框架結構建筑物拆除爆破模擬技術研究

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摘   要：本文提出了采用有限單元法和多剛體動力學數(shù)值仿真方法相結合的仿真技術對框架結構建筑物拆除爆破進行模擬的方法。該技術可對結構的失穩(wěn)、解體、倒塌運動過程、堆積范圍等問題進行預測或再現(xiàn)，有助于提高拆除爆破設計方案的安全性和可靠性。
 

關鍵詞：框架結構建筑物 拆除爆破 數(shù)值模擬 有限單元法 多剛體動力學

 

1、引言

    隨著我國城市化進程的加快，采用爆破方法快速拆除建(構)筑物日益受到重視并被廣泛采用。然而在當前的爆破設計中，仍主要依靠工程師的工程經(jīng)驗來預測結構的倒塌過程，倒塌范圍也僅能采用經(jīng)驗公式進行估算。在遇到結構復雜的建筑物或爆破方案較為復雜的情況時，工程經(jīng)驗及經(jīng)驗公式便難以滿足需要。隨著計算機技術的發(fā)展，采用數(shù)值仿真的方式對建筑物拆除爆破進行模擬已經(jīng)可以實現(xiàn)。
    建筑物拆除爆破的模擬是一個非常復雜的問題，必須依賴于的復雜的數(shù)值計算方法以及實驗等其它非數(shù)值手段來解決。近年來國內(nèi)外學者普遍采用的數(shù)值計算方法主要有理論力學法、有限單元法、DDA(Discontinuous Deformation Analysis)方法、離散單元法、個別元素法等，非數(shù)值計算方法主要有爆破專家系統(tǒng)等，取得了一些重要成果。本文嘗試運用有限單元法和多剛體動力學數(shù)值仿真方法相結合的數(shù)值仿真技術對框架結構建筑物拆除爆破的模擬進行了研究。

2、有限元法與多剛體動力學仿真技術

    建筑物拆除爆破是通過破壞建筑物的關鍵承重部位使其失去承載能力，使建筑物在自重作用下失穩(wěn)倒塌，這個過程可視為結構由靜力平衡系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為多剛體動力系統(tǒng)的過程，使采用多剛體動力學數(shù)值仿真方法和平面桿系結構有限元法對建筑物爆破拆除過程的模擬成為可能，其仿真流程如圖1所示。

    平面桿系結構有限元法是建筑結構設計中應用最為廣泛的一種方法。建筑物拆除爆破涉及的對象是建筑結構，因此在建筑物拆除爆破設計中，可以運用平面桿系結構有限元法，對拆除過程中不同階段的結構內(nèi)力(軸力、剪力和彎矩)進行分析，以便為拆除爆破設計提供準確的依據(jù)，提高拆除爆破設計的可靠性和準確性。
    多剛體動力學是經(jīng)典力學的基礎上產(chǎn)生的新學科分支，在復雜機構的動力分析中的應用非常廣泛。以多剛體動力學為理論基礎的數(shù)值仿真方法將現(xiàn)實世界中的復雜機構系統(tǒng)概化為由約束機構聯(lián)結若干剛體而成的樹狀結構，并自動形成系統(tǒng)的數(shù)學模型，運用計算機可視化技術對其求解結果進行可視化，以預測或再現(xiàn)機構系統(tǒng)的運動過程。
    在該多剛體動力學仿真系統(tǒng)中可定義的剛體的質(zhì)量、密度、體積、形狀、質(zhì)心、位置、速度與角速度以及剛體間碰撞的能量損失率與摩擦系數(shù)等，并且可以定義鉸鏈等約束的摩擦系數(shù)等以便模擬整個多剛體系統(tǒng)在倒塌運動過程中的能量損失。該仿真技術采用較先進的變分方法建立剛體運動數(shù)學模型，運用Kutta-Merson積分方法對其求解，可精確計算剛體的運動路徑和剛體間彼此的穿透和碰撞行為。

3、建筑物拆除爆破機理模擬

3.1 建筑物失穩(wěn)及解體的模擬

    在建筑物拆除爆破中，結構失穩(wěn)的主要原因是關鍵承重部位的破壞，相應的在模擬過程中將該被破壞部位從整個結構中予以刪除即可實現(xiàn)結構整體失穩(wěn)條件的模擬。
    拆除爆破中建筑物的解體破壞分為三種方式：布孔施爆；建筑物爆破后不均勻下落中構件彎折拉壓破壞；建筑物的觸地沖擊破壞。并且在拆除爆破中，采取的倒塌方式不同，構件的解體方式也不盡相同。如采用橫向逐跨倒塌方式時，構件基本為受彎破壞，而采用豎向逐段解體時，主要是柱體的軸向沖擊受壓破壞。所以在建筑物爆破模擬過程中，需根據(jù)倒塌方式的不同確定不同的計算方案。
    對于構件在倒塌過程中的破壞情況，可計算結構中構件的各項極限承載力，并運用平面桿系結構有限元法計算不同時段結構中的內(nèi)力分布情況，依據(jù)以上的計算結果，判斷結構中各構件的解體情況。對于建筑物的觸地沖擊解體，由于其力學本質(zhì)非常復雜，目前沒有成熟的理論計算方法。龐維泰^【3】等曾對低層建筑物拆除爆破中觸地解體條件進行了研究。統(tǒng)計資料表明，要使建筑物落地后充分解體須有一定的落地速度。對預制件，磚結構，約為6m/s；一般現(xiàn)制排架結構，約為8m/s；剛架或較強的排架結構，須10m/s以上。實際模擬過程中，若結構觸地時達到了使其充分解體的速度則可將剛架結構轉(zhuǎn)化為多剛體系統(tǒng)，以模擬結構的觸地沖擊解體及隨后的堆積過程。
    在多剛體動力學仿真系統(tǒng)中，結構中已形成的塑性鉸用鉸節(jié)點表示；而未破壞的危險部位則用剛節(jié)點表示，若在后續(xù)時間里該部位轉(zhuǎn)化為塑性鉸，則可以將剛節(jié)點替換為鉸節(jié)點；當節(jié)點處的拉力超過其極限抗拉強度或構件落地速度達到其完全解體所需的速度時則可將約束刪除，使其成為相互獨立的剛體，如圖2所示。

3.2 建筑物倒塌運動過程模擬

    在承重部位起爆后，建筑物失穩(wěn)，結構逐漸發(fā)生解體破壞，形成一個由鋼筋相連的混凝土塊體系統(tǒng)，進而，結構將發(fā)生倒塌、觸地解體、形成爆堆，此時，結構可抽象為由許多剛體聯(lián)結而成的多剛體運動系統(tǒng)。這個過程很難用連續(xù)介質(zhì)力學來模擬，而可采用多剛體運動學數(shù)值模擬技術進行描述，因此結構倒塌行為可采用多剛體運動學仿真系統(tǒng)來模擬。
    結構開始倒塌時繼承了失穩(wěn)時的解體破壞形式，因此，在結構倒塌的動力學模型中應將結構初始失穩(wěn)、破壞情況作為倒塌運動模擬的初始條件。在倒塌運動過程中，勢必會發(fā)生塊體的相互碰撞，其中會伴隨著碰撞造成的能量損失和混凝土破碎造成的能量損失，然而目前沒有成熟的理論計算方法對其進行描述。從工程實際看，在建筑物的坍塌過程中混凝土塊體碰撞時特別是結構觸地堆積時，動能基本損失殆盡，因此在模擬過程中設定垂直于接觸面方向的動能損失率為90％～100％。

4、算例

4.1 工程概況

　　爆破拆除某7層框架結構樓房?？蚣芙Y構為現(xiàn)澆框架，預制樓板，混凝土等級為C20，柱截面為400mm×600mm，縱向主梁截面為300mm×700mm，柱網(wǎng)布置見圖3，樓房的立面圖如圖4所示。

4.2 爆破方案

    由于周圍環(huán)境及建筑物本身形狀的限制，對該建筑物采用水平逐跨解體的爆破方案，結構的倒塌方向如圖4所示。為了使結構失穩(wěn)，需要自右向左依次爆破A～E排立柱。爆破設計時，爆破高度分別取一層、兩層，排間起爆時差分別取0.1s、0.3s、0.5s、0.7s、1.0s進行計算，以分析不同條件下結構的失穩(wěn)、破壞、倒塌及堆積情況。

4.3 失穩(wěn)及解體模擬

    選擇圖4所示最右側(cè)的一跨框架的一榀作為研究對象，研究其失穩(wěn)破壞的條件。采用平面桿系有限元法計算發(fā)現(xiàn)，爆破高度為一層和兩層時，結構中構件的可能破壞(彎矩超過其極限抵抗彎矩)情況基本相同，而隨后依次爆破的各跨框架的破壞形式也與第一跨基本相同。
    必須指出的是，構件的內(nèi)力達到其極限承載力時，并不一定發(fā)生破壞。實際上，梁柱節(jié)點中若梁首先發(fā)生了破壞則失去了將彎矩傳遞給柱的能力，從而保護了柱不受破壞；同樣，若柱首先破壞也可保護梁不受破壞，表現(xiàn)出梁柱節(jié)點“自我保護”的特點。而哪種構件首先破壞取決于構件的受力情況以及其極限承載力，理論上講，受力情況相對惡劣的構件應首先破壞。對該框架結構，主梁所受彎矩大于柱而其極限抗彎能力也明顯低于柱應首先發(fā)生破壞從而保證柱體不會受彎破壞。最右側(cè)框架的受力及破壞形式如圖5所示。

4.4 倒塌過程模擬

    以結構的失穩(wěn)和初始破壞情況為模擬初始條件，對該框架結構的各拆除方案進行計算。計算結果顯示：當爆破高度為一層時其觸地速度約為6.5m/s，難以滿足完全解體要求，此時可采用人工施爆以解除結構剛度，但勢必增加工程量，并給爆破飛石的控制帶來困難；而爆破高度取兩層時其觸地速度約為14m/s，可滿足要求；排間的起爆時差為0.5s左右時，倒塌過程較為理想。下圖為爆高為兩層、排間起爆時差為0.5s時，結構倒塌過程的模擬。

...

t=0s              t=0.5s             t=1.0s           t=1.5s

...

     t=2.0s            t=2.5s             t=3.0s            t=3.6s

圖 6  結構倒塌過程模擬圖

    模擬結果顯示，整個結構從起爆到完全落地堆積大約需3.6s，爆堆高度約為5m，可達到原地坍塌的要求，倒塌及堆積過程也基本與實際現(xiàn)象一致。在模擬過程中發(fā)現(xiàn)，在實施水平逐段解體方案時，立柱爆破高度和排間起爆時差的選擇是關系爆破是否成功的關鍵問題，必須從多個方面予以考慮。

5、結論

    本文的研究成果表明，采用有限單元法和多剛體動力學數(shù)值仿真方法相結合拆除爆破模擬技術，可以對框架結構的失穩(wěn)、破壞、倒塌過程、堆積范圍等問題進行模擬預測，可以通過對整個過程的模擬為爆破方案的選擇和優(yōu)化提供依據(jù)，可有效的提高建筑物拆除爆破設計的水平和可靠性，具有較強的實用價值。但建筑物拆除爆破中破壞、倒塌、堆積過程是一個非常復雜的力學問題，該模擬技術對其進行了許多簡化處理，許多問題還需進一步探討。