建筑物爆破拆除塌落振动数值模拟研究.pdf

第2 7 卷第4 期 爆破 V o l 2 7 N o 4 2 0 1 0 年1 2 月B L A S T I N G D e c ．2 0 1 0 D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 0 ．0 4 ．0 1 9 建筑物爆破拆除塌落振动数值模拟研究 王铁1 ，刘立雷2 ，刘伟3 1 ．广东宏大爆破股份有限公司，广州5 1 0 6 2 3 ；2 ．中广核工程有限公司，深圳5 1 8 0 3 1 ； 3 ．安徽理工大学化学3 - 程学院，淮南2 3 2 0 0 1 摘要结合理论分析和数值模拟，探讨了降低建筑物爆破拆除塌落振动的措施。采用动力有限元分析程 序A N S Y S ／L S ．D Y N A ，建立了框架结构建筑物爆破拆除塌落振动数值分析模型。对不同拆除方案下的地面 质点的振动速度进行了分析比较，结果表明，通过合理设计爆破缺口和起爆时差可以显著降低倒塌过程中塌 落振动的影响。 关键词爆破拆除；塌落振动；动力有限元；数值模拟 中图分类号T U 7 4 6 ．5文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 0 0 4 0 0 7 4 0 4 R e s e a r c ho nN u m e r i c a lS i m u l a t i o nf o rC o l l a p s eV i b r a t i o n i nB u i l d i n gE x p l o s i v eD e m o l i t i o n W A N GT i e l 。H UK ．k } ，u UW e i 。 1 ．G u a n g d o n gH o n g d aB l a s t i n gC oL t d ，G u a n g z h o u51 0 6 2 3 ，c h i n a ； 2 ．C h i n aN u c l e a rP o w e rE n g i n e e r i n gC oL t d ，S h e n z h e n5 1 8 0 3 1 ，C h i n a ； 3 ．S c h o o lo fC h e m i s t r yE n g i n e e r i n g ，A n h u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ， H u a i n a n2 3 2 0 0 1 ，C h i n a A b s t r a c t M e ∞u r j e Bt or e d u c et h ec o l l a p s ev i b r a t i o nw e r _ ed i s c u s s e dw i t hc o m b i n a t i o no ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．T h ev i b r a t i o nn u m e r i c a lm o d e lo faf r l t n l es t r u c t u r e db u i l d i n gc o l l a p s ed u et oe x p l o s i v ed e m o l i - t i o nw a sb u i l tb yd y n a m i cf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sc o d eA N S Y S ／I ．S D Y N A ．n ev i b r a t i o nv e l o c i t yo fg r o u n dp a r t i c l e 访t hd i f f e r e n td e m o l i t i o ns c h e m ew e l ea n a l y z e da n dc o m p a r e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c to fc o l l a p s ev i b r a t i o ni n e x p l o s i v ed e m o l i t i o nc a l lb er e d u c e ds i g n i f i c a n t l yb yr e a s o n a b l ed e s i g no fb l a s t i n gc u t sa n dd e l a yt i m eo f i n i t i a 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 ；c o l l a p s ev i b r a t i o n ；d r I m m i cf i n i t ee l e m e n t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 0引言 实践表明，建筑物尤其是高层建筑物爆破拆除 塌落引起的地面振动，比爆破本身产生的振动还要 大⋯。建筑物塌落振动控制比较困难，这对当前日 收稿日期2 0 1 0 一0 5 2 5 作者简介王铁 1 9 8 0 一 ，男，广东宏大爆破股份有限公司工程 师，学士，从事工程爆破及矿山开采技术，E m a i l t e w a n g 1 6 3 ．c o r n 。 通讯作者刘伟 1 9 8 0 一 ，男，安徽省淮南市安徽理工大学化工学 院弹药工程与爆炸技术系，研究方向爆破工程，E - m a i l w l i u a u s t ．e d u ．c a d 趋复杂的城市拆除提出极大的挑战。采用理论分析 和数值模拟相结合的方法，采用A N S Y S ／L S - D Y N A 程序建立建筑物爆破拆除的倒塌模型，制定不同的 倒塌方案进行计算机预演，探讨爆破缺口形式和延 期间隔对建筑物爆破拆除塌落振动效应的影响，为 降低塌落振动提供一种新的研究思路。 1 塌落振动产生分析 建筑物倒塌过程分为自由下落、转体倾倒、空间 解体、倒塌堆积4 个阶段，这一系列过程实质上是能 量不断转化的过程，在这一过程中，建筑物的势能分 万方数据 第2 7 卷第4 期王铁，刘立雷，刘伟建筑物爆破拆除塌落振动数值模拟研究 7 5 别转化为塑性铰的耗能、结构解体的变形能、建筑物 塌落体撞击地面的触地动能和其它能 如克服风力 的能量等 ，其中建筑物撞击地面的触地动能是引 起塌落振动的根源【2J 。 设建筑物势能为E ，塑性铰的耗能为E 。，建筑 物结构解体的变形能和其它能为E ，建筑物撞击地 面的触地动能为B ，则有 E E l 易 毋 1 所以 E 3 E 一 E ． 易 2 待拆建筑物确定后则其势能E 即为定值，由式 2 可知，塑性铰的耗能E 越大，建筑物结构解体的 变形能和其它能易越大，则建筑物塌落体撞击地面 的触地动能E ，越小，故塌落引起的振动就会越小。 建筑物倾倒过程中，由于自下而上不同爆破缺 口的作用，以及建筑物自身解体之间的相互作用，使 得建筑物结构本身分成大小不等塌落单元体，而且 这些单元体以不同时刻落地。假设这些单元体个数 为n ，第i 个塌落单元的质量为m i ，则建筑物塌落体 的触地动能应为 4 1 E ， ∑m i v ； 3 i l - 式中t I ；为第i 个塌落单元的触地速度，％ 厮； h ；为第i 个塌落单元重心到地面的距离，m 。 由此可见，合理控制建筑物的构件解体及下落、 倾倒顺序，可以降低塌落振动效应。 2 算例 某商场决定采用爆破方法进行拆除，其结构平 面图如图1 所示。商场为9 层框架结构，长约6 6m ， 宽约2 9m ，最高标尺4 7 ．5 5m ；底层立柱尺寸有 5 5 0i n t ox 6 0 0m m 、5 5 0i b mx 5 5 0m i l l 、5 5 0 栅4 0 0 咖、 7 5 0m m 1 0 0 0m i l l 等几种；楼板为厚1 0c m 现浇板。混 凝土标号为E 3 0 。采用定向倾倒爆破方案，上、下2 个 缺口，见图2 。 ① 0 o 0 ④卜堑型L 一一I ①⑦③④⑤⑥⑦⑨⑨④ 图1 商场结构平面图 单位哪 F i g ．1 P l a n es k e t c ho ft h em a r k e t p l a c e u n i t m m 倾倒方向 I 1I l Il Il Cl ltlI l，．1I lI 划口生 卫一．型4 纠 o0oo圆 图2 爆破方案示意图 单位m F i g ．2 S k e t c ho fb l a s t i n gd e s i g n u n i t m 3 建模分析 3 ．1 有限元建模 采用A N S Y S ／L S D Y N A 有限元软件建立框架结 构的三维模型，采用b e a m 单元建立梁和柱，s h e l l 单 元建立楼板单元，材料模型为多段线性弹塑性材 料口J 。由于爆破前各楼层的大部分隔墙均被人工 拆除，所以不再建立隔墙单元。地面假设为弹塑性， 采用s o l i d i 6 4 单元建模。 3 ．2 波动有限元中的人工边界 用有限元求解在无限域中的波动问题，首先必 须从无限域中提取出研究区域，设置人工边界，以吸 收达到边界处的应力波。若人工边界设置得不合 理，将会在人工边界上产生波的反射，使计算结果与 实际情况不符。A N S Y S ／I S D Y N A9 ．0 提供了非反 射边界条件来表示无限域。在地基模型的4 个侧面 和下底面定义非反射边界条件，阻止波从模型边界 处的反射，使建模相对方便合理，结构数值模型及振 动计算示意图见图3 。图中节点 编号1 0 0 2 9 0 距 离建筑物倒塌中心线方向4 0m 。 3 ．3 不同爆破方案的振动效果计算 计算的思路是设计不同的爆破拆除方案，采用 有限元分析程序对建 构 筑物的倒塌效果进行模 拟，然后提取地面质点的振动速度波形进行比较。 对建筑物倒塌过程的模拟国内外学者已经做了大量 工作b 圳，在此对倒塌效果的模拟不再作讨论。 实践表明，微差爆破技术不但可以降低爆破振 万方数据 7 6 爆破 2 0 1 0 年1 2 月 动，同样也可以降低塌落振动速度，这是因为微差爆 破给予了结构一定的空中解体时间，因而倒塌的触 地能量在时间上和空间上得到了分散。采用数值分 析同样发现微差爆破技术可以显著降低建筑物塌落 引起的地面振动效应C s l 。 图3 框架结构有限元模型 F i g ．3 F i n i t ee l e m e n tm o d e lo ff r a m es t r u c t u r e 3 ．3 ．1 不同延期间隔对塌落振动的影响 为了研究延期间隔对塌落振动的影响，沿倒塌 方向取距离建筑物4 0m 的底面节点 1 0 0 2 9 0 的振 动情况进行研究，对下部排间立柱爆破延期分别为 0 ．1 。0 ．6s 的爆破拆除方案下的地面振动波形进行 了研究，这里仅取y 方向 垂直方向 在不同方案下 的振动波形进行研究，如图4 、图5 所示。 图4 不同延期爆破方案下垂直方向塌落振动波形图 F i g ．4C o l l a p s ev i b r a t i o nw a v e si nv e r t i c a ld i r e c t i o no f d i f f e r e n tt i m e d e l a yd e m o l i t i o nd e s i g n 图5 不同延期拆除方案的倾倒情形 F i g ．5C o l l a p s eo fd i f f e r e n tt i m e d e l a yd e m o l i t i o nd e s i g n 从各种延期间隔的振动波形上可以看出 1 支撑立柱排间起爆间隔为0 ．1S ，0 ．4s ，0 ．6s 的触动振动振幅较小。 2 通过研究倒塌过程发现，延期间隔为0 ．1s 时，爆破缺口形成后，框架结构发生微倾，后排第1 层支持立柱受到压弯破坏，结构发生下坐，立柱D 、 E 、F 的抗压、抗弯变形消耗了大部分的结构的势能， 随后结构继续下坐、倾倒。在倾倒过程中，空中部分 的构件没有发生破坏，基本上是触地倒塌破坏。 3 延期间隔0 ．4S ，结构倒塌过程中部分发生了 受弯破坏，发生塑性变形，消耗了大部分势能，因而 触地振动也较小。 4 延期间隔0 ．6S ，结构在倒塌过程中构件发生 的塑性破坏加剧，消耗大部分结构势能，有效地降低 了触地振动，同时，由于立柱间延期间隔加长，后排 支持立柱受到压弯破坏较严重，结构后坐距离加大。 3 ．3 ．2 不同缺口形式塌落振动比较 如图2 ，原方案有上下2 个爆破缺口，我们通过 改变上下缺口的形成顺序来来比较这2 种方案下的 塌落振动情况。方案设计立柱间起爆间隔为 0 ．5s ，上下缺口形成时间间隔亦为0 ．5s ，不改变缺 口形状。同样取地面节点的垂直振动速度进行研 究，振动波形如图6 所示。 从振动波形上可以看出，上部缺口先起爆，结构 触地时间较晚，但塌落振动峰值明显低于下部缺口 先起爆的情形。原因是上部缺口形成后，引起结构 上部发生变形、解体、碰撞，都会消耗建筑的势能，造 成触底动能降低。 万方数据 第2 7 卷第4 期王铁，刘立雷，刘伟建筑物爆破拆除塌落振动数值模拟研究 7 7 ， I ∞ ● 目 3 越 嘲 福 塔 时间，8 图6 不同缺口形成顺序下的地面垂直振动波形比较 F i g ．6C o m p a r i s o no fv e r t i c a lv i b r a t i o nw a v e sd u et O d i f f e r e n ts e q u e n c eo fc u t sf o r m a t i o n 4 结论 采用理论分析结合数值模拟手段分析了延期间隔 以及缺口形式对倒塌触地振动的影响。研究发现 1 为了使结构准确定向，保留足够的支撑立柱 是必要的，因而，建议对后排支撑立柱的爆破间隔不 宜超过0 ．1s 。 2 随着支撑立柱的起爆间隔加长，触地倒塌振 动有降低趋势，但会产生较长距离的后坐，为了增加 结构的空中解体，使之发生塑性破坏，前排支撑立柱 的起爆间隔可适当选择较长的起爆间隔，建议从前 排至后排起爆间隔逐排递减。但要避免缺口内横梁 提前触地形成斜支撑而影响倒塌效果。 3 对于高层建筑的多缺口爆破拆除方案，采用 自上而下的起爆方式可以显著降低塌落振动。 参考文献 唐春海．拆除爆破地震效应的研究[ D ] ．北京北京科 技大学学位论文，1 9 9 8 ． 田运生．高层建筑物爆破拆除塌落振动分析和控制 [ J ] ．爆破器材，2 0 0 4 ，3 3 4 2 5 - 2 8 ． 刘伟，刘立雷．框架结构楼房爆破拆除倒塌过程模 拟E l i ．工程爆破，2 0 0 8 ，1 4 1 1 2 1 5 ． 陆新征，江见鲸．世界贸易中心飞机撞击后倒塌过程 的仿真分析[ J ] ，土木工程学报，2 0 0 1 ，3 4 6 8 l O ． 陆新征，张炎圣，江见鲸．基于纤维模型的钢筋混凝土 框架爆破倒塌破坏模拟[ J ] ．爆破，2 0 0 7 ，2 4 2 l 与． 程纬，孙利民，范立础．A N S Y S 二次开发功能及其在 双层高架桥墩地震倒塌仿真分析中的应用[ J ] ．计算 机工程与应用，2 0 0 2 1 3 2 0 8 - 2 0 9 ． L U C C I O N IB m ，A M B R O S I N IR d ，D A N E S IR f ．A n a l y s i so f b u i l d i n g c o l l a p s eu n d e rb l a s tl o a d s [ J ] ．E n 画n ∞r i n g S t r u c t u r e s ，2 0 0 4 ，2 6 6 3 - 7 1 ． 刘伟．建筑物爆破拆除有限元分析与仿真[ D ] ．武 汉武汉理工大学学位论文，2 0 0 6 ． 贾永胜，谢先启，李欣宇，等．建 构 筑物控制爆破拆 除的仿真模拟[ J ] ．岩土力学，2 0 0 8 ，2 9 1 ，2 8 5 - 2 8 8 ． 上接第6 7 页 6结语 本的效果。 1 地下大断面洞室开挖，，由于围岩体的作用， 参考文献 预裂爆破技术在地下工程直立边墙开挖应用是适宜 的，既能保证预留岩体的稳定，又能加快施工进度。 2 地下工程开挖中钻孔精度和装药参数的选 择是确保质量的关键，且钻孔精度起主导作用，其次 才是装药参数因素，因此在钻孔过程中，需采取搭设 样架、测量定位、钻孔分区责任到人的措施。 3 底板开挖采用光面爆破技术，钻孔前清底到 位，严格控制钻孔间距与角度，严格装药结构，减少 超挖，从而减少回填混凝土量，从而达到降低施工成 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 张正字．中国爆破新技术[ M ] ．北京冶金工业出版 社，2 0 0 4 3 3 4 - 3 3 9 ，3 6 7 - 3 7 1 ． 刘殿中．工程爆破实用手册[ M ] ．北京冶金工业出版 社，1 9 9 9 ． D I V T 5 0 9 9 - - 1 9 9 9 水工建筑物地下开挖工程施工技术 规范[ s ] ．北京中国电力出版社，2 0 0 0 ． D L ／T 5 1 3 5 - - 2 0 0 1 水电水利工程爆破施工技术规范 [ S ] ．天津天津大学出版社，2 0 0 2 ． 1i 1 J 1 J 1 J ，J 1 J 1 J n 乜 口 ■ b № ” 眵 p o 2 ● o o 之 o o J 万方数据