钢筋混凝土框架结构爆破拆除仿真分析.pdf

■ 第3 0 卷第2 期 爆破 V 0 1 ．3 0N o ．2 2 0 1 3 年6 月B L A S T I N GJ u n ．2 0 1 3 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 l 一4 8 7 X ．2 0 1 3 ．0 2 ．0 1 2 钢筋混凝土框架结构爆破拆除仿真分析宰 江平1 ”，王军良1 ’2 ，言志信1 ” 1 ．西部灾害与环境力学教育部重点实验室，兰州7 3 0 0 0 0 ；2 ．兰州大学土木工程与力学学院，兰州7 3 0 0 0 0 摘要基于钢筋混凝土结构爆破拆除基本原理以及理论研究方面上的不足．通过A N S Y s ／L s D Y N A 软 件一系列简化求解对钢筋混凝土框架结构爆破倒塌过程进行仿真与计算机分析，并与实际爆破拆除工程进 行了对比。研究发现模拟效果与实际吻合很好，利用A N S Y S 对建 构 筑物倒塌过程进行整体式模拟是可 行的，可依据模拟结果预估结构倒塌过程和对周围环境的影响。 关键词 爆破拆除；A N S Y s ／L s - D Y N A ；计算机模拟 中图分类号T u 7 4 6 ．5文献标识码A文章编号l o o l 一4 8 7 x 2 0 1 3 0 2 0 0 5 9 一0 5 S i m I l l a t i o nA n a l y s i so nE x p l o s i V eD e m o l i t i o no fR e i n f o r c e d C o n c r e t eF r a m e dS t l u c t u r e 皿I ，v GP i n 9 1 ”，黝ⅣG 几n 一如昭1 ”，y A Ⅳ铂i ．聋汛1 2 1 ．K e yL a b o r a t o r y0 fM e c h a n i c so nD i s a s t e r 蚰dE n v i r o n m e n ti nW e s t e mC h i n a A t t a c h e dt ot } l eM i n i s t r yo fE d u c a t i o no fC h i n a ，L a n z h o u7 3 0 0 0 0 ，C h i n a ；2 ．S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e d n g a n dM e c h a n i c s ，L a n z h o uU n i V e r s i t y ，L a n z h o u7 3 0 0 0 0 ，C h i n a A b s t m c t 7 1 1 I ee x p l ∞i v ed e m o l i t i o nt h ∞r yo f 陀i n f o r c e dc o n c 陀t es t m c t u ma n dt h es h o r t c o m i n gw e r ed i s c 鹏s e d f i 惜n y ，曲dt h e nt l l eA N s Y S ／L s - D Y N A ∞f h v a r ew 幽印p l i e dt 08 i m u l a t et I l e 既p l 嘴i v ed e m o l i t i o np m c ∞s ．c 啪p 啪d w i t h 蛐a c t u a lp r o j e c t ，t h en u m e r i c a lr e s u l tw ∞f o u n dt omt h ea c t u a le x p l o s i v ed e m o l i t i o np r o c e s sw e l l ．T h e 弛f 0 心， i l ’sf e 髂i b l e 粕dr e a 8 0 n a b l et os i m u l a t et l l ed e m o l i t i o np r 0 H c ∞so f 弛i n f b r c e dc o n c r e t es t Ⅲc t u mb yA N S Y Ss o f h Ⅳa 弛． T h en u m e r i c a lr ∞u nc a nb eu s e dt oe v a l u a t et h ee n v i m n m e n t a le 矗．e c tc a u ∞db yt I I es t l l J c t u md e m o I i t i o n ． K e yw O r d s e x p l o s i v ed e m o l i t i o n ；A N S Y s ／L s ．D Y N A ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n 对旧建筑物采用爆破拆除相比传统的拆除方 法，不仅提高了工作效率，尤其对施工安全、劳动力 的节省具有重要意义，由于爆破拆除的这些独特优 势，在实际工程中很快被人们所认可【l 引。但是，目 前的爆破拆除理论仍不够成熟，对一些复杂建筑物 的拆除仍缺乏理论依据‘4J ，过分倚重经验，安全事 故不时发生。数值模拟以其所具有的强大功能在许 收稿日期2 0 1 3 一0 2 3 l 作者简介江平 1 9 6 l 一 ，女，副教授、学士，主要从事工程力学及 工程中相关问题研究， E m a i l j p 6 l 1 6 3 ．c o n 。 通讯作者言志信 1 9 6 l 一 ．男。博士 后 、教授，主要从事爆破工 程、边坡丁程、地下T 程研究， E m a i l y 口1 0 1 6 3 ．c o m 。 基金项目甘肃省科技计划资助 科技支撑计划项目 l O l l G K C A 0 1 9 ；甘肃省建设科技攻关项目 J l 2 0 l O ．4 3 多工程中获得广泛应用，发挥着极为重要的作用；通 过A N S Y S 软件对l 栋7 层框架结构楼房爆破拆除 倾倒过程进行了整体式模拟分析，探索了数值模拟 分析软件A N S Y S 在控制爆破拆除中的应用，并与工 程实际进行了对比，得出A N S Y S 整体式模拟能应用 于爆破拆除倾倒过程分析，可作为控制爆破拆除的 重要参考，优化爆破拆除方案与设计，使爆破拆除更 加安全、科学、准确、可预测的结论，从而弥补经验公 式之不足，有助于改善爆破拆除效果。 1爆破拆除 爆破拆除是指根据爆破环境及工程要求[ 5 】，通 万方数据 爆破 2 0 1 3 年6 月 过理论分析、周密设计、精心施工和防护等一系列工 程爆破技术措施，严格控制炸药用量及其能量释放 范围与介质的破坏过程，不但达到预期的爆破拆除 效果，而且将爆破范围和危害作用严格地控制在较 小的、允许的限度范围之内的控制爆破技术。 2 框架结构爆破拆除基本原理 框架建 构 筑物爆破拆除的基本原理通过爆 破建筑物部分主要支撑结构，使其由几何不变体系 变为几何可变体系，使剩余支撑构件在不能支撑原 来建筑物自重的同时，不能抵抗建筑物的重力弯矩 作用而使框架结构失稳，使建筑物在白重作用下围 绕某一支撑点倒塌，从而达到爆破拆除的目的∞J 。 一般而言，建筑物以及爆破切口高度越大，建筑物就 容易失稳，易于达到爆破拆除建筑物的目的∞J 。但 在实际爆破拆除中，爆破切口高度过大，楼体在倒塌 时容易发生后坐与下坐现象，而且爆破药量大、经济 效益低，安全难以得到保障；爆破切口高度过小，则 构造物有可能会出现倾而不倒的现象，不能达到预 期的爆破效果。因此，爆破切口高度适中，控制在允 许范围之内，是决定爆破成功与否的关键J 。 3A N S Y s ／L S ．D Y N A 求解步骤 3 ．1 建模 1 p r e f e r e n c e 选项； 2 定义单元类型与实常 数油1 ； 3 定义材料的性质； 4 建立结构实体模型 由下到上建立模型 ； 5 进行网格划分 采用 s m a ns i z e 划分网格 ； 6 建立p a n ； 7 施加约束条 件与定义接触类型。 3 ．2 加载和求解 1 给模型加载，并设定初始速度； 2 设置求 解过程控制参数； 3 选择输出文件与输出时间间 隔； 4 修改关键字文件。 3 ．3 后处理 用L s ．D Y N A 后处理器“l s p r e p o s t d ”观察整个模 型在倒塌过程中的动画效果以及特定单元的位移， 最后将模拟结果和实际情况相比较。 4 建模 4 ．1 定义单元类型和材料属性 考虑到框架结构梁、板、柱都为6 面体[ 9 】，模型 采用S O U D l 6 4 单元。S O U D l “是三维实体单元， 共有8 个节点，每个节点具有9 个自由度删、洲、 泌；Ⅸ、盯、Ⅸ；似、A y 、A Z 。 S O L I D l 6 4 单元中，材料模型选用线弹性材料模 型，但是在关键字文件中要用“宰M A T A D D E R O - S I O N ”命令定义材料的失效 原因线弹性材料模型 无失效准则，若不加以定义，材料将可以无限制延 伸 ，用第一主应力控制单元失效。因为将钢筋混 凝土看作均质材料时，未考虑箍筋作用，所以在计算 时应增加其失效第一主应力。 地面采用S H E L L l 6 3 单元类型，为模拟地面的 振动，定义地面为刚性材料且约束其所有自由度。 在结构倒塌至与地面接触，发生碰撞时，地面未发生 局部变形，结构也未穿透地面。刚性材料单元在单 元处理时会被自动跳过，不分配有关的历史变量存 储空间。从而大大节省了计算时间0 | 。 在定义材料属性时，把钢筋混凝土看为均质材 料，把钢筋换算为等效的混凝土，在材料失效参数 中，选用第一主应力 拉应力 失效参数 原因在结 构倒塌过程中，单元承受拉应力过大，会引起结构的 开裂，失效单元会被系统删除，且单元被删除对计算 影响不大 。 4 ．2 建立模型和网格划分 采用实体建模法，网格划分密度要适中若网格 越密，其计算量越大，需要计算的时间越长，则对计 算机的性能要求也越高；若网格稀疏，其计算精度 低，且达不到要求。因此需要根据实际情况来合理 的选择网格数量与大小⋯J 。 4 ．3 施加约束及定义接触类型 L S ．D Y N A 中的3 种处理碰撞及滑动接触界面 的算法为动态约束法、罚函数法、分布参数法2 】。 L S ．D Y N A 接触类型主要包括单面接触、点一面接触 与面一面接触3 种处理算法。自动单面接触用于某 一个物体表面自身接触以及它和另一个物体表面接 触，当使用自动单面接触时，A N S Y s ／塔一D Y N A 将会 自动判断模型中哪处表面会发生接触。当定义好单 元接触时，允许一个模型所有外表面发生接触，这对 预先未知的接触表面的自身接触和大变形问题具有 很大作用。建筑物失稳倒塌过程中碰撞过程复杂多 变，采用自动单面接触非常合适，且定义过程简单而 又节省运算时间。 建 构 筑物倒塌场地相对比较粗糙，存在一定 的摩擦力。因此，框架结构爆破拆除倒塌模拟中，将 万方数据 第3 0 卷第2 期江平，王军良，言志信钢筋混凝土框架结构爆破拆除仿真分析 6 l 静摩擦系数设定为0 ．5 ，动摩擦系数设定为0 ．4 。 4 ．4 加载与求解 L S - D Y N A 使用“E D L O I A D ”命令定义施加于结 构上的各类荷载。先定义结构组件，接着定义时间 参数与重力加速度的数组参数。 5 查看结果并与实际工程相比较 用k p 酬观看模型倒塌过程的动画结果以及 特定单元的位移，并将模拟结果和实际情况相比较。 5 ．1 工程实例 某单位办公楼，因厂区重新规划而决定对其爆 破拆除。此楼为7 层框架结构 包含地下室与7 层 局部角楼 ，此楼的详细参数为楼高日 2 1 ．5 0m ， 楼长A 3 3 ．1 0m ，楼宽曰 1 2 ．∞m ，占地面积 4 0 0 ．0m 2 。柱的尺寸口6 5 0c m 5 0c m ，梁的尺 寸c d 3 0c m 5 0c m 。爆破前先对外侧走廊进 行预拆除处理，所用雷管为半秒延期塑料导爆雷管。 起爆顺序依次为l 一8 柱为第1 段，9 一1 6 柱为第 2 段，1 7 一黼与上部2 5 层布孔处为第3 段，起 爆器延时分别为5 0 0 和1 0 0 0 嘲，此做法减少了一次 起爆所用炸药量。 5 ．2 模拟与简化 如图l a 所示为某钢筋混凝土框架楼的平面 图，取中部一榀横向框架的爆破切口如图l b 所 示，对其进行模拟分析与研究。模拟时，把预拆除的 剪力墙与填充墙换算成板的厚度加载于模型之上， 天花板厚度不变，仍采取实际厚度，采用整体式模型 模拟建筑物倒塌过程。 一 m N o n 寸 No N I n N ∞ tN - ． N h 憔薹 ／ ／。 a 框架楼平面图 b 爆破切口示意图 a ‰一o f t h e b s c h e I 叫如0 f t h e h 翟m e dB 咖c h l r eb I a B tc u t 图l 倒塌过程模拟图 F i g ．1s i m I 山I t i n g 鲫ht 0t h ec o I l a p 8 i n gp l Ⅸe 鹪 结构的主体在1 3 ．0 0 0s 停止运动，从数值模拟 倒塌过程动态截图中可以看出结构在O ～4s 内倒 塌较为缓慢，而4s 后结构开始迅速倒塌并解体，结 构在触地后，上部结构在惯性作用下继续向前运动， 最后在地面摩擦力作用下停止滑动。见图2 。 5 ．2 ．1 倒塌距离模拟 选取框架结构顶部的单元9 1 2 2 进行结构倒塌 距离模拟，用l s p 聆p o s t d 观察楼体单元在倒塌方向上 的最远距离，本模型倒塌方向设定为X 轴。 从图3 可得到结构倒塌距离约为1 1 ．9 0m ，而 且可以看到9 1 2 2 单元在前8 ．0s 几乎呈线性运动， 几乎看不出结构倒塌触地时速度减小过程，这是因 为结构触地时下部解体完全、充分而失去支撑作用， 对结构速度的影响可忽略。而在约8 ．0s 时速度减 小，则因为结构已没有足够作用力使其迅速解体，因 而倒塌运动受阻。而因其惯性，结构克服阻力继续 运动，在约9 ．Os 时结构仍保持较高的速度继续向 前运动，最后在地面摩擦力作用下而停止运动。 5 ．2 ．2 堆积高度模拟 标出结构倒塌后的‘最高单元9 1 2 2 日 2 0 ．5m ，用k p 弛p 0 B t d 观察此单元在竖直方向的位 移。图4 中以y 轴表示竖直方向的位移。 从图中可以看到9 1 2 2 单元在l ，轴的位移约为 一1 6m ，由此数据可知堆积高度为4 ．5m 2 0 ．5 一 1 6m 。且从图4 中可以看出单元在约9s 前，呈加 速运动，约9s 后停止运动，这说明结构倒塌至触地 约9s 。 5 ．3 模拟效果与实际情况比较 模拟倒塌距离为1 1 ．9 0m ，实际倒塌距离为 1 1 ．5 0m ，差值百分比为3 ．5 ％；模拟的堆积高度约 为4 ．5 0m ，实际堆积高度约为4 ．6 5m ，差值百分比 为3 ．2 ％，两项参数都在其允许的差值范围之内。 综上所述可见，模拟效果与实际吻合很好，由此可 见利用A N S Y s 对建 构 筑物倒塌过程进行整体 式模拟是可行的，可依据模拟结果预估结构倒塌过程 和对周围环境的影响，从而为科学地进行结构爆破拆 除，使之准确、可控、可预测提供理论和技术支撑。 6 结论 1 采用A N S Y s ／L S D Y N A 整体式模型模拟出 的结构倒塌距离与实际构倒塌距离相对比，其差值 百分比较小，在允许的误差范围之内。 2 采用A N s Y s ／L s ．D Y N A 整体式模型模拟出 的结构倒塌堆积高度与实际堆积高度相对比，其差 值百分比较小，在允许的误差范围之内。 万方数据 6 2爆破2 0 1 3 年6 月 a r O ．0 4 3s l l 掌榭 _ - ■■嗍 c 7 ’ 4 ．0 9 7s e r ；7 ．1 5 0s g 7 ’ 1 0 ．0 9 6s b r 1 ．0 4 0s d 7 ’ 6 ．0 6 6s I 0 ●■ - - _ f 7 8 ．1 0 3s 图2 结构爆破拆除的倒塌过程 h 丁 1 3 ．0 0 0s F i g ．2 ，I h e c o l l a p s i n gp m c e s st ot } I eb l a s t i n gd e m o l i t i o no fs t Ⅲc t W e 万方数据 第3 0 卷第2 期江平，王军良，言志信钢筋混凝土框架结构爆破拆除仿真分析 6 3 专 l 毫 喜 碡 崔 ～ 蓦 8 皇 鲁 喝 生 E l e m e n tn O 彳9 1 2 2 n 肌e ／s 图3 单元9 1 2 2 在X 轴位移图 F i g ．3 T h ed i s p l a c e m e n td i a g L 哪t ot h eu n i t9 1 2 2 i nX ．a x i 8d i r e c t i o n E I e m e n tn O 彳9 1 2 2 力所P ／s 图4 单元9 1 1 2 在y 轴位移图 F i g ．4 T h ed i s p l a c 咖e n td i a g 硼t ot h eu n i t9 l1 2 i ny 二a x i 8d i r ℃c t i o n 3 采用A N S Y S ／L s ．D Y N A 对结构的爆破拆除 倾倒过程进行整体式模型模拟，弥补了理论及经验 公式在研究建筑物倒塌过程方面的不足。 4 可依据数值模拟分析结果预估结构倒塌过 程和对周围环境的影响，为结构的控制爆破拆除方 案确定、设计和施工提供重要参考。 5 有利于推动结构爆破拆除由经验走向科 学。使之朝准确、可控、可预测方向发展。 [ 1 ] [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] 参考文献 R e f e r e 眦姻 G o N Gx i u b i n ，UC h u 舳一m i n g ，Y A N GJ i 鲫- g I l o ．C o m ． p 帅t i v ea I I a l y 8 i 8b e t w e e nd ”啪i cs i m u l 砒i o n 彻dp m c t i c a l 他s u l to fd e m o l i t i o no fb u i l d i n gs t n l c t u 瑚b yb l 鹊“r I g [ J ] ．A d 啪c e dM a 矧a l sR e s e 呲h ，2 0 l l ，2 4 3 脚 6 2 1 6 _ 6 2 2 0 ． 言志信，叶振辉，刘培林，等．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，2 0 l l ， 3 0 9 1 9 7 - 2 0 1 ． Y A NZ h i x i n ，Y EZ h e n - h u i ，U UP e i - l i n ，e ta l - C o l l a p ． s i r I gp m c 船8o fh i g I l 他i n f o r c e dc ∞c r e t ec h i 砌e yi nb l a 8 - t i l l gd e m o l i t i o n [ J ] ．J o 帅_ I a lo fV i b l 嘶∞蚰dS h o c k 。 2 0 l l ，3 0 9 1 9 7 - 2 0 1 ． i nC h i n e 阮 杨国梁，杨军，姜琳琳．框．筒结构建筑物的折叠爆 破拆除[ J ] ．爆炸与冲击，2 0 0 9 ，2 9 4 3 8 0 - 3 8 4 ． Y A N GG u o l i 锄g ，Y A N GJ u n ，J I A N G “n - l i n ．N u m e r i - c a ls i m u l a t i o n s ∞f o l db l a s t i n gd e m o l i t i o n0 ff h m e - t u b e s t m c t u 鹏[ J ] ．E 【p l 惦i o n 锄d s h o c kw a v ∞，2 0 0 9 ， 2 9 4 3 8 0 - 3 8 4 ． i nC h i n e 眙 [ 4 ]言志信，刘培林，叶振辉．框架剪力墙结构的定向爆 破倒塌过程[ J ] ．爆炸与冲击，2 0 l l ，3 l 6 6 4 7 ．6 5 2 ． [ 4 ]Y A Nz h i - 垴n ，u uB e i - l i n ，Y Ez h e n ．h u i ． D i r e c t i o n a l b l 幽t i n gc 0 U 印8 ep m c 船8o f f i 鲫∞s h e 盯w a l ls t m c t u m [ J ] ．E x p l ∞i o n 蛐ds h o c kw a V e 8 ，2 0 l l ，3 l 6 6 4 7 6 5 2 ． i nC h i n e 眙 [ 5 ] 崔正荣，赵明生，杜明照．剪力墙结构原地坍塌爆破 拆除数值模拟[ J ] ．爆破，2 0 0 9 ，2 6 1 6 2 私． [ 5 ]c u Iz h e n g - m n g ，z H A oM i n g s h e n g ，D uM i n g - z h a o ． N u m e r i c a l8 i m 山t i o nf o rb l 幽t i n gd e 咖l i t i o no fs h e 小w a u b l 鹊t i n gs t m c t u mc o l l a p ∞i ns i t u a t i ∞[ J ] ．B 】k t i n g ， 2 0 1 l ，2 8 3 l - 3 ，3 3 ． i nC h i n e s e [ 6 ]彭建华，陈寿如，汪为巍，等．框架楼房定向倒塌爆 破切口高度的探讨[ J ] ．工程爆破，2 0 0 5 ，l l 2 4 4 ．4 6 ． [ 6 ] P E N GJ i 彻- h 岫，C H E Ns h 叫- 邝，w A N Gw e i - w e i ，e ta 1 ． S t u d yo nb k “I l gc u th e i g l l tf 矗d i 陀c t i o n a lc o U 印s i r I go f h m eb u i l d i n 铲[ J ] ． E n g i 舱e r i I l gB l 鹊t i I l g ，2 0 0 5 ， 1 1 2 4 4 4 6 ． [ 7 ]冯郑红，贾虎．高耸构筑物定向爆破切口长度理论 分析[ J ] ．南阳师范学院学报，2 0 0 7 ，6 9 7 3 - 7 4 ． i nC h i n e s e [ 7 ] F E N Gz h e n g h o n g ，J I AH u ．T h e o r e t i c a l 明a l y s i s0 ft l l e b l ∞t i n gc u tl e n g t } Io fd o m i m n tb u i l d i n g [ J ] ．J o u m a lo f N 鲫y 趾gN o m a lU n i v 吣畸，2 0 0 7 ，6 9 7 3 - 7 4 ． i n C h i n e 辩 [ 8 ]马宏吴，沈兆武，徐斌，等．1 5 层大楼爆破拆除技 术探讨[ J ] ．工程爆破，2 0 0 9 ，1 5 2 5 5 ．5 9 ． [ 8 ]M AH o n g - h ∞，S H E Nz h a o - w u ，x uB i n ，e ta 1 ．B l a s t i n g d e 肭l i t i o no fa1 5 - s t o r e yb u i l d i n g [ J ] ．E 蟛n e e r i r I gB l a s - t i T I g 。2 0 0 9 ，1 5 2 5 5 ．5 9 ． i nC h i n e ∞ [ 9 ] 尚晓江，苏建宇，王化锋，等．A N s Y s ／L s D Y N A 动 力分析方法与工程实例[ M ] ．2 版．北京中国水利 水电出版社，2 0 0 8 ． [ 1 0 ] 郝晓宁，龙源，谢刚．高架桥爆破拆除倒塌过程 数值模拟研究[ J ] ．爆破，2 0 1 0 ，2 7 4 7 8 培1 ． [ 1 0 ] H A 0 x i a o - n i n g ，L O N GY u 锄，x I EG 觚g ．N u m e r i c 8 l s i m I I l a t i o no fc o l l a p 8 e p r o c ∞so f v i a d u c t ’se x p l ∞i v e d e Ⅱl o l i t i o n [ J ] ．B l a s t 沁，2 0 1 0 ，2 7 4 7 8 - 8 1 ． i n C h i n e 跎 [ 1 1 ] 叶振辉，言志信．砖烟囱定向爆破拆除倾倒过程研 究[ J ] ．工程爆破．2 0 l O ，1 6 1 1 6 - 1 9 ． [ 11 ] Y Ez h e n - h u i ，Y A Nz h i x i n ．R e s e a r c ho nb r i c kc h i m n e y ∞U 印s i n gp r o c 髓8b yd i r e c t i o r I a lb I 鹪t i I l gd e m o l i t i ∞[ J ] ． E n g i n e e r i n gB l a t i n g 。2 0 1 0 ，1 6 1 1 6 一1 9 ． i nC h i n e 8 e [ 1 2 ] 周宁．A N s Y S A P D L 高级工程应用实例分析与二 次开发[ M ] ．北京中国水利水电出版社，2 0 c r 7 ． 万方数据