框架结构建筑物爆破拆除数值模拟研究

爆破拆除在城镇化建设中的应用越来越广, 然而, 爆破拆除理论的发展落后于实践却是不争的事实。拆除对象的结构及其所处的环境日益复杂, 对爆破拆除的各个方面也越来越高, 因此, 爆破拆除必须向精细化、可控化的方向发展[1,2]。随着计算机技术的高速发展, 相关数值模拟计算日趋成熟并逐渐应用到工程的各个领域。运用有限元动力分析软件对城市建 (构) 筑物的爆破倒塌过程进行数值模拟[3,4,5], 就是其典型的应用之一。通过计算机模拟计算的结果, 进而对爆破的设计方案进行优化已经成为工程师们常用的技术手段。ANSYS公司研发的LS-DYAN是目前世界上最成功的显式动力非线性有限元程序, 一般采用支持大变形的三维实体单元, 通过定义“生死单元”和“失效单元”模拟构件的破坏[6], 在其基础上进行结构倒塌的数值模拟研究也在逐步完善。目前, 建筑结构的有限元分析模型有整体式、分离式和组合式三种, 本文利用整体式有限元分析模型对建筑物的倒塌过程进行研究。

一、整体式有限元模型

在计算建 (构) 筑物爆破倒塌过程中, 整体式有限元计算模型的单元包括了钢筋和混凝土两种材料对单元刚度矩阵的贡献, 但它不再分别计算钢筋和混凝土的刚度矩阵, 而是将钢筋化为等效的混凝土, 然后按一种材料计算单元刚度矩阵[7], 集成后所得的总体刚度矩阵[k]e为:

式中, [Dc]为混凝土的应力应变矩阵, [Ds]为分布钢筋的应力应变关系矩阵, [B]为单元几何矩阵。

运用整体式有限元计算模型, 单元划分少, 计算量小, 可明显提高计算机的计算效率, 适用于复杂配筋的结构。

二、工程实例计算与分析

1. 工程实例

以某商场爆破拆除工程为例, 该建筑物为9层框架结构, 高31.0m, 宽15.6m, 柱子尺寸为600'400mm, 梁尺寸为400'400mm, 板厚200mm。具体尺寸如图1所示。

如图1中 (c) 所示, 建筑物爆破切口部分分为三个区域, 通过不同段别的导爆管雷管来控制不同区域之间的起爆延期时间。

2. 有限元计算及分析

采用SOLID164实体单元, 对建筑物的柱、梁、板以及地面做映射网格划分, 单元数为218712, 节点数为395852。采用双核计算机, 运算时间长达33h。建筑物主体部分 (柱、梁和板) 采用随动塑形材料模型 (*MAT_PLASTIC_KINEMATIC) , 地面定义为刚体。通过关键字*MAT_ADD_EROSION来形成爆破切口和控制建筑物主体部分失效, 根据第一强度理论, 利用公式 (1) 可定义失效的临界值为拉应力达到20MPa。建筑物主体部分之间的接触, 以及主体与地面之间的接触选择自动单面接触模式, 静摩擦系数取0.6, 动摩擦系数取0.4。

本文重点研究爆破切口形成后建筑物在重力作用下的失稳、倒塌, 而不考虑炸药爆炸过程对建筑物的影响。因此, 在数值计算之前, 需要做如下假设[8]: (1) 不考虑炸药产生的空气冲击波对结构的影响; (2) 忽略爆破产生的应力在结构内扩散的“波效应”; (3) 不考虑布置药包时的钻孔形式对结构构件的影响。

起爆后, 建筑物按设计方向倒塌, 倒塌过程分为自由下落、倾倒转体、空间解体和倒塌堆积四个阶段, 大约历时4.6s, 建筑物倒塌完毕。

结合图3和图4, 可以发现:起始时刻, (1) 区切口部分删除瞬间, 结构后排支撑立柱外侧单元承受拉应力, 内侧单元承受压应力, 应力发生了重分布, 但结构尚未发生偏转;0.62s时, (2) 区切口部分被删除, 结构失去后排立柱的支撑作用, 受力矩作用而开始按设计方向偏转;1.24s时, (3) 区切口部分被删除, 结构稍微向上反弹后, 继续受重力作用发生偏转;1.5s左右, 爆破的切口部分开始闭合;3.7s时, 结构顶部开始触地, 结构顶点的速度迅速降低为零, 因惯性作用, 产生了较小的正向速度;在4.6s作用, 建筑物倒塌过程完毕, 4.6s以后为建筑物倒塌堆积物发生沉降的过程。

建筑物倒塌过程中, y向速度基本呈直线负增长, 在3.7s左右, y向速度达到最大, 最大速为19.65m/s。倒塌堆积物的高度为4.1m, 建筑物倒塌的后坐距离为7.0m, 未发生前冲现象。所以, 采用此设计方案实施爆破拆除时, 应注重对建筑物倒塌后坐的防护。

结论

1.本文采用整体式有限元模型分析建筑物爆破拆除倒塌过程, 爆破切口形成至建筑物倒塌堆积各个阶段的姿态, 均与实际工程相符。采用此种方法对建筑物爆破拆除进行辅助设计, 可以增加设计的可靠性, 减少爆破拆除的风险, 弥补现有设计方法不足的缺陷。

2.与其他有限元分析方法相比, 采用整体式有限元模型, 可以显著提高计算机的计算效率, 减少计算时间, 适用于配筋复杂的建 (构) 筑物。其中, 选取合适的失效准则和失效临界值是整体式有限元模型计算成功的关键。

3.采用整体式有限元模型计算, 将混凝土和钢筋两种不同性质的材料整合成一种材料, 不能体现出混凝土和钢筋两张材料的力学性能差异。一种计算精确、用时较少且更加贴近实际的动力分析方法, 还有待进一步研究。

摘要：结合有限元动力分析程序ANSYS/LS-DYNA, 选用整体式有限元计算模型, 对一座9层框架结构建筑物爆破拆除进行了数值模拟。通过合理的失效准则和失效临界值, 用于控制爆破切口的形成及结构失稳倒塌过程中发生的解体。模拟得到建筑结构在各个阶段的倒塌姿态与实际相符, 可以用于辅助设计爆破拆除方案。该方法计算效率高, 适合模拟配筋复杂的结构。

关键词：爆破拆除,框架结构,整体式模型,数值模拟

参考文献

[1] 冯叔瑜, 吕毅, 杨杰昌, 顾毅成.城市控制爆破[M].北京:中国铁道出版社, 1985.

[2] 谢先启.精细爆破[M].武汉:华中科技大学出版社, 2010.

[3] 刘伟, 刘立雷.框架结构楼房爆破拆除倒塌过程模拟[J].爆破, 2008, 14 (1) :12-15.

[4] 陈宝心, 邓敉, 钱虎.ANSYS模拟框架结构楼房逐段解体爆破拆除[J].爆破, 2004.21 (3) :5-8.

[5] 言志信, 叶振辉, 刘培琳, 曹小红.钢筋混凝土高烟囱定向爆破拆除倒塌过程研究[J].振动与冲击, 2011, 30 (9)

[6] 贾继忠, 高贵军, 张昌锁.高耸建筑物倾倒过程中的断裂判据[J].太原理工大学学报, 2002, 33 (6) :590-593.

[7] 江见鲸, 陆新征, 叶列平.混凝土结构有限元分析[M].北京:清华大学出版社, 2005.

[8] 顾祥林, 孙飞飞.混凝土结构的计算机仿真[M].上海:同济大学出版社, 2002.