夏 冰，肖建莊，2，呂鳳悟，王 耀

（1.同濟大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092；2.同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室，上海200092；3.中建海峽建設(shè)發(fā)展有限公司，福建福州350015）

我國城鎮(zhèn)化進程帶來了大規(guī)模建設(shè)熱潮，建成服役后的建筑結(jié)構(gòu)拆除將是未來土木工程的一個不可回避的問題。“十一五”期間，我國年均建筑拆除量已達9.2億m2［1］。2017年，我國年排放建筑固體廢棄物（簡稱“固廢”）量達18億t（不含渣土），占城市固廢的30%～40%［2］，已造成嚴重環(huán)境負擔(dān)，提高建筑固廢資源化利用水平將成為建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求［3］。

結(jié)構(gòu)拆解，是按特定流程將結(jié)構(gòu)構(gòu)件分類、分對象從原結(jié)構(gòu)中逐步拆卸的逆向施工方法。近年來，已有研究重點關(guān)注結(jié)構(gòu)拆解技術(shù)，提出了不同類型結(jié)構(gòu)構(gòu)件的拆解施工方法［4-6］，盡量保證了構(gòu)件的完整性，使構(gòu)件直接再利用成為可能。為優(yōu)化結(jié)構(gòu)拆解和構(gòu)件再利用的便捷性，亦有文獻提出了可拆裝結(jié)構(gòu)的理念［7］，研發(fā)構(gòu)造上便于拆卸與再安裝的可拆裝節(jié)點［8-9］，使預(yù)制混凝土構(gòu)件具有整體再利用潛能；有研究［10］采用常規(guī)施工工具，實現(xiàn)了混凝土構(gòu)件的拆裝過程，并通過擬靜力試驗驗證了可拆裝混凝土框架節(jié)點具有良好的抗震性能。相比于再生混凝土等原料化后循環(huán)利用的方式，構(gòu)件層次的再利用可降低資源化過程的能耗與污染，可持續(xù)性更優(yōu)［11-12］。因此，采用結(jié)構(gòu)拆解替代傳統(tǒng)拆除，對建筑固廢資源化的發(fā)展具有里程碑意義。

結(jié)構(gòu)拆除過程中，構(gòu)件承載力、連接性能、原有結(jié)構(gòu)體系完整性等逐漸被破壞，危險性較高，造成了不少工程事故［13］。結(jié)構(gòu)拆解因工期長、工序多使得類似問題更為突出，安全管控尤為重要。結(jié)構(gòu)拆解這一新型施工過程將形成新型結(jié)構(gòu)形式、傳力路徑與受力承載狀態(tài)，有必要采用針對性力學(xué)分析以保證拆解施工全過程的安全性。

在現(xiàn)有力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合結(jié)構(gòu)拆解的目標和特征，提出控制屬性，提煉出主要力學(xué)分析內(nèi)容，并給出可行的力學(xué)分析工具，為結(jié)構(gòu)拆解提供理論保障與指導(dǎo)。

1 結(jié)構(gòu)拆解的力學(xué)基礎(chǔ)

1.1 拆解目標與控制屬性

結(jié)構(gòu)拆解關(guān)注廢舊建材資源化利用率的提升，其目標為在安全的前提下，從原有結(jié)構(gòu)中盡可能多地拆卸下?lián)p傷程度較低的可再用構(gòu)件，兼顧施工成本與工期的降低。因此，相應(yīng)的力學(xué)分析需為拆解全流程的力學(xué)控制提供保障，可提煉出以下2種控制性拆解屬性。

（1）安全性。結(jié)構(gòu)拆解可能造成局部或整體安全風(fēng)險。拆解作業(yè)削弱局部承載力，周邊區(qū)域內(nèi)力重分布顯著，易出現(xiàn)承載力不足導(dǎo)致的意外破壞。結(jié)構(gòu)魯棒性表征在偶然作用對結(jié)構(gòu)造成局部損傷的條件下，結(jié)構(gòu)體系不會發(fā)生連續(xù)倒塌的能力［14］。結(jié)構(gòu)拆解造成的整體安全風(fēng)險主要來源于結(jié)構(gòu)冗余度的變化，需考慮與魯棒性分析類似的問題，但將上述偶然作用變更為人工干預(yù)。為保證拆解安全性，需開展承載力校核和結(jié)構(gòu)魯棒性分析。

（2）再利用性。再利用性反映拆解后構(gòu)件或剩余結(jié)構(gòu)的再次使用潛能，關(guān)注材料性能劣化程度和構(gòu)件的損傷、殘余應(yīng)力與殘余變形程度，上述程度越低，再利用性越高。

安全性滿足要求是結(jié)構(gòu)拆解實施的必要條件，而再利用性是實現(xiàn)拆解目標與意義的關(guān)鍵屬性，應(yīng)盡量滿足，可作為拆解的優(yōu)化目標。結(jié)構(gòu)拆解的力學(xué)分析需獲取能有效判別以上2類屬性的力學(xué)狀態(tài)量。如圖1給出了單根構(gòu)件拆解示意，指明了本文敘述中的各類對象，其中涉及2個拆解過程，單個拆解過程對應(yīng)單步拆解作業(yè)與一處約束解除。

圖1 單根構(gòu)件拆解流程及結(jié)構(gòu)拆解各分析對象Fig.1 Deconstruction of a component and analysis objects of deconstruction

1.2 拆解類別與荷載狀況

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析是在特定結(jié)構(gòu)形態(tài)的基礎(chǔ)上分析各類荷載或荷載組合作用下結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。而在拆解過程中，結(jié)構(gòu)形態(tài)與荷載狀況均隨施工過程的演進而不斷變化，時變特征較強。但不同拆解作業(yè)對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的擾動程度不同，造成的時變影響也存在差異，帶來不同的分析需求。

結(jié)構(gòu)拆解過程可進行如下分類：

（1）依據(jù)拆解順序分為正序拆解和非正序拆解。前者從上至下將構(gòu)件依次拆解，與結(jié)構(gòu)建造的逆過程相近；后者則是在目標構(gòu)件上方結(jié)構(gòu)尚未完成拆解時，優(yōu)先對目標構(gòu)件實施拆解。

（2）依據(jù)施工方法分為有支撐拆解和無支撐拆解。前者指作業(yè)前在拆解區(qū)域安裝臨時支撐，以分擔(dān)拆解后局部產(chǎn)生的附加內(nèi)力；后者則指無臨時支撐的拆解作業(yè)，結(jié)構(gòu)時變造成的內(nèi)力重分布更為顯著。

（3）依據(jù)作業(yè)特點分為慢速拆解和快速拆解。前者為緩慢移除約束、釋放內(nèi)力，動態(tài)響應(yīng)不明顯；后者則快速解除局部約束，造成的應(yīng)力波傳播將使結(jié)構(gòu)到達靜力平衡前產(chǎn)生較為明顯的短時動態(tài)響應(yīng)［15］。

各類別拆解過程對結(jié)構(gòu)受力的影響程度如表1所示。應(yīng)當(dāng)指出，拆解全流程可能由一類或多類拆解過程構(gòu)成。

表1 拆解類別及對應(yīng)力學(xué)影響Tab.1 Deconstruction categories and correspond?ing mechanical influence

結(jié)構(gòu)拆解的工程特征形成力學(xué)分析中關(guān)注的荷載狀況，需考慮靜力與動力作用。靜力作用主要有結(jié)構(gòu)自重和臨時施工荷載，如施工機具與廢棄物的堆放、施工人員的移動、施工機械作用等，部分地區(qū)可通過擬靜力方式考慮風(fēng)、雪等荷載作用。動力作用主要有地震等自然災(zāi)害的動力作用、結(jié)構(gòu)形狀快速時變產(chǎn)生的動力效應(yīng)、施工意外造成的沖擊荷載和部分施工方法造成的結(jié)構(gòu)振動等。

拆解中結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)程度與拆解類別密切相關(guān)，短時動態(tài)響應(yīng)若出現(xiàn)，則將成為該拆解過程的控制性工況，可簡化地在靜力分析中采用動態(tài)放大系數(shù)考慮這一影響［16-18］。此外，常規(guī)結(jié)構(gòu)拆解工期短，遭遇重大災(zāi)害的概率很小，可不考慮地震作用［19］；對于超高層或復(fù)雜結(jié)構(gòu)，工期長、倒塌影響大，應(yīng)適當(dāng)考慮地震作用。對于其他災(zāi)害也可根據(jù)地區(qū)特征，分析工期內(nèi)災(zāi)害發(fā)生的概率，以確定是否進行災(zāi)害下的動力分析。人為失誤造成的動力影響可轉(zhuǎn)化為意外沖擊荷載作用，考慮沖擊荷載的施加的最不利位置，分析結(jié)構(gòu)的魯棒性。

組合上述靜、動力作用，可形成適合于各類拆解背景的力學(xué)分析工況。

1.3 力學(xué)狀態(tài)與理論基礎(chǔ)

待拆解的原結(jié)構(gòu)可由不同種類的材料構(gòu)成，從固體力學(xué)的觀點出發(fā)，這些結(jié)構(gòu)材料所處的宏觀力學(xué)狀態(tài)主要有彈性、塑性和黏彈性［20］。進入塑性后，將出現(xiàn)不可逆變形，對結(jié)構(gòu)外觀及性能產(chǎn)生影響；黏彈性體現(xiàn)于結(jié)構(gòu)長期性能中的徐變與應(yīng)力松弛，長期使用造成結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力狀態(tài)與初始設(shè)計狀態(tài)存在差異，這種差異在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中體現(xiàn)得尤為明顯［21］。以上分析可依據(jù)現(xiàn)有材料力學(xué)、彈性力學(xué)、彈塑性力學(xué)等基礎(chǔ)理論進行。

損傷力學(xué)是基于材料或結(jié)構(gòu)宏觀力學(xué)性能退化進行力學(xué)分析的方法［22］。通過引入損傷變量，不僅能輔助分析結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，還可反映結(jié)構(gòu)各部分力學(xué)性能劣化程度。相較于避免損傷發(fā)生，將再利用部位的損傷因子控制在某一限值以下，可擴大資源化再利用的選擇面，更適合于實際工程。

時變結(jié)構(gòu)力學(xué)為形狀時變的拆解中結(jié)構(gòu)與剩余結(jié)構(gòu)提供了一種適用性較好的力學(xué)分析方法［23］，可分為快速、慢速和超慢速時變結(jié)構(gòu)力學(xué)3類［19］，快速時變可用于快速拆解造成的動態(tài)響應(yīng)分析，慢速時變可用于拆解過程靜力分析，超慢速時變可用于服役后、拆解前的結(jié)構(gòu)狀態(tài)分析。邊界約束減弱可能導(dǎo)致部分構(gòu)件或局部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，可采用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論分析。拆解作業(yè)中，破壞面裂紋可能發(fā)生意外形式的擴展，進而降低結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的再利用性能，可采用斷裂力學(xué)理論進行分析與控制。

此外，結(jié)構(gòu)服役期內(nèi)環(huán)境作用下性能退化是影響待拆解結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的重要因素，工程結(jié)構(gòu)典型服役環(huán)境有大氣環(huán)境、工業(yè)環(huán)境、海洋環(huán)境、凍融環(huán)境等［24］，需采用碳化銹蝕、氯鹽侵蝕、硫酸鹽侵蝕、凍融循環(huán)等作用下結(jié)構(gòu)性能退化預(yù)測理論成果定義待拆解結(jié)構(gòu)的初始性能，有條件時還可依據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果進行修正。

2 結(jié)構(gòu)拆解的力學(xué)分析內(nèi)容

2.1 簡化方法與分析類別

針對拆解工程的特點，可提出以下2種簡化分析方法：

（1）狀態(tài)離散法。理論上，拆解施工過程中結(jié)構(gòu)隨施工作業(yè)不斷變化，時變效應(yīng)明顯。但當(dāng)結(jié)構(gòu)時變不造成明顯的動力響應(yīng)時，可依據(jù)慢速時變結(jié)構(gòu)力學(xué)，將結(jié)構(gòu)的形狀時變離散為一系列時不變的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行分析。當(dāng)動力響應(yīng)明顯時，也可簡化為動力荷載作用于特定結(jié)構(gòu)狀態(tài)的問題，避免力學(xué)分析中結(jié)構(gòu)參數(shù)時變帶來的復(fù)雜性。通常基于單步拆解開始前與完成后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)開展分析。

（2）空間分割法。單步拆解作業(yè)往往是對局部區(qū)域進行破拆，局部區(qū)域有較為顯著的內(nèi)力重分布或裂紋擴展過程，力學(xué)分析需跟蹤上述變化過程以判別危險狀態(tài)。由于過程分析涉及的狀態(tài)相對密集，若基于整體結(jié)構(gòu)模型分析將使計算量過大，而局部作業(yè)對遠離局部區(qū)域的應(yīng)力擾動較小，可對整體結(jié)構(gòu)進行空間分割，對局部區(qū)域單獨劃分更密集的分析狀態(tài)，找到危險狀況后再反作用于剩余結(jié)構(gòu)完成整體分析。這一簡化的實質(zhì)為忽略作業(yè)局部和其余結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的耦合作用，因而局部范圍的選擇決定分析精度［18］，應(yīng)依據(jù)局部拆解對結(jié)構(gòu)體系的影響的敏感程度確定。

基于狀態(tài)離散法和空間分割法，結(jié)構(gòu)拆解全流程可劃分為一系列離散的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，對各結(jié)構(gòu)狀態(tài)可開展局部、結(jié)構(gòu)和構(gòu)件3類分析，如圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)拆解力學(xué)分析內(nèi)容Fig.2 Analysis contents of deconstruction of struc?tures

2.2 分析目標與主要內(nèi)容

2.2.1 局部分析

局部分析的目標為建立描述拆解作業(yè)影響的荷載模型，并校核局部承載力。通過提取拆解作業(yè)及周邊應(yīng)力、變形變化較大的區(qū)域作為子結(jié)構(gòu)，其余結(jié)構(gòu)部分作為邊界約束，進行力學(xué)分析，將拆解作業(yè)的特殊影響集中于所分析局部，關(guān)注子結(jié)構(gòu)中內(nèi)力轉(zhuǎn)移規(guī)律。

對于施工作業(yè)區(qū)域，可通過荷載統(tǒng)計，采用量化的靜、動力作用模型描述拆解施工作用。局部分析需重點關(guān)注拆解造成的約束解除過程。破壞面是拆解的約束解除處，對于螺栓、榫卯、可拆裝節(jié)點等可拆連接的情況，連接的釋放較為便捷，斷裂風(fēng)險小，需關(guān)注截面應(yīng)力重分布過程；對于現(xiàn)澆、焊接等整體連接情況，常采用局部切割的方式完成拆解，產(chǎn)生的人工裂紋處于復(fù)雜應(yīng)力場中，裂紋擴展方向與原有裂紋方向存在一定夾角［25］，需評估裂紋意外擴展和突然破壞風(fēng)險。通過過程分析，可識別危險狀況，評估作業(yè)安全，同時，將拆解對破壞面的特殊影響轉(zhuǎn)化為通用的結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)參量表達。

對于作業(yè)周邊區(qū)域，有支撐拆解的分析重點為拆解中構(gòu)件、臨時支撐和剩余結(jié)構(gòu)在該局部的內(nèi)力重分布；無支撐拆解的分析重點則為約束撤除后構(gòu)件承載機制的變化。此外，還需重點關(guān)注邊界約束弱化后的構(gòu)件穩(wěn)定性問題。通過力學(xué)狀態(tài)分析實現(xiàn)局部承載力校核，并儲存典型危險狀況，為后續(xù)結(jié)構(gòu)分析和構(gòu)件分析提供荷載、損傷等力學(xué)參數(shù)。

2.2.2 結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)分析的目標為判別各結(jié)構(gòu)狀態(tài)的安全性，具體為整體承載力與魯棒性校核。正序拆解對剩余結(jié)構(gòu)傳力路徑影響小，安全風(fēng)險可在局部分析中得到充分體現(xiàn)，可弱化結(jié)構(gòu)分析。而非正序拆解將切斷原傳力路徑，存在連續(xù)倒塌風(fēng)險［26］，即單根構(gòu)件的局部失效可能造成結(jié)構(gòu)大規(guī)模失效。此時，拆解對剩余結(jié)構(gòu)的影響與抗連續(xù)倒塌分析中常用的改變路徑法（Alternate Path Method）［16，27-28］分析狀況十分類似，需利用結(jié)構(gòu)冗余度提供的替代荷載傳遞路徑保證拆解安全。采用局部分析結(jié)果可簡化結(jié)構(gòu)承載力分析中的荷載作用項；若結(jié)構(gòu)響應(yīng)與局部分析中的邊界條件設(shè)置情況差異較大，需調(diào)整局部分析的范圍，重新進行局部分析和結(jié)構(gòu)分析，直至上述差異減小至可接受的精度要求內(nèi)。

結(jié)構(gòu)拆解涉及多構(gòu)件拆解流程，結(jié)構(gòu)狀態(tài)分析需兼顧后續(xù)拆解的可行性，因而魯棒性是拆解力學(xué)分析的關(guān)鍵指標，反映結(jié)構(gòu)多路徑承載潛能與受力合理性，以及在災(zāi)害下的抗連續(xù)倒塌性能，可基于結(jié)構(gòu)的屬性或性能進行評價［14］。同時，魯棒性分析可識別結(jié)構(gòu)的易損狀態(tài)，減少需進行整體承載力分析的結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)量。

2.2.3 構(gòu)件分析

構(gòu)件分析的目標為判別構(gòu)件的再利用性。構(gòu)件再利用性與服役期耐久性損傷以及拆解中的應(yīng)力歷史有關(guān)，可體現(xiàn)于上述局部分析與結(jié)構(gòu)分析的應(yīng)力、應(yīng)變分布及變化歷史結(jié)果中。因此，構(gòu)件分析的實質(zhì)是對各構(gòu)件涉及的拆解全流程力學(xué)參量分別再處理的過程，基于最大響應(yīng)的損傷指標［29］較為適用，可依據(jù)材料損傷變量、塑性應(yīng)變或剛度退化等力學(xué)特征評估再利用性。

構(gòu)件分析的對象為需再利用的拆解后構(gòu)件，在改建工程中還需對剩余結(jié)構(gòu)中的各構(gòu)件與子結(jié)構(gòu)進行分析。對于無需再利用部分，可充分利用塑性的變形或應(yīng)力增長潛力以保證安全；在災(zāi)害、事故等意外狀況的分析中，也可降低再利用需求，充分利用結(jié)構(gòu)塑性和冗余度對剩余承載力的貢獻。上述2類情況可不進行構(gòu)件分析。

3 結(jié)構(gòu)拆解的力學(xué)分析工具

結(jié)構(gòu)拆解的力學(xué)分析對象眾多，需采取合適的分析策略保障分析精度并提升分析效率，適用于結(jié)構(gòu)拆解分析的力學(xué)工具，推薦為概念分析、解析分析和數(shù)值模擬。

3.1 概念分析

概念分析是不直接求解力學(xué)基本方程而通過綜合運用力學(xué)概念判斷結(jié)構(gòu)基本力學(xué)響應(yīng)的方法［30］。概念分析可對結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)進行宏觀把握與預(yù)估，總結(jié)大量拆除工程事故案例可發(fā)現(xiàn)，事故原因多為拆除順序不當(dāng)、施工操作不當(dāng)、局部過載等結(jié)構(gòu)概念性錯誤，且拆解工程中的各結(jié)構(gòu)狀態(tài)為維持時間很短的臨時狀態(tài)，大量的精細化力學(xué)分析常常是不經(jīng)濟的，因而概念分析在結(jié)構(gòu)拆解力學(xué)分析中尤為重要。

概念分析的常用方法有：幾何可變性分析、剛度分配法、極限法、影響線法、振型概念判斷等。結(jié)構(gòu)體系的幾何組成性質(zhì)涉及約束數(shù)量和約束位置2類條件［31］，拆解作業(yè)改變體系的約束數(shù)量，臨時支撐改變約束位置，需通過分析保證拆解全流程剩余結(jié)構(gòu)的幾何不變。剛度分配法是基于超靜定結(jié)構(gòu)中內(nèi)力按剛度分配的原理分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的方法，主要有彎矩分配法和剪力分配法，基于此還可建立動因素法、延拓方法［30］等實用概念分析策略。極限法是剛度分配法的拓展，通過分析約束剛度極大或極小的狀況，判別結(jié)構(gòu)內(nèi)力的上下限值，可指導(dǎo)拆解局部分析范圍的初選。影響線法是基于虛位移原理判斷靜力荷載作用于不同位置所引起局部內(nèi)力響應(yīng)的方法［31］，借助影響線可以指導(dǎo)拆解施工荷載的合理布置，如圖3。振型概念判斷可依據(jù)低階振型形狀對應(yīng)體系應(yīng)變能較小的原理，對結(jié)構(gòu)較低階和較高階振型形狀進行定性分析，由此可大致校核定量分析結(jié)果的合理性。

圖3 影響線法判斷合理荷載分布示例Fig.3 An example of determining reasonable load distribution with the influence line method

概念力學(xué)通常用于分析結(jié)構(gòu)線彈性狀態(tài)下的小變形響應(yīng)，結(jié)構(gòu)響應(yīng)線性可疊加。隨著非線性效應(yīng)的增大，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)依賴于應(yīng)力路徑，概念分析結(jié)果失真程度將顯著增加。因此，概念分析在正序拆解與有支撐拆解中適用性較好。在概念力學(xué)的指導(dǎo)下，可捕捉拆解全流程和特定拆解過程中的少量關(guān)鍵危險狀態(tài)進一步開展解析分析或數(shù)值模擬，有效減少計算量。此外，概念力學(xué)還可輔助工程現(xiàn)場突發(fā)狀況的應(yīng)急處理和定量分析結(jié)果的快速校核，對事故防范具有重要意義。

3.2 解析分析

解析分析是基于結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，采用簡化力學(xué)模型建立力學(xué)響應(yīng)計算解析公式的分析方法。通過簡化假定忽略次要受力特征，突出結(jié)構(gòu)主要抗力機理，進而便于捕捉控制性因素，減少分析成本，有效指導(dǎo)設(shè)計應(yīng)用［32］。結(jié)構(gòu)拆解全流程采用狀態(tài)離散法和空間分割法處理后，各對象的分析狀態(tài)明確，便于解析分析模型的選用或建立。

以非正序、無支撐的柱優(yōu)先拆解為例，存在5種替代傳力路徑［26］：①失效柱處的梁彎曲；②失效柱上方框架的空腹彎曲；③梁的拱效應(yīng)；④梁/平板的懸鏈/膜效應(yīng)；⑤外墻和隔斷等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的貢獻。上述各效應(yīng)并非同時發(fā)揮作用，在不同荷載水平下主要替代傳力機制將發(fā)生變化，使結(jié)構(gòu)承載力隨變形的增大存在階段性變化［33-34］，替代傳力機制的識別可有效指導(dǎo)拆解局部分析范圍與方法的確定。現(xiàn)有研究給出多類反映上述替代傳力機制的解析分析模型［32-33，35-36］，典型示例如圖4，針對動態(tài)響應(yīng)還可采用簡化單自由度模型［17］進行動力分析。通過對比研究［17，32-33］證明，根據(jù)受載狀況對應(yīng)的主要傳力機制，選取合適的解析分析模型，可獲取與試驗分析或精細化數(shù)值模擬很接近的計算結(jié)果，并有效節(jié)約分析成本。解析分析可基于靜力平衡［37］或能量法［18，32］進行，能量法在這一問題中的應(yīng)用更為廣泛，從幾何分析角度入手評估剩余結(jié)構(gòu)的極限承載力，可有效減少運算量。

圖4 梁在不同傳力機制下的解析分析模型［33］Fig.4 Analytical models of beams in different loadresisting mechanisms［33］

此外，易損性理論是基于結(jié)構(gòu)形式判斷結(jié)構(gòu)魯棒性的典型解析分析方法。依據(jù)幾何拓撲穩(wěn)定理論，并不過多關(guān)注構(gòu)件強度和非線性等性能因素，將結(jié)構(gòu)分解為多個幾何形式穩(wěn)定的基本子結(jié)構(gòu)單元，在層級模型中自上而下尋找結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，并研究結(jié)構(gòu)的易損模式［38-39］。這一分析過程適用于結(jié)構(gòu)拆解分析，尤其在水平構(gòu)件的拆解中，結(jié)構(gòu)傳力路徑受到的擾動相對較小，主要問題存在于結(jié)構(gòu)形式聯(lián)系削弱，基于上述分析過程便于分析結(jié)構(gòu)局部平衡、穩(wěn)定狀態(tài)的變化，有效簡化對結(jié)構(gòu)失效風(fēng)險的判斷。

3.3 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬是采用數(shù)值計算求解力學(xué)方程組進而模擬結(jié)構(gòu)受力響應(yīng)的方法，有限單元法是目前結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的求解方法。數(shù)值模擬可有效彌補概念分析和解析分析在臨界力學(xué)狀態(tài)判斷、結(jié)構(gòu)非線性響應(yīng)分析、結(jié)構(gòu)動力分析、損傷分析等方面的不足，為結(jié)構(gòu)拆解提供更為真實的定量化力學(xué)行為與損傷分布結(jié)果。

數(shù)值算法可分為隱式和顯式方法2類。隱式算法采用迭代方法求解平衡方程，可以做到無條件穩(wěn)定，但在強非線性或材料應(yīng)變軟化等問題中，可能出現(xiàn)嚴重的收斂性問題［40］。顯式算法在小步長內(nèi)采用差分格式求解平衡方程，一般不存在收斂性問題，但通常為條件穩(wěn)定，時間增量過大時易出現(xiàn)位移解振蕩，而穩(wěn)定時間步長通常由1個或幾個質(zhì)量較小或尺寸小的單元控制［41］。隱式算法常用于靜力分析，而顯式算法常用于動態(tài)響應(yīng)分析。

在待拆解結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型中，需反映耐久性退化導(dǎo)致的物理關(guān)系變化以合理刻畫結(jié)構(gòu)性能，可采用性能退化后的材料本構(gòu)模型、連接受力關(guān)系和定義預(yù)應(yīng)力、預(yù)變形或預(yù)損傷狀態(tài)等方式進行結(jié)構(gòu)建模。此外，構(gòu)件穩(wěn)定性常與缺陷及微擾動相關(guān)，拆解時約束減弱使構(gòu)件穩(wěn)定性可能成為控制性問題，因而對失穩(wěn)風(fēng)險較大的構(gòu)件需采用直接引入缺陷或施加假想荷載等方式體現(xiàn)這一問題［42］。

局部分析通常采用實體有限單元模型進行分析以反映局部較為顯著的非線性特征，并應(yīng)依據(jù)具體施工過程進行精細化分析以確定支撐力分擔(dān)或局部損傷狀況。時變力學(xué)給出時變單元法和拓撲變化法［23］，通過單元數(shù)量或大小隨時間變化實現(xiàn)結(jié)構(gòu)求解域時變，可用于局部施工過程的精細化模擬中。對于切割所致破壞面斷裂問題，可依據(jù)構(gòu)件尺寸采用適當(dāng)?shù)脑隽坎介L在模型中建立人工裂紋，因結(jié)構(gòu)的超靜定性，應(yīng)考慮因施工過程中內(nèi)力重分布造成的裂紋擴展后對應(yīng)截面內(nèi)力的變化。進一步，可采用基于相場理論［43］的有限元方法或擴展有限元方法［44］等模擬裂紋的擴展情況。

結(jié)構(gòu)分析可對抗連續(xù)倒塌領(lǐng)域構(gòu)件移除模擬的研究成果［15，45-46］進行拓展應(yīng)用。以剩余結(jié)構(gòu)整體為對象建模通常采用構(gòu)件單元模型，可有效節(jié)約計算量。其中，纖維截面單元［47］是梁、柱構(gòu)件常用的建模方式，多層殼單元［48］是板常用的建模方式，節(jié)點的簡化建模方法是研究重點［15］。結(jié)構(gòu)拆解的加卸載路徑與拆解流程有緊密聯(lián)系，結(jié)構(gòu)分析應(yīng)采用增量方法逐狀態(tài)分析，以體現(xiàn)應(yīng)力歷史的影響。分析中，保留前一狀態(tài)內(nèi)力，解除單步拆解作業(yè)所破壞的約束，并將所解除約束處原內(nèi)力作為額外荷載施加于相應(yīng)位置以維持當(dāng)前平衡狀態(tài)。對于有支撐拆解，還需依據(jù)支撐剛度在臨時支撐點施加彈性約束，并根據(jù)支撐點的連接性質(zhì)建立位移協(xié)調(diào)關(guān)系。然后，在額外荷載作用處施加與額外荷載量值相等的反向荷載，慢速拆解作業(yè)時為漸加荷載，快速拆解作業(yè)時為突加荷載，也可通過引入動力放大系數(shù)將突加荷載轉(zhuǎn)化為漸加荷載，分析最不利結(jié)構(gòu)響應(yīng)［18］。上述過程常通過“生死單元法”實現(xiàn)，可指定所解除約束處原內(nèi)力在分析步內(nèi)線性變化至零［49］，這種近似對整體結(jié)構(gòu)分析結(jié)果影響不大。

3.4 框架結(jié)構(gòu)拆解分析簡例

為分析2層兩跨框架結(jié)構(gòu)的拆解，分別建立了混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，結(jié)構(gòu)尺寸如圖5，對應(yīng)的構(gòu)件截面如表2，B-1～B-4表示梁構(gòu)件，C-1～C-6代指柱構(gòu)件。概念分析可知：為提升梁拆解的安全性，拆解施工常優(yōu)先解除靠近邊柱處梁的截面約束，S-1、S-2表示可能的拆解截面。拆解施工前，建筑使用荷載已撤除，僅考慮自重及施工荷載，等效為均布荷載q，認為常規(guī)施工下q=7.5kN·m—1（考慮施工均布荷載4 kN·m—2）；梁單側(cè)約束解除前，與之相連的板與板上方荷載通常已移除，認為所拆解梁上方均布荷載減小至q’=1.5 kN·m—1（保守考慮分布于所拆解梁上的施工荷載）；梁拆解后其上方荷載隨之移除。由于這一結(jié)構(gòu)規(guī)模很小，可采用實體單元模型同時進行局部分析與結(jié)構(gòu)分析，暫不進行構(gòu)件分析。本例不考慮作業(yè)對破壞面的附加荷載，假定拆解作業(yè)使破壞面處原內(nèi)力線性減小，采用ABAQUS軟件分析不同構(gòu)件拆解對拆解中結(jié)構(gòu)與剩余結(jié)構(gòu)造成的靜力影響。

表2 框架結(jié)構(gòu)有限元模型的構(gòu)件截面情況Tab.2 Sections of components in FE models of the frame structure mm

圖5 本案例所分析的框架結(jié)構(gòu)（單位：mm）Fig.5 Frame structure analyzed in this case study(unit：mm)

首先考慮單構(gòu)件拆解，典型狀況如圖6所示。由力學(xué)分析結(jié)果可得出初步結(jié)論：①由于拆解施工前建筑使用荷載已撤除，在常規(guī)施工荷載作用下待拆解結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力水平較低；水平構(gòu)件拆解對于剩余結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響通常小于豎向構(gòu)件拆解。②梁優(yōu)先拆解時，所拆解梁損傷程度的控制狀況出現(xiàn)于單側(cè)約束解除、另一側(cè)約束保留時；但對于剩余結(jié)構(gòu)而言，由于梁約束解除前上方荷載大部分已撤除，前述狀況與梁整體移除狀況差異很小。③中柱優(yōu)先拆解后，在常規(guī)施工荷載作用下，長梁彎曲效應(yīng)與拱效應(yīng)常為主要承載機制；上下2層所受均布荷載相同時，下層中柱拆解后，上層中柱幾乎不受力。④上層邊柱拆解后，其上方梁僅通過懸臂彎曲承載，為最危險拆除狀況，結(jié)構(gòu)損傷顯著，應(yīng)加設(shè)臨時支撐；下層邊柱拆解時，空腹效應(yīng)抗力機制貢獻顯著，上、下層邊梁通過拉壓桿效應(yīng)承擔(dān)部分荷載，減弱了拆解造成的不利影響。

基于以上單構(gòu)件拆解結(jié)論，由概念分析可知：①正序拆解對剩余結(jié)構(gòu)受力影響很小，在無特殊需求的狀況下，應(yīng)優(yōu)先選用。②先拆梁后拆柱是較優(yōu)的選擇，但需校核剩余結(jié)構(gòu)柱的穩(wěn)定性，在鋼結(jié)構(gòu)拆解中尤應(yīng)重視；當(dāng)柱上方無水平構(gòu)件時，可直接拆解。③在先拆柱的情況下，應(yīng)避免形成大懸臂構(gòu)件；由此，優(yōu)先拆解C-4后，B-2和B-4應(yīng)同時拆解。④應(yīng)避免先拆解邊柱，因其將使當(dāng)前或后續(xù)拆解施工難以安全進行。本例的鋼結(jié)構(gòu)模型在梁拆解后可滿足柱穩(wěn)定要求，提供了多種可行拆解路徑，以鋼結(jié)構(gòu)模型為例進一步模擬多構(gòu)件拆解可知：當(dāng)對特定梁或中柱有優(yōu)先拆解需求時，拆解后對剩余結(jié)構(gòu)通常繼續(xù)按正序拆解即可，僅優(yōu)先拆解C-3的情況例外，在2根結(jié)構(gòu)梁構(gòu)成的長梁便于同時拆解的條件下，優(yōu)先拆解C-3，然后繼續(xù)拆解C-4，可減小剩余結(jié)構(gòu)損傷程度（如圖7）。此外，對于部分剩余結(jié)構(gòu)狀況（如B-1和C-3同時移除），繼續(xù)進行正序拆解也是不可行的，因而拆解實踐中，合理順序還需根據(jù)既有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的失效狀況和拆解需求進行深入研判。

4 未來研究方向

結(jié)構(gòu)拆解力學(xué)分析尚存在以下技術(shù)難點：

（1）各類型構(gòu)件拆解后剩余結(jié)構(gòu)替代傳力機制的正確識別。需依賴識別結(jié)果，更準確地判斷非線性情形下的局部分析范圍，并建立結(jié)構(gòu)分析的高效工具，有效反映主要傳力機制以準確評估承載能力。

（2）局部作業(yè)荷載與斷裂行為的模擬。結(jié)構(gòu)拆解常采用微損切割、靜態(tài)爆破等多種新型施工方法，需統(tǒng)計相關(guān)施工方法的力學(xué)影響，建立合理的局部作用和斷裂行為模型，反映靜、動態(tài)作用程度。

（3）多類型、多構(gòu)件拆解力學(xué)分析的準確性。單構(gòu)件拆解力學(xué)分析的準確性受到建模方式、參數(shù)離散性、算法精度等影響，因而多構(gòu)件拆解全流程力學(xué)分析需重視結(jié)構(gòu)力學(xué)行為對典型參數(shù)的敏感性程度，控制誤差的累積與傳遞。

圖6 混凝土結(jié)構(gòu)模型柱拆解狀況下剩余結(jié)構(gòu)混凝土部分應(yīng)力（單位：MPa）Fig.6 Stress of concrete parts of remaining struc?tures under column deconstruction scenarios in the concrete structure model(unit:MPa)

圖7 鋼結(jié)構(gòu)模型雙構(gòu)件拆解狀況下剩余結(jié)構(gòu)應(yīng)力（單位：MPa）Fig.7 Stress of remaining structures under twocomponent deconstruction scenarios in the steel structure model(unit:MPa)

（4）拆解安全性與再利用性量化評定方法的建立?，F(xiàn)有魯棒性和損傷相關(guān)指標多基于結(jié)構(gòu)抗震定義，但拆解主要造成靜態(tài)或短時動態(tài)響應(yīng)，因而需進一步研究依據(jù)結(jié)構(gòu)拆解力學(xué)分析結(jié)果對安全性與再利用性統(tǒng)一定義、統(tǒng)一評價的方法。

（5）結(jié)構(gòu)拆解力學(xué)分析結(jié)果有待不同規(guī)模拆解工程的驗證。隨著對拆解技術(shù)原理和拆解真實工程中結(jié)構(gòu)響應(yīng)的認識加深，本文所建立結(jié)構(gòu)拆解力學(xué)分析理論框架的可操作性將進一步提升。

此外，還可基于結(jié)構(gòu)拆解的力學(xué)分析成果進行拓展研究：

（1）再利用構(gòu)件優(yōu)選與拆解經(jīng)濟性評價。根據(jù)原有結(jié)構(gòu)的體系關(guān)系和節(jié)點形式判別各類構(gòu)件完整拆解的難易程度，結(jié)合構(gòu)件尺寸、剩余承載性能等提出再利用構(gòu)件的甄別方法，通過高度和跨度的匹配關(guān)系使盡可能多的構(gòu)件高效再利用。核算結(jié)構(gòu)拆解的經(jīng)濟性，控制再利用構(gòu)件的總價值高于拆解工程相較于傳統(tǒng)拆除增加的成本，促進結(jié)構(gòu)拆解的推廣應(yīng)用。

（2）結(jié)構(gòu)拆解順序優(yōu)化方法。結(jié)構(gòu)拆解力學(xué)分析需依據(jù)某一特定拆解順序進行，不同的拆解順序?qū)⒃斐刹鸾饬鞒讨辛W(xué)狀態(tài)的差異，對拆解安全性、再利用性以及施工效率、經(jīng)濟性造成顯著影響，因此拆解順序的規(guī)劃與優(yōu)化是一個值得研究的問題。

5 結(jié)語

在厘清拆除與拆解概念差異的基礎(chǔ)上，深入剖析了結(jié)構(gòu)拆解的力學(xué)分析目標、對象、工況、問題與方法，得到如下主要結(jié)論：

（1）與傳統(tǒng)建造相比，結(jié)構(gòu)拆解是逆向施工，目標為從原有結(jié)構(gòu)中盡可能多地拆卸下?lián)p傷程度較小的可再用構(gòu)件，可顯著提升廢舊建材的資源化利用率。拆解過程可依據(jù)拆解順序、施工方法、作業(yè)特點進行分類，分別對應(yīng)不同荷載狀況與分析需求。拆解力學(xué)分析需重視損傷的出現(xiàn)與演化，并選取合適的現(xiàn)有力學(xué)理論進行分析。

（2）提出了安全性和再利用性作為拆解控制屬性，安全性是拆解進行的必要條件，再利用性是拆解工程的優(yōu)化目標。同時，提出狀態(tài)離散法和空間分割法作為拆解力學(xué)分析的基本簡化方法，將拆解全流程簡化為多個離散結(jié)構(gòu)狀態(tài)，并圍繞各狀態(tài)開展局部、結(jié)構(gòu)和構(gòu)件3類分析，其中前2類關(guān)注安全性，構(gòu)件分析關(guān)注再利用性。

（3）基于待拆解結(jié)構(gòu)服役期性能退化結(jié)果，可采用概念分析、解析分析和數(shù)值模擬工具對結(jié)構(gòu)拆解全流程各分析對象在各工況中的力學(xué)狀態(tài)及重點問題進行分析。針對2層兩跨混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)框架的拆解，完成了示例性有限元分析，得出了拆解傳力機制、安全性與拆解順序緊密相關(guān)的初步結(jié)論。

（4）結(jié)構(gòu)拆解力學(xué)分析為拆解安全、拆解后構(gòu)件再利用潛能提升和拆解效率提升提供理論保障，是拆解工程學(xué)的基石。進一步拓展，還可對施工技術(shù)研發(fā)和構(gòu)件修復(fù)加固等進行指導(dǎo)，提升拆解工程經(jīng)濟性，促進拆解技術(shù)的推廣應(yīng)用。

作者貢獻申明：

夏 冰：建立并細化結(jié)構(gòu)拆解力學(xué)分析理論框架與具體內(nèi)容。

肖建莊：提出不同于傳統(tǒng)拆除的結(jié)構(gòu)拆解基本概念，并建立結(jié)構(gòu)拆解力學(xué)分析的總體思路和研究方向。

呂鳳悟：提出結(jié)構(gòu)拆解力學(xué)分析的主要方法。

王 耀：工程簡例分析。