框架結(jié)構(gòu)建筑物拆除爆破模擬技術(shù)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(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真方法相結(jié)合的仿真技術(shù)對(duì)框架結(jié)構(gòu)建筑物拆除爆破進(jìn)行模擬的方法。該技術(shù)可對(duì)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)、解體、倒塌運(yùn)動(dòng)過程、堆積范圍等問題進(jìn)行預(yù)測(cè)或再現(xiàn)，有助于提高拆除爆破設(shè)計(jì)方案的安全性和可靠性。
 

關(guān)鍵詞：框架結(jié)構(gòu)建筑物 拆除爆破 數(shù)值模擬 有限單元法 多剛體動(dòng)力學(xué)

 

1、引言

    隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，采用爆破方法快速拆除建(構(gòu))筑物日益受到重視并被廣泛采用。然而在當(dāng)前的爆破設(shè)計(jì)中，仍主要依靠工程師的工程經(jīng)驗(yàn)來預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的倒塌過程，倒塌范圍也僅能采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。在遇到結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物或爆破方案較為復(fù)雜的情況時(shí)，工程經(jīng)驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)公式便難以滿足需要。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)值仿真的方式對(duì)建筑物拆除爆破進(jìn)行模擬已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。
    建筑物拆除爆破的模擬是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，必須依賴于的復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算方法以及實(shí)驗(yàn)等其它非數(shù)值手段來解決。近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍采用的數(shù)值計(jì)算方法主要有理論力學(xué)法、有限單元法、DDA(Discontinuous Deformation Analysis)方法、離散單元法、個(gè)別元素法等，非數(shù)值計(jì)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(yùn)用有限單元法和多剛體動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真方法相結(jié)合的數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)框架結(jié)構(gòu)建筑物拆除爆破的模擬進(jìn)行了研究。

2、有限元法與多剛體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)

    建筑物拆除爆破是通過破壞建筑物的關(guān)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(gè)過程可視為結(jié)構(gòu)由靜力平衡系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為多剛體動(dòng)力系統(tǒng)的過程，使采用多剛體動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真方法和平面桿系結(jié)構(gòu)有限元法對(duì)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(jié)構(gòu)有限元法是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用最為廣泛的一種方法。建筑物拆除爆破涉及的對(duì)象是建筑結(jié)構(gòu)，因此在建筑物拆除爆破設(shè)計(jì)中，可以運(yùn)用平面桿系結(jié)構(gòu)有限元法，對(duì)拆除過程中不同階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力(軸力、剪力和彎矩)進(jìn)行分析，以便為拆除爆破設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的依據(jù)，提高拆除爆破設(shè)計(jì)的可靠性和準(zhǔn)確性。
    多剛體動(dòng)力學(xué)是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的新學(xué)科分支，在復(fù)雜機(jī)構(gòu)的動(dòng)力分析中的應(yīng)用非常廣泛。以多剛體動(dòng)力學(xué)為理論基礎(chǔ)的數(shù)值仿真方法將現(xiàn)實(shí)世界中的復(fù)雜機(jī)構(gòu)系統(tǒng)概化為由約束機(jī)構(gòu)聯(lián)結(jié)若干剛體而成的樹狀結(jié)構(gòu)，并自動(dòng)形成系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)對(duì)其求解結(jié)果進(jìn)行可視化，以預(yù)測(cè)或再現(xiàn)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過程。
    在該多剛體動(dòng)力學(xué)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(gè)多剛體系統(tǒng)在倒塌運(yùn)動(dòng)過程中的能量損失。該仿真技術(shù)采用較先進(jìn)的變分方法建立剛體運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用Kutta-Merson積分方法對(duì)其求解，可精確計(jì)算剛體的運(yùn)動(dòng)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(jī)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(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要原因是關(guān)鍵承重部位的破壞，相應(yīng)的在模擬過程中將該被破壞部位從整個(gè)結(jié)構(gòu)中予以刪除即可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)件的解體方式也不盡相同。如采用橫向逐跨倒塌方式時(shí)，構(gòu)件基本為受彎破壞，而采用豎向逐段解體時(shí)，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(jì)算方案。
    對(duì)于構(gòu)件在倒塌過程中的破壞情況，可計(jì)算結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的各項(xiàng)極限承載力，并運(yùn)用平面桿系結(jié)構(gòu)有限元法計(jì)算不同時(shí)段結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力分布情況，依據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果，判斷結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件的解體情況。對(duì)于建筑物的觸地沖擊解體，由于其力學(xué)本質(zhì)非常復(fù)雜，目前沒有成熟的理論計(jì)算方法。龐維泰^【3】等曾對(duì)低層建筑物拆除爆破中觸地解體條件進(jìn)行了研究。統(tǒng)計(jì)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(duì)預(yù)制件，磚結(jié)構(gòu)，約為6m/s；一般現(xiàn)制排架結(jié)構(gòu)，約為8m/s；剛架或較強(qiáng)的排架結(jié)構(gòu)，須10m/s以上。實(shí)際模擬過程中，若結(jié)構(gòu)觸地時(shí)達(dá)到了使其充分解體的速度則可將剛架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為多剛體系統(tǒng)，以模擬結(jié)構(gòu)的觸地沖擊解體及隨后的堆積過程。
    在多剛體動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)中已形成的塑性鉸用鉸節(jié)點(diǎn)表示；而未破壞的危險(xiǎn)部位則用剛節(jié)點(diǎn)表示，若在后續(xù)時(shí)間里該部位轉(zhuǎn)化為塑性鉸，則可以將剛節(jié)點(diǎn)替換為鉸節(jié)點(diǎn)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)處的拉力超過其極限抗拉強(qiáng)度或構(gòu)件落地速度達(dá)到其完全解體所需的速度時(shí)則可將約束刪除，使其成為相互獨(dú)立的剛體，如圖2所示。

3.2 建筑物倒塌運(yùn)動(dòng)過程模擬

    在承重部位起爆后，建筑物失穩(wěn)，結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生解體破壞，形成一個(gè)由鋼筋相連的混凝土塊體系統(tǒng)，進(jìn)而，結(jié)構(gòu)將發(fā)生倒塌、觸地解體、形成爆堆，此時(shí)，結(jié)構(gòu)可抽象為由許多剛體聯(lián)結(jié)而成的多剛體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。這個(gè)過程很難用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)來模擬，而可采用多剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行描述，因此結(jié)構(gòu)倒塌行為可采用多剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真系統(tǒng)來模擬。
    結(jié)構(gòu)開始倒塌時(shí)繼承了失穩(wěn)時(shí)的解體破壞形式，因此，在結(jié)構(gòu)倒塌的動(dòng)力學(xué)模型中應(yīng)將結(jié)構(gòu)初始失穩(wěn)、破壞情況作為倒塌運(yùn)動(dòng)模擬的初始條件。在倒塌運(yùn)動(dòng)過程中，勢(shì)必會(huì)發(fā)生塊體的相互碰撞，其中會(huì)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(jì)算方法對(duì)其進(jìn)行描述。從工程實(shí)際看，在建筑物的坍塌過程中混凝土塊體碰撞時(shí)特別是結(jié)構(gòu)觸地堆積時(shí)，動(dòng)能基本損失殆盡，因此在模擬過程中設(shè)定垂直于接觸面方向的動(dòng)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(jié)構(gòu)樓房?？蚣芙Y(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆框架，預(yù)制樓板，混凝土等級(jí)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(duì)該建筑物采用水平逐跨解體的爆破方案，結(jié)構(gòu)的倒塌方向如圖4所示。為了使結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，需要自右向左依次爆破A～E排立柱。爆破設(shè)計(jì)時(shí)，爆破高度分別取一層、兩層，排間起爆時(shí)差分別取0.1s、0.3s、0.5s、0.7s、1.0s進(jìn)行計(jì)算，以分析不同條件下結(jié)構(gòu)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(duì)象，研究其失穩(wěn)破壞的條件。采用平面桿系有限元法計(jì)算發(fā)現(xiàn)，爆破高度為一層和兩層時(shí)，結(jié)構(gòu)中構(gòu)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(gòu)件的內(nèi)力達(dá)到其極限承載力時(shí)，并不一定發(fā)生破壞。實(shí)際上，梁柱節(jié)點(diǎn)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(hù)了柱不受破壞；同樣，若柱首先破壞也可保護(hù)梁不受破壞，表現(xiàn)出梁柱節(jié)點(diǎn)“自我保護(hù)”的特點(diǎn)。而哪種構(gòu)件首先破壞取決于構(gòu)件的受力情況以及其極限承載力，理論上講，受力情況相對(duì)惡劣的構(gòu)件應(yīng)首先破壞。對(duì)該框架結(jié)構(gòu)，主梁所受彎矩大于柱而其極限抗彎能力也明顯低于柱應(yīng)首先發(fā)生破壞從而保證柱體不會(huì)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(jié)構(gòu)的失穩(wěn)和初始破壞情況為模擬初始條件，對(duì)該框架結(jié)構(gòu)的各拆除方案進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示：當(dāng)爆破高度為一層時(shí)其觸地速度約為6.5m/s，難以滿足完全解體要求，此時(shí)可采用人工施爆以解除結(jié)構(gòu)剛度，但勢(shì)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(shí)其觸地速度約為14m/s，可滿足要求；排間的起爆時(shí)差為0.5s左右時(shí)，倒塌過程較為理想。下圖為爆高為兩層、排間起爆時(shí)差為0.5s時(shí)，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)倒塌過程模擬圖

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

5、結(jié)論

    本文的研究成果表明，采用有限單元法和多剛體動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真方法相結(jié)合拆除爆破模擬技術(shù)，可以對(duì)框架結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)、破壞、倒塌過程、堆積范圍等問題進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，可以通過對(duì)整個(gè)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(shè)計(jì)的水平和可靠性，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。但建筑物拆除爆破中破壞、倒塌、堆積過程是一個(gè)非常復(fù)雜的力學(xué)問題，該模擬技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了許多簡(jiǎn)化處理，許多問題還需進(jìn)一步探討。