框架结构建筑物爆破拆除数值分析.pdf

第3 0 卷第3 期 爆破 V 0 1 ．3 0N o ．3 2 0 1 3 年9 月B L A S T I N G S e p ．2 0 1 3 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 3 ．0 3 ．0 2 3 框架结构建筑物爆破拆除数值分析 言志信“‘，朱辉辉钆6 ，于换小a , b ，刘灿“‘，贺香钆6 兰州大学a ．西部灾害与环境力学教育部重点实验室；b ．土木工程与力学学院，兰州7 3 0 0 0 0 摘要利用A N S Y S ／L S ．D Y N A 有限元分析软件，采用共节点分离式模型建立1 1 层框架结构建筑物模型， 并对其进行定向倒塌的数值分析。通过和实际工程的比较，发现数值分析的结果和实际工程的结果误差很 小。在原模型基础上，分别增大和减小爆破切口高度，数值模拟结果得出在一定条件下，爆破切口越大，建 筑物倒塌触地冲击力越大，有利于建筑物触地时的二次解体，同时前冲距离也会随之增大。 关键词 爆破拆除；定向倒塌；A N S Y S ／L S D Y N A ； 框架结构；前冲距离 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 3 0 3 0 1 0 4 一0 4 N u m e r i c a lA n a l y s i so fE x p l o s i v eD e m o l i t i o no f F r a m eS t r u c t u r eB u i l d i n g Y A NZ h i ．x i n 。“，Z H UH u i ．h u i 8 “，Y UH u a n ．x i a 0 8 t “，H UC a n 8 ’“，H EX i a n 9 8 “ a ．K e yL a b o r a t o r yo fM e c h a n i c so nD i s a s t e ra n dE n v i r o n m e n ti nW e s t e r nC h i n ao f M i n i s t r yo fE d u c a t i o n ；b ．S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n ga 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 r a c t AC o u l m o Hn o d es e p a r a t em o d e lw a sa d o p t e dt oe s t a b l i s h 出e11 一s t o r yf r a m es t r u c t u r em o d e la n dt o s i m u l a t et h ed i r e c t i o n a lc o l l a p s ep r o c e s sb yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r eA N S Y S ／L S D Y N A ．C o m ‘ p a r e dw i t ht l l ea c t u a lb l a s t i n gr e s u l t s ，r e s u l t ss h o wt h a tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sf i tt h ea c t u a lr e s u l t so ft h e p r o j e c tw e l l ．B a s e do nt h eo f i h n a lm o d e l ，t h es i m u l a t e dr e s u l tb yi n c r e a s i n g o rd e c r e a s i n gh e i g h to ft h eb l a s tc u t s h o wt h a tf o rt h eb i g g e ro fb l a s tc u t ，t h eg r e a t e ri m p a c tf o r c eo ft h eb u i l d i n g ’Sc o l l a p s i n gt o u c h d o w nw i l lb ep r o d u c e d a n dw h i c hh a s t e nt h es e c o n d a r yd i s i n t e g r a t i o nw h i l ep e d i m e n td i s t a n c ea l s oi n c r e a s e s ． 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 ；d i r e c t i o n a lc o l l a p s e ；A N S Y S ／L S - D Y N A ；f r a m es t r u c t u r e ；p e d i m e n td i s t a n c e 在城市的现代化建设和旧城改造中，对一些超 出设计使用年限或者已经不能满足适用性要求的建 筑物进行拆除是必不可少的。传统的拆除方法包括 人工拆除和机械拆除，但是这些方法不适宜高层建 筑物。采用爆破拆除的方法对高层建筑物进行拆除 是一门已经发展的比较成熟的技术。截止目前，国 收稿日期2 0 1 3 0 3 2 8 作者简介言志信 1 9 6 1 一 ，男，教授、博士生导师，从事爆破工程 师、边坡工程、地下工程研究， E m a i l y z x l O 1 6 3 ．c o r n 。 通讯作者朱辉辉 1 9 8 7 一 ，男，硕士，从事爆破工程研究， E m a i l z h u h h l l m ．e d u ．c n 。 基金项目甘肃省科技计划资助项目 科技支撑计戈g 项目 钢筋混凝 土高层结构爆破拆除关键技术研究 1 0 1 l G K C A 0 1 9 内已经有许多爆破拆除废弃建筑物的成功案例，但 是也有一些失败的案例。随着需要被爆破拆除建筑 物周边环境的日趋恶劣，以往以经验为主的爆破设 计理念，已经不能适宜现代爆破拆除的发展需求，以 至于国内出现许多建筑物爆而不倒的情况，严重威 胁人民的生命安全，造成不良的社会影响。 由于建筑物爆破拆除的不可重复性，建筑物结 构布置的差异性，对每一次爆破拆除进行实际实验 是不可能，而数值模拟为这一问题的解决提供了可 能⋯，例如2 0 0 8 年刘伟、刘立雷利用A N S Y S 软件 对框架结构建筑物倒塌进行了数值分析嵋1 ；2 0 0 9 万方数据 第3 0 卷第3 期言志信，朱辉辉，于换小，等框架结构建筑物爆破拆除数值分析 年，杨国梁采用共节点分离式模型对框筒结构建筑 物的倒塌进行了数值分析口J 。可喜的是他们数值 分析的结果与实际工程比较吻合，这更加促使了数 值模拟的进一步发展，为爆破拆除方案的可行性分 析提供了安全、经济的科学辅助手段。 1 工程实例 1 ．1 工程概况 待拆除建筑物为深圳市龙岗第二工业区区内的 原潮味大酒店【4 』，该酒店为钢筋混凝土框架结构， 共1 1 层，建筑物长2 6 ．4m 、宽2 0 ．2m 、高4 1 ．0m 。 沿建筑物长、宽方向各有4 排承重柱，每排根。沿长 度方向柱间距为7 ．1m 、7 ．8m 、7 ．1m ，沿宽度方向 柱间距为4 ．8m 、6 ．0m 、4 ．8m 。建筑物结构平面图 如图1 所示。． ∞ 寸 ， C 、c 、 ， ∞ 寸 J - 一 7 ．1．．7 ．8．7 ．1 图I 结构平面图 单位m F i g ．1 S t r u c t u r a lp l a n ed i a g r a m l u n i t m 1 ．2 周边环境 该酒店位于深惠公路 2 0 5 国道 龙岗双龙立交 桥西约1 0 0m 处[ 4 】。酒店北侧距深惠公路2 4 ．2m ， 距路北房屋5 5m ；西侧距待拆家具店7 2 ．2m ；南侧 距待拆居民楼1 3 ．3m ；东侧建筑已拆除完毕，1 0 0m 内为空地。爆区周围没有需要特别保护的目标，属 环境条件较好一类，酒店周围环境如图2 所示。 1 ．3 爆破方案 根据酒店建筑物的特点，通过验算其偏转重心， 决定倾倒方向的前排柱的炸高为1 4 ．0m ；第排柱的 炸高为1 0 ．0m ；第排柱炸高为6 ．0m ；最后1 排柱仅 在根脚处作一定破坏，形成支撑转动铰链，炸高为 0 ．6m 。由于酒店框架建筑结构强度较高，为保证倒 塌时充分解体，预先在建筑物4 8 层部分梁柱节点 处布置炮孔，在建筑物倾倒过程中起爆，坍塌效果将 更理想‘4 ] 0 、各柱炸高布置如图3 所示。 』V 门n 路北房屋 ＼■／ 2 0 5 国道龙岗镇大二] 二业区段 C _ n - n N 寸 N 网， 7 2 一 黝 些赢方向暑 弱蕊匡 、c 、0 一 囡 8 _缓黝 2 0 ．2． 拆除中 居民楼 图2 酒店周围环境示意图 单位m F i g ．2S u r r o u n d i n g so ft h ew i n e s h o p u n i t m 倒 塌 方 向 图3 各柱炸商布置 单位m m F i g ．3A r r a n g e m e n to fb l a s t i n gh e i g h t sf o r d i f f e r e n tp i l l a r s u n i t r a m 爆破网路采用延时设计，A 、曰排柱先爆，C 、D 排 柱依次延迟起爆，孔内分别使用2 段 A 柱、B 柱 、 1 1 段 C 柱 、段 D 柱及节点 非电雷管。各段的起 爆时间如表1 所示bJ 。 表1 各柱延时时间 T a b l e1 D e l a yt i m eo fd i f f e r e n tp i l l a r s 2 有限元模型 2 ．1 单元选择 模型采用的是有限元分析软件自带的单元模 万方数据 爆破 2 0 1 3 年9 月 型，钢筋采用梁单元 b e a m l 6 1 ，混凝土采用实体 单元 s o l i d l 6 4 ，楼板和地面采用薄壳单元 s h e l l 1 6 3 ；爆破切口的延时采用杀死单元法M 1 ；建筑物 和地面的接触采用A N S Y S ／L S - D Y N A 自带的A u t o - m a t i cS i n g l eF a c e 自动单面接触 接触方式“ J 。 2 ．2 建模方案 建模过程中，考虑到数值模型的局限性，不可能 与实际模型完全一致。为了便于建模和提高计算效 率，在对计算结果精度影响不大的情况下，将原模型 作如下简化哺o 1 省略楼梯间，建筑物长度和宽度稍作调整。 2 所有柱中只设纵向受力钢筋，不考虑箍筋 的作用。 3 直接生成爆破切口，不考虑炸药爆炸后对 建筑物产生的影响。 4 地面为刚体，不发生变形。 利用A N S Y S ／L S ．D Y N A1 3 ．0 考虑不同的切口 高度，建立3 个有限元模型，模型方案如表2 所示。 表23 种方案中各柱炸高 单位m T a b l e2 B l a s t i n gh e i g h t sf o rd i f f e r e n tp i l l a r so f t h r e ep r o g r a m s u n i t m 3 数值分析 3 ．1 方案二与实际工程的对比分析 方案二中各柱的炸高与实际工程一致，取后坐 方向上最远处一单元，输出其位移时程曲线如 图4 a 所示，结合其在建筑物上的实际位置得出 数值模型结果中后座距离为6 ．5m ，而在实际工程 中的后座距离大约为7 ．0m ，后座距离误差为 7 ．1 4 ％，误差较小，在允许的范围内；取前冲方向上 最远处一单元，输出其位移时程曲线如图4 b 所 示，得出数值模拟结果中前冲方向上最远距离为 2 0 ．7m ，结合其在建筑物上的实际位置，可以得出 几乎无前冲，而在实际工程中爆堆无前冲，数值模拟 的结果与实际工程基本相符，见图5 ；爆堆最终效果 如图6M e t h o d2 f 所示，从最终的倒塌图片可以 看，建筑物解体充分，梁和柱的节点都被充分破坏， 与实际工程是相符合的。 因此，以上结果可以看出，按照本建模方法运用 A N S Y S ／L S D Y N A1 3 ．0 建立共节点分离式模型进行 数值模拟的结果和实际工程比较相近，该方法是可 信的，在以后的实际工程中可以作为分析工具，辅助 爆破工程的方案设计。 1 { - o l - 2 8 - 3 喜； 凌．6 ．7 罢2 0 1 1 5 喜l o 喜， 碡 O E l e m e tn o 41 3 2 2 4 T i m e ／s a 后坐方向单元位移图 a U n i td i s p l a c e m e n tg r a p hi nr e c o i ld i r e c t i o n L S - D Y N Au s e rI n p u t E l e m e tn o ． 笸6 1 2 8 5 b 前冲方向单元位移图 b U n i td i s p l a c e m e n tg r a p hi np e d i m e n td i r e c t i o n 图4 方案二单元位移曲线图 F i g ．4 U n i td i s p l a c e m e n tg r a p ho fp r o g r a mt w o 3 ．23 种方案之间的对比分析 3 种方案中D 柱和节点的爆破高度没有发生任 何变化，A 、曰、C 柱的爆破高度依次增大2m ，其中方 案二中的爆破高度与实际工程完全一致，3 种方案 中各柱的炸高如表2 所示。输出前冲方向上最远处 单元位移时程曲线如图5 所示，可以得出爆堆的前 冲方向上最大距离如表3 所示。最终得出结论在 一定范围内，随着爆破高度的增加，爆堆前冲距离逐 渐增加，同时，从图6M e t h o d1 f 、M e t h o d2 f 、 M e t h o d3 f 可以看出建筑物在倒塌后破碎得越彻 底。这是因为增大爆破切口，切口闭合较晚，上部结 构发生倾倒的时间增大，在重力作用下产生的速度 的水平向前的分量增大的，速度越大，建筑物和地面 的撞击就越厉害，有助利建筑物的二次解体，致使建 筑物倒塌后破碎得越彻底。 表3 爆堆前冲方向最大距离 T a b l e3T h em s x i l n u n lf o r w a r ds e t t i n gd i s t a n c eo fm u c k p i l ei np e d i m e n td i r e c t i o n 万方数据 第3 0 卷第3 期言志信，朱辉辉，于换小，等框架结构建筑物爆破拆除数值分析 1 0 7 n r e e l s a 方案1 a M e t h o d1 E l e m e t1 1 0 』5 8 1 0 1 图5 F i g n 删e ／s b 方案2 b M e t h o d2 3 种方案前冲方向最大距离单元位移曲线图 5U n i td i s p l a c e m e n tg r a p ho ft h r e ep r o g r a m s a t 0S d t 2 ．4 0S a t 0S d t 2 ．5 0S a t 0S d t 2 ．6 7S b t 0 ．3 3S e t 3 ．2 7S M e t h o dl b ￡ 0 ．3 3S e t 3 ．0 7S M e t h o d2 b t 0 ．3 3S T ／用e ／s C 方案3 c M e t h o d3 C t 0 ．5 3S f t 4 ．4 0S e t 0 ．5 3S 弋■■■■一 f t 4 ．6 7S C t 0 ．5 3S e t 3 ．2 3S M e t h o d3 图63 种方案倒塌过程 F i g ．6C o l l a p s ep r o c e s so ft h et h r e ep r o g r a m s f t 4 ．4 3S E l e m e tn O ■6 0 5 0 6 下转第1 5 5 页 厂一 吡 歹 一0 p ／ 一 ．暑 ／ 『 r ， L ．． ” 多一 U ，r A 一一2 N 、1 y 4 一 D ＼I ● ． ‘ S 一 州二 n ／ 一， I ／ 一Z r ／ 一 e 4 ， ‘ S 』， 一 u ／ 一 A ／一 N 一一2 Y 4 一 D _ l I ． ■ S 一 万方数据 第3 0 卷第3 期沈大文，黄维进，叶元寿一起拒爆事故的调查分析 1 5 5 上接第1 0 7 页 3 ．3 建筑物倒塌过程示意图 3 种方案建筑物倒塌过程如图6 所示。建筑物 倒塌基于建筑物失稳原理，当A 柱和B 柱被爆破 后，建筑物开始失去承载力，建筑物整体失稳，形成 倾覆力矩，但是由于倾覆弯矩不大，建筑物重心开始 小幅度地偏离原来的位置；当C 柱被爆破后，倾覆 力距进一步增大，建筑物重心偏离原来位置的幅度 增大；当A 柱被爆破后，建筑物倒塌不受任何约束， 切口闭合后，在惯性力的作用下，与地面发生碰撞， 强大的冲击力使得建筑物解体破碎。 4 结论 通过对11 层框架结构建筑物的数值模拟分析， 并分别增大和减小切口高度，得出以下结论 1 采用共节点分离式模型建立有限元模型， 虽然做出了部分简化，但是数值模拟的结果和实际 工程误差较小，数值模拟作为爆破方案的辅助设计 是有一定科学依据的。 2 切口高度影响爆堆破碎程度和前冲距离。 在能够保证建筑物顺利倒塌的情况下，适当增大切 口高度有利于建筑物触地时的二次解体，提高爆堆 的破碎程度，但是建筑物前冲距离会增大。因此，在 实际工程中，应该综合考虑切口高度、破碎程度、前 冲距离等因素。 3 建筑物的倒塌是一个很大的冲击过程，本 文没有研究建筑物触地时对地面的震动，然而，这是 不可忽视的一个问题，希望各位爆破同仁能充分认 识到这个问题。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ]言志信，刘培林，叶正辉．框架剪力墙结构的定向爆破 倒塌过程[ J ] ．爆炸与冲击，2 0 1 1 ，3 i 6 6 4 7 - 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3 5 4 ． i nC h i n e s e 万方数据