框架结构爆破拆除过程研究.pdf

第2 9 卷第4 期 2 0 1 2 年1 2 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 9N o ．4 D e c ．2 0 1 2 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 2 ．0 4 ．0 0 5 框架结构爆破拆除过程研究半 言志信“6 ，于换小钆6 ，朱辉钆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 采用A N s Y S ／b D Y N A 有限元软件，建立共用节点分离式模型对某高层框架结构的定向爆破拆 除进行数值仿真研究，在保证其高宽比、爆破高度及延时时间不变的情况下，对倒塌方向的跨度进行调整。 对结构的倒塌过程，后座距离，前冲距离进行了分析。结果表明即使高宽比类同的建筑物，但由于其结构布 置不同，也会对爆破结果产生不同的影响，在制定爆破方案时在借鉴类同高宽比建筑物时应予以注意。此外 对混凝土和钢筋单元的应力时程曲线进行分析，得出共用节点分离式模型能够反映混凝土和钢筋2 种不同 材料的力学性能差异。 关键词定向爆破拆除；框架结构；A N S Y S ／L s D Y N A ；分离式模型；高宽比；结构布置 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 加1 2 0 4 0 0 1 9 一0 4 R 电靶a r c ho nE x p l o s i v eD e 瑚l i t i o nP r o c e 豁o fF r 锄舱S t r 眦t u r e l ，A ⅣZ i 一菇汛8 ．- ，y U 且L ‘口n 戈i o o “．一，Z 月‘U 肌i 8 ，6 a ．K e yL a b o r a t o r yo fM e c h a I l i c so nD i s 鹊t e ra n dE 耐瑚m e mi nW e s t e mC h i I l a 阮n i 娜o fE d u c a t i o n ； b ．C o l l e g eo 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 T h es o f t w 盯eA N S Y S ／L s D Y N Aw 鹊u s e dt os i m u l a t et h ee x p l o s i v ed e m o l i t i o n0 fah i g hf r 啦e w o r k s t m c t u r eb yt 王l ec o m m o nn o d es e p 啪t er e i n f b r c e dc o n c r e t em o d e l ．T h es p a n “c o l l 印s e dd i r e c t i o nw 踮a d j u s t e d 蚰d t h eh e i g h t w i d t hr a t i o ，b l a s th e i g h ta n dd e l a yt i m ek e p tu n c h a n g e a b l e ．1 1 1 ec 0 1 l 印s ep r o c e s sw a ss t u d i e d ，i n v o l v e di n 吐I ed i s p l 8 c e m e n tb a c k W a r da n df o r w a r d ．R e 8 u l t ss h a wt h a tt h eh e i g h t - w i d t hr a t i oo fs i m i l a rb u i l d i n 祭p r o d u c ed i f f e r e n t b l a s t i n g 硪b c t sd u et o 衄f e r e n ts t n J c t u r e1 a y o u t ．A t t e n t i o ns h o u l db ep a i dt ot h eb l 黯t i n gs c h e m eo ft h eh e i 曲t w i d t h r a t i oo f8 i m i l a rb u i l d i n g s ．F i n a l l y ，t h es t r e s sh i s t o r y0 fs t e e le l e m e n t sa n dc o n c r e t ee l e m e n t sw a sa I l a l y z e dr e 8 p e c t i v e l y ．码ec o m m o nn o d es e p a r a t i o nm o d e lr e f l e c t s ￡h ed j 娲r e n c e0 fm e c h 粕i c a lp m p e n j e 8b e t w e e ns t e e la n dc o n c r e t e w e l l ． K | e yw o r d s d i r e c t i o n a ld e m o l i t i o n ；f r a I n es t n l c t u r e ；A N S Y S ／L S D Y N A ；c o m m o nn o d es e p a r e t em o d e l ； h e i g h t w i d t l lr a t i o ；s t I u c t u r el a y o u t 目前拆除的建筑物大多数是框架结构，随着人 口的增长，城市化程度的提高，建筑物正在被高层或 超高层所代替。因为这些建筑物时间比较久，拆除 枝稿日期2 0 1 2 0 7 2 9 作者简介言志信 1 9 6 l 一 ，汉，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 - 眦i l y Ⅱl O 1 6 3 ．c o m 。 通讯作者于换小 1 9 8 5 一 ，汉，女，山东人，硕士研究生，从事爆破 拆除研究， E 吖n a i i y u h x l O I z l l ．c n 。 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 K c A 0 1 9 ；甘 肃省建设科技攻关项目 J I z j o l 0 4 3 环境往往比较复杂，同时又不能影响人们的正常生 活，对破旧的建筑物的拆除就要要求向着经济，快 速，安全，精准的方向发展，但是现在爆破拆除理论 不完善，单纯的靠经验公式不能保证结构安全的倒 塌。另外，结构的内部分布形式大都不同，增加了爆 破拆除的风险性。A N s Y s ／L s D Y N A 有限元软件 在爆破拆除方面得到了广泛的应用，它的模拟结构 能够比较真实的模拟出建筑物的倒塌形态，为实际 工程作指导。言志信等运用分离式公用节点的方法 万方数据 爆破2 0 1 2 年1 2 月 建立框架模型，模拟效果与实际吻合很好⋯；崔正 荣等采用A N s Y S ／L S D Y N A 有限元程序对剪力墙 结构原地坍塌爆破拆除过程进行模拟，最终模拟的 结果与实际情况比较接近旧1 ；2 0 0 9 年杨国梁采用共 节点分离式钢筋混凝土模型，对框．筒结构折叠倒塌 迸行了三维数值模拟，指出采用共节点分离式模型 进行爆破拆除数值模拟是可行的【3 j 。框架结构的 倒塌是利用失稳原理，破坏局部，使整体失衡，在重 力的作用下作定向倒塌。 、 1 工程实例 1 ．1 工程概况 该建筑为钢筋混凝土框架结构[ 4J ，共1 l 层，无 地下室，主楼长2 6 。4m 、宽2 0 。2m 、高4 lm 。l 一 2 层，层高4 ．0 ～4 ．5m ；3 层以上层高为3 ．5 4 ．0m 。外墙厚2 4c m ，内部砖隔断墙为1 2c m 厚。 沿建筑物长、宽方向各有4 排承重柱，每排4 根。柱 间距沿长度方向为7 ．om 、7 ．8m 、7 ．o m ，沿宽度方向 为4 ．8m 、6 ．0m 、4 ．8m 。承重柱横截面为正方形， 中间4 根较大，l ～4 层柱截面边长为9 0 一9 5c m ， 5 ～8 层为8 5c m ，9 1 l 层为7 5c m 。周边1 2 根承重 柱尺寸稍小，l ～4 层柱截面边长为8 5c m ，5 ～8 层 为7 0 7 5c m ，9 ～1 1 层为6 5c m 。主梁横截面为长 方形，高8 0c m 、宽3 5c m 。 1 ．2 爆破方案 根据周边环境特点，采用定向爆破方案，工程实例 中切口分布于1 4 层，各柱的爆破高度如图1 所示。 倾倒方向 - _ 一 o 寸 H 爆破切口o 一 o 旦 、D UCBA 图1 各柱的爆破高度 单位m F i g ．1A r r a n g e m e mo fb l a 5 t i n gh e i g h t sf o r d i f f e r e n tp o s t s u n i t m A 、B 轴柱先爆，c 、D 轴柱依次延迟起爆，柱内分 别使用2 段 A 、曰轴 、1 1 段 c 轴 、1 5 段 D 轴 非 电雷管，间隔约4 0 0 瑚s 。 2 有限元模型 2 ．1 材料的本构关系 本模型采用P L A S T I C K I N E M A T I C 材料模 型J 。在冲击或爆炸荷载作用下，结构材料产生快 速变形，应变率明显提高，而塑性随动强化模型就是 在C o w p e r - S y m o n d s 关系式基础上建立起来的关于 动态极限屈服应力∥。的关系式 ．上 ∥， f l 号 ’] 盯。 ．8 E P 嘞 1 式中二为应变率；c 、P 为与材料性质有关的常数； l ， 、P 1 { 詈I 为材料的放大因子；矿。为初始屈服应力； 、u ， 声为可调参数，p o 为塑性随动强化模型，卢1 时 F F 为等向强化模型；邵为塑性强化模量酢 孟， 上 ，一D f E 、E 。分别为弹性模量和切线模量；厶为等效塑性应 ，，’、1 ／2 变，殇 f 弗弗 d f ，砖为塑性应变率。 b ‘J 2 ．2 建模方案 按照结构的实际尺寸用共用节点建立分离式模 型，预拆除的剪力墙和填充墙换算成板的厚度加载 在模型上。混凝土采用s O u D l 6 4 单元，钢筋采用 B E A M l 6 l 单元，楼板采用s H E L L l 6 3 单元。在延时 设置过程中，不考虑节点的爆破。为方便，结构的层 高只分为4 ．0m 和3 ．5m 两种情况。 有限元模型共建立4 类有限元模型，这4 类模 型保证结构高宽比、切口位置及高度、延时时间等其 他参数不变，不同之处在于跨度分布不同 方案1 跨度为4 ．8m 、6 ．om 、4 ．8m ； 方案2 跨度为3 ．0m 、9 ．0m 、3 ．0m ； 方案3 跨度为4 ．8 m 、4 ．8 m 、6 ．0 m ； 方案4 跨度为6 ．O m 、4 ．8 m 、4 ．8 m 。 3 数值分析结果与比较 3 ．1 倒塌过程模拟结果比较分析 倒塌过程的模拟如图2 所示。爆破切口形成 后，结构在自身重力作用下开始偏转、下坐，并在最 后一排柱形成活动铰，结构层层压碎倒塌，在此过程 出现混凝土剥离钢筋、碎块飞出等现象，与实际相 符。4 个方案均在5 ．3s 左右完成倒塌。 结构模型在1 ．7 5s 时都已经形成了塑性铰但 方案1 比其它3 种方案出现了更加明显的偏转角 度，随着倒塌时间的推移，在4 ．3s 时方案2 对地面 的冲击速度最大，方案1 、3 其次，方案4 最小。倒塌 万方数据 第2 9 卷第4 期言志信，于换小，朱辉框架结构爆破拆除过程研究 2 l 完成后结构的破碎程度，方案1 、4 最好，方案3 其内部及梁柱之间的作用力发生了变化。 次，方案2 较差。这是由于结构分布不同，导致梁柱 M P l h ‘ d ●_ f 5 ．3 0s ■●●●一 f 5 ．3 08 图2 倒塌过程模拟结果 F i g ．2 S i m u l a t i o nr e s u l t so fc o l l a p ∽p r o c e s s 3 ．2 倒塌范围的比较分析 在倒塌完成后，选取堆积物前后最外的单元输 出戈向的水平位移曲线，如图3 所示。 结合图1 ，本文中结构从D 轴线以东的位移为后 座的距离，在A 轴线以西的位移为结构的前冲距离。 输出单元在结构上的位置和其单元位移曲线图 图3 相结合，计算得出4 种方案中结构各自的后 座及前冲距离，如表1 所列。 表1 结构位移表 T a b l e1S t m c 缸I r a Id i s p I a 唧幢n tt a b l e 模拟结果后座约6m ，同时在建模时将结构层 高进行了简化，使后排支撑柱的高度由原来的 8 ．5m 降到了8m ，减少了后座‘6 | ，工程实例中结构 倒塌后无前冲，后座7m 左右‘4 1 ，与工程实例相比 较，两者结果相近。模拟结果无前冲，这些表明数值 模拟与实际能够较好的吻合，贴近实际。 万方数据 爆破2 0 1 2 年1 2 月 观察表l 数据可得，高宽比相同的建筑物，因跨 度分布不同产生了不同的倒塌效果。我们认为原因 是跨度的改变，导致了梁、柱自身及梁柱节点在结构 失稳过程中受力的改变。方案2 与方案1 相较，重 M e t l I o d l M e t h o d3 逼 崔 ∞ 萎 8 连 鲁 逞 凶 M e t h o d3 要 l 毒 害 碡 M e t h o d 4 心位置没变，但中间跨度的增大，使结构在冲击地面 时，梁柱更易发生破坏。方案1 、3 、4 相较，结构跨度 进行调整后，重心水平位置发生改变，结构内部受力 也随之改变，导致了结构后座和前冲距离发的不同。 薹 l 3 盘 营 过 f ，B 01234 5 } f B t n o 9 2 e n t n O 5 5 2 0 0l23 4 5 f ，s 图3 单元位移曲线图 F i g ．3 E l e m e n td i 印l a c e m e n t 铲a p f ，8 e n t n o 7 3 9 2 E l e n l e n tn o 。t 1 1 7 3 5 6 下转第2 7 页 冒；薯∞tll鼬u略ld∞tp．旨}|薯∞基∞uB_l△st≈。 诌≈t时基∞u堪鼍∞1p．艇 d嗣盔c时奄∞ue一盘总≈。N 万方数据 第2 9 卷第4 期 王兴雁，詹发民，周方毅，等气泡帷幕削减水击波压力作用因素分析 2 7 上接第2 2 页 3 ．3 混凝土、钢筋单元应力分析屈服能力远大于混凝土，所以在倒塌过程中大部分 在方案1 模型中，取结构支撑柱某处的钢筋单钢筋不会屈服，而是处于不断受到拉压的状态，这是 元，输出其纵向应力曲线图4 a ，由于钢筋的抗拉与实际情况相符的。 4 Il e m e 【4 1 9 州惝 目 n t n O 3 2 巴 田 山 宴 飞 O12345 012345 t | s t } s a 钢筋应力一时程曲线 b 混凝土应力一时程曲线 图4 方案1 中混凝土、钢筋单元应力时程曲线 F 远．4 S t r e s s t i m ec u n r e s0 fc o n c r e t ea n dr e i I l f b r c e m e n te l e m e n t si nM e t l l o d1 同时取后排支撑柱外侧的混凝土单元输出其应 力．时程曲线4 b ，从图中可以看出，混凝土单元在 1 ．2s 时达到最大应力值后，屈服失效被删除。 以上可以说明分离式模型能够反应钢筋和混凝 土这两种不同材料的力学性能差异。 4 结论 1 共用节点分离式模型的模拟结果与实际相 吻合，能够为工程实例作一定的指导。在一定程度 上可以预测建筑物的倒塌形态，避免一些不利因素 对爆破的干扰。 2 高宽比一样的建筑物，由于结构的分布不 同，影响结构之间的受力，从而会导致不同的倒塌效 果。在借鉴类似建筑的爆破参数，利用经验公式确 定爆破高度时及对结构进行预处理时应注意，根据 结构的自身分布特点进行调整。 3 通过对钢筋及混凝土应力时程曲线的分 析，可以看出分离式模型能够较好的反应出这两种 不同材料在力学性能上的差异，也说明了数值模拟 在爆破工程应用中的可行性。 参考文献 R e f e r e 眦e s [ 1 ] 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[ J ] ．爆破，2 0 1 l ，2 8 3 1 - 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3 1 ． Z H A N GC u i - b i n g ，Z H A N GC h e n g z h e n ，D E N GZ l l i y o n g ， e ta 1 ．D e r n o l i t i o no fa n11 一s t o r e y e dr e i I l | 0 们e dc o n c r e t e f r 跗l eb u i l d i n gb yb l a s t i n gr r l e t h o d [ J ] ．E n 舀n e e r i n gB l a s t i I l g ，2 0 0 3 ，9 2 3 0 - 3 1 ． 石少卿，康建功，汪敏，等．A n s y s ／L S D Y N A 在爆炸 与冲击领域内的工程应用[ M ] ．北京中国建筑工业 出版社，2 0 1 1 2 3 - 2 5 ． 崔晓荣，魏晓林，傅建秋，等．建筑爆破倒塌过程的摄 影测量分析 Ⅱ 一后坐及能量转化分析[ J ] ．工程爆 破，2 0 0 7 ，1 3 4 9 1 4 ． C U i a o - r o n g ，W E I Ⅺa 0 - l i n ，F UJ i a I l - 咖，e ta 1 ．C 1 0 s e - m 嶝 p h o t o 群瑚啪时a 1 1 a l y s i so ft l l ec o u n 汜o fb u i l d i n gc o u a p s e i nb l a s t i I l gd e n d i t i o n I I - b a c k l 嬲ha n de n e r 舒m m 幽m [ J ] ．E n 舀∞嘶n gB l 鹅t 堍，2 0 a 7 ，1 3 4 9 1 4 ． i nc I l i n e s e 纠 纠 纠 纠 乱 引 朝 剐 剐 r L r L r L r L r L r L r L r【rl 万方数据