基于有限元方法的多层建筑爆破拆除中受控渐进倒塌机制的战略规划

《Engineering Structures》：Finite element-based strategic planning of controlled progressive collapse mechanisms in the explosive demolition of a multistory building

通过增量垂直点荷评估关键柱序列，提出含预削弱的三阶段爆破策略以实现可控坍塌。KI值随位置变化（1.472-1.0），优化爆破时序可同步实现垂直坍塌（0.3s）与定向坍塌（0.1s/0.3s/0.9s/1.2s）。

　　

Ratnesh Kumar | Hrishikesh Sharma

印度古瓦哈提印度理工学院土木工程系

摘要

本研究提出了一种系统化的、多阶段的柱子拆除策略，以实现爆炸性拆除过程中的可控、渐进式倒塌。通过修改现有方法，在梁-柱接头处施加渐进式的垂直点载荷来评估关键元素指数（KI），从而识别出关键的柱子序列。在本研究中，KI在三种垂直加载配置下进行了测试，其中均匀分布的板载荷最能准确反映实际的载荷传递行为。KI值从底层内部柱子的1.472到顶层外部柱子的1.0不等。这些值指导了拆除顺序，首先进行预弱化处理，将重心向预定的倒塌方向移动。随后进行三个主要的爆破阶段，以确保结构完全失效。对于向内垂直内爆（VII），初始弱化使极限屈服强度降低了10.21%；对于向左方向倒塌（DCL），降低了31.39%；对于向角落方向倒塌（DCC），降低了26.23%。这种有意的弱化重新分配了结构负荷，并提高了相邻柱子的KI值。该策略使用有限元方法（FEM）并调整了不同的爆破间隔进行了模拟。结果表明，在0.3秒时同时引爆主爆破可产生近乎垂直的倒塌，且倾斜度最小。对于VII，最佳爆破时间为0.1秒、0.3秒、0.9秒和2.1秒；而对于DCL和DCC，相应的爆破时间为0.1秒、0.3秒、0.9秒和1.2秒。最后爆破阶段的延迟会增加整体倒塌时间。这种提出的方法为在城市环境中实现安全、可控的结构倒塌提供了一个实用的、稳健的框架。

引言

近年来，由于基础设施老化、改造成本过高、设计缺陷、施工质量差、城市发展政策调整以及违反土地使用规定等原因，建筑物拆除的数量显著增加[1]、[2]、[3]。随着建筑物高度的增加，传统的拆除方法（如起重机、液压破碎机和混凝土切割机）效果逐渐减弱，导致项目周期延长和成本上升[4]、[5]。因此，工程师越来越多地采用爆炸性拆除（ED）技术，因为它具有高效、安全且符合可持续拆除实践的特点[6]、[7]。该技术通过控制爆炸的使用，在预定义的范围内诱导结构倒塌，从而将风险降到最低[8]、[9]、[10]。Zhu等人[11]强调，成功的ED执行需要全面的拆除前规划，包括识别关键承重柱子、评估渐进式倒塌（PC）的可能性，以及制定优化的拆除顺序和爆破时机，以确保安全、可控的倒塌。

尽管结构工程领域取得了进展，但PC仍然是一个关键挑战，因为研究人员对其潜在机制尚未完全理解。因此，彻底理解这些过程对于开发安全可靠的倒塌策略至关重要[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。Sun等人[17]提出了一个静态-动态分析框架，用于模拟钢结构的局部和整体倒塌，并研究了火灾条件下的柱子失效情况，强调了热载荷的不稳定效应。除了分析研究外，实际的结构失效案例也提供了宝贵的见解。Pearson等人[18]报告称，Ronan Point的气体爆炸破坏了关键承重构件，导致PC的发生。Le等人[19]将世界贸易中心的倒塌归因于飞机撞击后钢构件的火灾弱化，而Lu等人[20]指出，Murrah联邦大楼中一根关键柱子的爆破损失破坏了垂直载荷路径，导致了不成比例的倒塌。为了减轻这些风险，工程师采用了诸如交替载荷路径法、特定局部抵抗法和拉紧力法等设计方法，以增强结构在异常载荷条件下的稳定性[21]、[22]、[23]、[24]。然而，尽管之前的研究探讨了PC的原因和缓解措施，但只有有限的研究关注了在计划好的爆破拆除场景中实现可控倒塌的系统设计框架。

为了实现可控的结构拆除，对于向内垂直内爆，以逐层渐进式失效为特征的“煎饼机制”是有效的。相比之下，“多米诺机制”（即结构构件的顺序翻转）更适合于方向性倒塌[25]、[26]。先进的数值建模技术，包括有限元方法（FEM）、离散元方法（DEM）和应用元方法（AEM），已被广泛用于分析这些机制[27]、[28]、[29]、[30]。Michaloudis等人[31]使用FEM结合节点分裂和元素侵蚀来模拟20层建筑的倒塌，证明了节点分裂有效捕捉了材料失效的进程，并能够在倒塌过程中实现内部应力的真实再分布。类似地，Long等人[32]使用FEM模拟研究了两种机制下的倒塌行为。对于方向性倒塌，他们的模型从预定倒塌侧的底部开始依次拆除柱子，向上并向相反方向移动；而对于向内垂直内爆，则从下部中心区域开始拆除，向上和向外进行，以诱导集中向内的倒塌。尽管这些研究为倒塌机制和建模方法提供了宝贵的见解，但它们尚未建立系统化的框架来优化柱子拆除顺序和时机，而这对于有效的ED规划至关重要。

为了有效的ED规划，Isobe等人[33]、[34]使用关键元素指数（KI）来评估柱子在维持结构稳定性方面的相对重要性。他们的方法根据KI值对柱子拆除进行优先级排序，建议对排名较高的柱子同时爆破，对排名较低的柱子则分阶段拆除。拆除排名较高的柱子会导致快速、不可控的倒塌，而针对排名较低的柱子则可以实现更可控的失效[33]。在此基础上，他们利用KI分布和方差分析了一种折叠结构配置，制定了包括初始弱化阶段和两个主要爆破阶段的多阶段拆除策略，以确保结构完全倒塌[34]。Sun等人[35]进一步研究了折叠倒塌，分析了双折叠和三折叠机制下的切口角度以及爆破延迟时机对倒塌控制的影响。然而，大多数关于折叠倒塌策略的研究集中在堆叠结构和钢结构上，对其在钢筋混凝土（RC）建筑中的应用研究相对较少。因此，为RC建筑开发定制的倒塌策略对于确保安全和可预测的拆除结果至关重要。

要在ED中实现可控且可预测的倒塌，需要战略性地规划柱子拆除的顺序和时机，以确保在不同倒塌机制下实现渐进的、完整的结构失效。然而，柱子位置和构件尺寸的固有变化会导致载荷分布不均匀，这复杂化了顺序拆除过程中的载荷传递路径，并增加了意外失效传播的风险。这些挑战凸显了在每个阶段准确识别关键柱子序列的必要性。将这些信息纳入具有明确时间间隔的多阶段拆除策略中，有助于在不同结构配置下实现稳定和可控的倒塌。

为应对这些挑战，本研究开发了一种四阶段的柱子拆除序列，以促进拆除规划中的可控PC。为此，首先对RC建筑进行了建模和设计，然后修改了现有概念，通过在梁-柱接头处施加渐进式的垂直点载荷来评估KI。在此分析中，在三种渐进式垂直加载条件下评估了该指数，以识别关键柱子。随后使用最佳加载条件确定柱子拆除顺序，包括初始弱化阶段和针对三种不同倒塌机制的连续主要爆破阶段。模拟在不同时间间隔下评估该顺序，以考察其对倒塌行为的影响，并确定在每种情况下实现可预测、稳定失效的最佳爆破时机。

方法部分

关键柱子识别方法

本节介绍了用于ED规划的数值模型，并概述了用于识别关键柱子及其拆除序列在三种垂直加载条件下的影响的方法：在梁-柱接头处施加渐进式的垂直点载荷、在梁上施加均匀分布载荷（UDLs）以及在板上施加UDLs。

多阶段爆炸性拆除的规划和模拟

本节通过扩展Isobe等人[43]提出的概念，使用在板级别施加的UDLs而非梁-柱接头处的点载荷来识别关键柱子的顺序。基于这一扩展框架，开发了一种多阶段柱子拆除策略，以表示三种不同的倒塌机制。所提出的拆除序列通过具有交错时间间隔的数值模拟来实现

结论

本研究提出了一种用于爆破拆除规划中的可控PC的系统方法。通过KI的变化识别出关键柱子序列，随后制定了针对三种不同倒塌机制的四阶段拆除策略。该序列包括初始弱化阶段和三个连续的主要爆破阶段。通过高保真数值模拟评估该策略，以考察爆破时机对倒塌行为的影响，并确定

作者贡献声明

Ratnesh Kumar：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件开发、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。Hrishikesh Sharma：撰写——审阅与编辑、监督、资源获取、资金筹措。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所述的工作。