成，按Cowper-Symonds方式考虑应变率效应对屈服强度的影响［11］。钢筋材料参数取值见表3。

2.3 结果与分析

2.3.1 单元峰值应力分布规律

通过数值计算对比分析箍筋侧向约束解除前后支撑梁内混凝土单元峰值拉应力分布规律，如图4所示。结果表明拆除前采用相应预处理技术切断箍筋，箍筋所在截面处混凝土单元峰值拉应力整体取值向大值过渡，截面中51.3%（574个）的单元拉应力超过了混凝土抗拉强度，此时大量混凝土单元失效方式由受压破坏向受拉破坏转变，使得混凝土更容易被爆破破碎；因此，相同截面尺寸、配筋率及混凝土强度等级情况下，拆除前切断箍筋解除其侧向约束效应，可有效减小炸药单耗，节约施工成本。

2.3.2 支撑梁爆破破碎形态

材料单元的失效控制计算时，混凝土材料的抗拉强度与抗压强度分别取为2.5 MPa和20.1 MPa。支撑梁中钢筋材料视作各向同性均值材料，计算时设置为应变失效控制，失效应变为0.12。选取支撑梁侧面靠下位置为箍筋切断点，支撑梁爆破破碎形态如图5所示。

由图5可以看出，解除支撑梁箍筋侧向约束作用后，梁身混凝土材料破碎区范围更大，支撑梁的整体爆破拆除效果显著提高；由于箍筋切断点位于支撑梁侧面靠下位置，此处产生夹制弱面，支撑梁中下部混凝土破碎较上部充分，可完全脱落，见图5（b）；同时上部碎而不飞的混凝土可有效阻隔冲击波作用下向上抛出的爆破飞石，确保了施工安全，验证了箍筋最优切断点理论分析的合理性。

3 工程应用效果

3.1 工程应用概况

武汉某项目工程地处市区，基坑等级为一级，开挖深度大。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，其他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%。

根据拆除要求不同可分为立柱结构、支撑结构和围檩结构。待拆构件参数如表4所示。

支撑梁爆破拆除前，采用钢钎破除支撑梁侧面靠下位置的混凝土保护层，随后用钢丝钳剪断箍筋，如图6所示。