框架结构爆破拆除分离式模拟研究.pdf

第2 8 卷第3 期 爆破 V o l 2 8N o 3 2 0 1 1 年9 月B L A S T I N G S e p ．2 0 1 1 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 1 ．0 3 ．0 0 1 框架结构爆破拆除分离式模拟研究宰 言志信1 ”，刘龙泉1 ’2 ，刘培林1 ’2 ，叶振辉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 摘要随着爆破拆除结构及其所处环境日趋复杂，爆破拆除理应向拆除过程可控制、爆破效果可预测的 方向发展。采用共用节点分离式建立模型，运用A N S Y S ／L S D Y N A 软件模拟框架结构定向爆破拆除的倒塌 过程。通过改变材料的失效应力分析了不同材料强度对结构倒塌效果的影响，数值模拟结果表明材料强度 与倒塌位移成正相关。通过对混凝土和钢筋单元应力一时程曲线的分析指出共用节点分离式模型能够较好 地反映混凝土和钢筋2 种材料的力学性能差异。 关键词爆破拆除；框架结构；分离式模型；力学性能；A N S Y S ／L S ．D Y N A 中图分类号0 3 8 ；7 r 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 1 0 3 0 0 0 l 0 3 S i m u l a t i o nR e s e a r c ho nS e p a r a t eM o d e lo fF r a m e d S t r u c t u r eE x p l o s i v eD e m o l i t i o n Y A NZ h i - x i n l t - ，H UL o n g ．q u a n l ”，L I UP e i l i n ‘”，Y EZ h e n ．h u i l ’2 1 ．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 a ，t h eM i n i s t r y o 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 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 F o l l o w i n gt h es t r u c t u r ea n de x v i m m e n to fe x p l o s i v ed e m o l i t i o no b j e c tb e c o m i n gm o r ec o m p l i c a t e d ， t h ee x p l o s i v ed e m o l i t i o nt e c h n o l o g ys h o u l dd e v e l o pi nt h ed i r e c t i o nt o w a r d st h a tp r o c e s si sc o n t r o l l a b l ea n dr e s u l ti s p r e d i c t a b l e ．T h es e p a r a t em o d e lb a s e do nc o m n l o nn o d ei su s e dt os i m u l a t et h ec o l l a p s ep r o c e s so fd i r e c t i o n a le x p l o - s i v ed e m o l i t i o no ff r a m e ds t n l c t u r eb ym e g n 8o fA N S Y S ／L S - D Y N As o f t w a r e ．W et r yt oa n a l y s i st h ei n f l u e n c eb yd i f - f e r e n tm a t e r i a l s ’s t r e n g t hl n 6 1 k e so nt h er e s u l to fs t r u c t u r ec o l l a p s et h r o u g hc h a n gm a t e r i a l s 7 f a i l u r es t r e s s ．T h eh a m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tm a t e r i a l ’s t r e n g t hi sc o r r e l a t e dp o s i t i v e l yw i t hc o l l a p s ed i s p l a c e m e n t ．T h 舢o ht h ea n a l y s i so f t h es t r e s s - t i m ec u r v eo fr e i n f o r c e dc o n c r e t ee l e m e n t ，i ti si n d i c a t e dt h a tt h es e p a r a t em o d e lb a s e do nc o m m o nn o d e C a nr e f l e c tt h ed i f f e r e n c eo fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sb e t w e e ns t e e la n dc o n c r e t e ． 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 ；f r a m e ds t r u c t u r e ；s e p a r a t em o d e l s ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；A N S Y S ／L S - D Y N A 随着经济的发展，城市现代化改造步伐的加快， 建筑物拆除工作越来越频繁。同时拆除对象的结构 及其所处环境日趋复杂，爆破拆除理应向拆除过程 收稿日期2 0 1 0 1 1 2 9 作者简介言志信 1 9 6 1 一 ，汉族，男，湖南人，教授，博士 后 ．现为 兰州大学特聘教授、博士生导师，主要从事地质工程、边坡 及地下工程方面的研究工作， E - m a i l y z x l O 1 6 3 ．c o m ， y a n z h x I z u ．e d u ．C l l o 通讯作者刘龙泉 1 9 8 8 一 男，硕士研究生。 基金项目甘肃省科技计划资助 科技支撑计划项目1 0 1 1 G | C 0 1 9 ；甘 肃省建设科技攻关项目 J K 2 0 1 0 4 3 可控制、爆破效果可预测的方向发展。因此应用计 算机仿真技术模拟结构的爆破过程，为爆破方案设 计提供参考依据是必要的。而通过计算机仿真分析 来优化选择设计参数，并对设计结果进行验证，无疑 是一种经济的辅助方法，因为避免了相关实验研究 需要花费巨额资金。为此，有许多爆破拆除建筑物 的数值模拟研究。2 0 0 8 年刘伟、陈宝心利用A N S Y S 软件采用整体式钢筋混凝土模型J ，对框架结构逐 段倒塌进行了模拟分析。2 0 0 9 年杨国梁采用共节 万方数据 2爆破 2 0 1 1 年9 月 点分离式钢筋混凝土模型”1 ，对框- 筒结构折叠倒塌 进行了三维数值模拟研究。2 0 1 0 年日本的K o j i U e n i s h i 等运用有限差分程序对桥梁的桥墩拆除进 行了数值模拟研究”1 ，并与实际的爆破工程相对 比，指出有限差分程序具有较高的精确性和实用性。 目前采用有限元软件A N S Y S ／L S - D Y N A 进行模拟， 主要有2 种建模方式整体式和分离式。整体式即 通过刚度E I 等效原则将钢筋混凝土看成一个整体。 但是由于钢筋混凝土的结构复杂，采用单一材料模 型模拟出来的误差大。而分离式顾名思义就是将混 凝土和钢筋分别建立材料模型。由于钢筋和混凝土 材料单一性质简单，利用分离式建立模型与实际情 况吻合。通过共用节点的方法对混凝土和钢筋分别 建立材料模型，并通过改变材料的屈服应力强度分 析了不同材料强度对结构倒塌的影响。 1 爆破拆除的影响因素 通常可以把框架结构爆破拆除方案分为定向倒 塌、原地倒塌、单向折叠倒塌、内向折叠倒塌和水平 逐跨倒塌5 种方案。而建筑物爆破拆除的原理都是 通过破坏建筑物的部分承重构件，剩余部分在建筑 物的重力弯矩作用定向倾倒。设计爆破拆除的主要 影响因素有切口形状、爆破高度和延时时间”⋯，而 材料强度的影响也是不可忽视的。文章讨论了建筑 物材料强度对倒塌效果的影响。 2 建模方法的选择 根据A N S Y S ／L S ．D Y N A 提供的单元模型库，钢 筋采用杆单元b e a m l 6 1 ，混凝土采用实体单元 s o l i d l 6 4 ，而楼板和地面采用薄壳单元s h e l l l 6 3 进行 简化。用共用节点方法解决了各个部位间的连接。 对爆破切口延时利用单元生死法处理”o 。大楼爆 破倒塌过程模拟过程分为自由下落、转体倾倒、空间 解体、倒塌堆积4 个阶段，在这些过程中，构件之间、 构件与地面之间均会发生接触与碰撞，因此采用 A N S Y S ／L S - D Y N A 程序提供A u t o m a t i cS i n g l eF a c e 自动单面接触计算模型，该接触计算模型可以自动 搜索接触面，判断接触”1 。 3 实例模拟 3 ．1 工程实例 介休市城建设计院旧办公楼位于介休市裕华路 和锦山路的丁字街口，由于城市规划的要求决定拆 除”1 。该楼为7 层框架结构 含地下室和7 层局部 角楼 ，高2 1 ．5m 、长3 3 ．1m 、宽1 2m 、占地面积 4 0 0 m 2 。柱采用C 3 0 混凝土，尺寸为5 0e m 5 0c m ，梁 采用C 3 0 混凝土，尺寸为3 0e mx 5 0c m 。由于混凝 土的强度会随着使用年限的增加而降低，所以取混 凝土强度为C 2 5 。楼房平面图如图1 。 1 71 8】92 0 2 1 『 2 3 9J O 1 】 1 2 n 旷 1 5 1234 567 图1 框架结构平面图 F i g ．1 P l a no ff r a m e ds t r t l c t u r e 外侧 楼梯 3 ．2 爆破方案 爆破前对外侧走廊进行预拆除处理。起爆器材 为半秒延期塑料导爆雷管、起爆顺序1 8 号柱为 1 段，9 1 6 号柱为2 段，1 7 2 4 号柱和上部2 5 层 的布孔处为3 段，延时分别为5 0 0m 8 和10 0 0n 1 8 。 根据逐段解体法的理论，爆破方案为首先炸毁 南面立柱，再炸毁中间立柱，分2 段毫秒延时爆破。 第1 段为5 0 0m s ，第2 段为10 0 0m s 。在A N S Y S ／ L S ．D Y N A 中通过杀死单元法实现分段延时。 3 ．3 模型效果图 见图2 、图3 。 图2 立柱钢筋布置图 F i g ．2 T h ea r r a n g e m e n to fr e i n f o r c e dp i l l a r 图3 模型整体图 F i g 3O v e r a l lv i e wo ft h em o d e l 3 ．4 查看结果并与实际工程相比较 截取所模拟的框架倒塌过程中部分时刻的状 态”1 ，如图4 所示。从图4 可以看出，当t 1 ．7 0 69s 时，结构开始触地；当t 2 ．5 3 36s 时框架结构表面 的混凝土单元开始剥离结构表面而且随着时间的推 迟，结构表面的混凝土单元及钢筋单元进一步剥离 万方数据 第2 8 卷第3 期 言志信，刘龙泉，刘培林，等框架结构爆破拆除分离式模拟研究 3 破碎；当t 3 ．9 7 33s 时，混凝土和钢筋单元破坏基际的倒塌结果基本一致。说明模拟的方法是可行 本结束，所有柱体解体为3m 左右的破碎状，这与实的，结果是可信的。 Il ▲ ，◆◆◆ f 25 3 360‘t3 0 1 37 0s1 39 7 33 05 图4 框架结构动态模拟结果 F i g ．4 T h er e s u l t so fd y n a m i cs i m u l a t i o no ff r a m e ds t r u c t u r e 1 数值模拟与工程实际的比较 倒塌距离的模拟是选取模型的顶部的混凝土单 元，得出在z 轴的位移图及其与混凝土强度的关系 如图5 所示，从图5 中可以看出，混凝土抗压强度与 倒塌位移成正相关，这是由于在倒塌过程中结构破 坏需要消耗能量，而单元的失效强度越大，越难破 坏。而单元破坏后，重力势能转化为竖向的动能，结 构下坐，减少水平速度，降低位移。所以在实际工程 中可以用预拆除的方法适当降低结构强度，最终满 足工程需要的倒塌位移‘““1 。 0l234560 l 2 ， ‘ ， n _ “● 。一 ／I 肿／* 口一 l6 7 x 1 0 抽l 。2 _ ⋯。” - 2O Ix i o tS f f i l l4 m 图5 框架结构动态模拟结果 F i g ．5 T h er e s u l t so fd y n a m i cs i m u l a t i o no ff r a m e ds t r u c t u r e 表1 的计算表明模拟效果与实际情况差别为 29 ％，在允许误差范围内。说明模拟效果是合理 的。说明模拟的方法是可行的，结果是可信的。 裹1 框架结构在倒塌方向的水平位移与实际的比较 T a b l e1 C o m p a r i s o ns i m u l a t i o nr e s u l t sw I 血 B c t u a lr e s u l t so ft h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to f f r a m e ds t r u c t u r ec o l l a p s e dd i r e c t i o n 图6 为支撑部立柱外侧柱角处的混凝土单元应 力时程曲线。结果表明，在2 ．2 6s 左右，混凝土屈 服，混凝土单元失效被删除。单元最大压应力发生 在I ．9 4 5s ，最大值为2 0 ．4M P a 。很好的吻合了混 凝土的抗压性能。 图7 为某处的钢筋单元应力时程曲线。结果表 明，单元最大压应力发生在2 ．5 0 7s ，最大值7 0 ．4M P a ； 最大拉应力发生在2 ．5 68 ，最大值为7 3 ．3M P a 。体现了 钢筋在抗拉能力上远远强于混凝土的材料性质。由图 6 和图7 的差异说明共节点分离式模型能够反应混凝 土和钢筋2 种材料的力学性能差异性。这说明采用共 用节点分离式建立模型是可行的。 n Ⅲe ／s 图6 支撑部混凝土单元应力一时程曲线 F i g ．6 T h es t r e s s - - f i m ec u i w eo fc o n c r e t e e l e m e n ti ns u p p o r tr e g i o n 下转第3 3 页 {。{}M，目 “ i 萋 如1 d 崎巴％∞七日‘ 万方数据 第2 8 卷第3 期宋敬利，张姝红，周学滨，等水下爆炸作用下船体结构应变信号修正方法 3 3 上接第3 页 ．L 3 4 3 0 7 ’ 』批州 d IA』』一 。 I 1 ● 图7 箍筋的有效应力一时程曲线 F i g ．7 T h ee f f e c t i v es t r e s s - - t i m eC u r i eo fs t i r r u p s 4 结语 1 运用分离式公用节点的方法建立模型，模 拟效果与实际吻合很好，说明利用A N S Y S ／L S D Y ． N A 对建筑物的倒塌过程进行分离式模拟是可行 的。数值模拟技术将可以为苛刻条件下高层建筑物 的精细控制爆破提供有益的参考。 2 通过输出的单元应力一时程曲线，分析了混 凝土和钢筋筋在倒塌过程的受力情况，发现分离式 模型能很好的模拟出2 种材料在力学性能的差异。 进一步证明了模拟的可行性。 3 通过改变混凝土强度来研究材料强度对建 筑物倒塌的影响。数值结果表明材料强度与倒塌位 移成正相关。所以在实际工程中，可以通过采取适当 的预拆除来降低结构强度，以达到控制爆破的效果。 参考文献 R e f e r e n c e s 刘伟，刘立雷．框架结构楼房爆破拆除倒塌过程模 拟[ J ] ．工程爆破，2 0 0 8 ，1 4 1 1 2 一1 5 ． U UW e i ．L I UL i l e i ．C o l l a p s es i m u l a t i o no fb u i l d i n gi n f r a m es t r u c t u r ei nc o n t r o l l e db l a s t i n gd e m o l i t i o n [ J ] ．E n - g i n e e r i n gB l a s t i n g ，2 0 0 8 ，1 4 1 1 2 - 1 5 ． i nC h i n e s e 杨国梁，杨军，姜琳琳．框一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 h a n g ，Y A N GJ u n ，J I A N GL i n ．1 i n ．N u m e r i c a l s i m u l a t i o n so nf o l db l a s t i n gd e m o l i t i o no f6 鼍m e - - _ t u b e s t r u c t u r e s [ J ] ．E x p l o s i o na n d S h o c kW a v e s ，2 0 0 9 ， 2 9 4 3 8 0 3 8 4 ． i nC h i n e s e K O J IU e n i s h i ．P C ．b a s e ds i m u l a t i o n so fb l a s t i n gd e m o l i t i o n 0 fR cs t r u c t u r e s [ J ] ．C o n s t r u c t i o na n dB u i l d i n gM a t e d - a l s ．2 0 1 0 1 ．1 0 ． [ 4 ] 李起山，邵晓宁，胡昆伦．爆破切口形状对细高建筑物 倒塌效果的影响[ J ] ．爆破，1 9 9 8 ，1 5 3 6 6 8 2 ． [ 4 ] u Q i s h a l l ，S H A OX i a o n i n g ，H UK u n l u n ．I n f l u e n c eo f b l a s t i n gn o t c hc o n f i g u r a t i o no nc o U a p s ee f f e c t i v e n e s so f t o w e rb u i l d i n g s [ J ] ．B l a s t i n g ，1 9 9 8 ，1 5 3 6 6 8 2 ． i I l C h i n e s e [ 5 ] 贾虎，王新征．钢筋混凝土高耸构筑物爆破切口参 数计算的探讨[ J ] ．工程爆破，2 0 0 6 ，1 2 4 3 2 4 6 ． [ 5 ] J I AH u ，W A N GX i n - z h e n g ．S t u d yo nc u r i n g - s e c t i o np a - p a m e t e r sc a l c u l a t i o no fh i i s ht u b u l a rs t r u c t u r eo fr e i n f o r c e d c o n c r e t e [ J ] ．E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，2 0 0 6 ，1 2 4 3 2 - 4 6 ． i nC h i n e s e [ 6 ] 陈宝心，邓敉，钱虎．A N S Y S 模拟框架结构楼房逐 段解体爆破拆除[ J ] ．爆破，2 0 0 4 ，2 1 3 5 - 2 0 ． [ 6 ] C H E NB a o - x i n ，D E N GM i ，Q I A NH u ．A N S Y Ss i m u l a t i o n o ft h eb l a s t i n gp r o c e s sb y 州u a ld i s i n t e g r a t i o n [ J ] ．B i a s - t i n g ，2 0 0 4 ，2 1 3 5 - 2 0 ． i nC h i n e s e [ 7 ] 何涛．A N S Y S l 0 ．0 ／L S - D Y N A 非线性有限元分析实 例指导教程[ M ] ．北京机械工业出版社，2 0 0 7 ． [ 7 ] H E T a o ．I n s t a n c e st u t o r i a lo fA N S Y S l 0 ．o ／L S D Y N An o n - l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s [ M ] ．B e i j i n g M e c h a n i c a li n - d u s t r yp r e s s ，2 0 0 7 ． i nC h i n e s e [ 8 ] 李光耀．七层框架楼爆破拆除工程实践[ J ] ．爆破器 材，2 0 0 7 ，3 6 3 2 5 - 2 7 ． [ 8 ] L IY a o g u a n g ．E x p l o s i v ed e m o l i t i o n0 fa 鲫即s t o r e yf r a m e - w o r kh m l d i n g [ J ] ．E x p l o s i v eM a t e r i a l s ，2 U 0 “ ／，3 6 3 2 5 - 2 7 ． i nQ I i n e ∞ [ 9 ]尚晓江，苏建宇．A N S Y S ／L S D Y N A 动力分析方法与工 程实例[ M ] ．北京中国水利水电出版社，2 0 0 6 ． [ 9 ] S H A N Gx i 酬i 锄g ，S UJ i a n - y u ．T h ed y n a m i ca n a l y s i sm e t h - 0 do fA N S Y S ／L S - D Y N Aa n dt h ee n g i n e e r i n ge x a m p l e s [ M ] ． B e i j i n g C h i n aW a t e r P o w e rP r e s s ，2 0 0 6 ． i nC h i n e s e [ 1 0 ]言志信，吴德伦，王后裕．钢筋混凝土筒形结构定向 倾倒研究[ J ] ．建筑结构，2 0 0 2 ，3 2 4 6 0 - 6 2 ．‘ [ 1 0 ] Y A NZ h i - x i n ，W UD e - f u n ，W A N GH o u - y u ．R e s e a r c ho n t o p p l i n gp r o c e s si n d i r e c t i o n a ld e m o l i t i o no ft u b u l a r b u i l d i n g [ J ] ．B u i l d i n gS t r u c t u r e ，2 0 0 2 ，3 2 4 6 0 6 2 ． i nC h i n e s e [ 1 1 ] 胡浩川，池恩安，乐松，等．建筑物爆破拆除倒塌失 败原因分析[ J ] ．爆破，2 0 1 0 ，2 7 2 9 9 - 1 0 2 ． [ 1 1 ] H UH a o c h u a n ，C H IE n a n ，Y U Es o n g 。e ta 1 ．A n a l y s i so f c o l l a p s ef a i l u r e o fb u i l d i n ge x p l o s i v ed e m o l i t i o n [ J ] B l a s t i n g 。2 0 1 0 。2 7 2 9 9 - 1 0 2 ． i nC h i n e s e 1●-1J 1 J 1』1J n n 心 心 睁 万方数据