框架-剪力墙结构建筑物定向倒塌的研究.pdf

第2 8 卷第2 期 2 0 1 1 年6 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 8N o ．2 J u n ．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 2 ．0 0 2 框架．剪力墙结构建筑物定向倒塌的研究木 ‘言志信1 , 2 ，刘培林k 2 ，叶振辉1 ’2 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 摘要利用A N S Y S ／L S ．D Y N A 有限元软件，采用共用节点分离式模型对某高层框架- 剪力墙结构的定向 爆破拆除进行数值仿真研究。通过与实际工程的对比发现分离式模型模拟的结果较好地符合实际，对工程 具有指导意义。进而，分析了钢筋和混凝土单元的应力- 时程曲线，指出共用结点分离式钢筋混凝土模型能 很好的反映钢筋和混凝土2 种材料的力学性能差异。 关键词框架．剪力墙结构；定向爆破拆除；A N S Y S ／K S D Y N A ；分离式模型 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 1 0 2 0 0 0 5 0 4 R e s e a r c ho nO r i e n t a t i o nC o l l a p s eo fF r a m e - s h e a rS t r u c t u r eB u i l d i n g Y A NZ h i ．x i n l ”，L I UP e i ．1 i n l ，一，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 yo f E 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 痈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 B yt h eA N S Y S ／L S ．D Y N Af i n i t ee l e m e n t ss o f t w a r e ，t h en u m e f i c Ms i m u l a t i o nr e s e a r c hi sc o n d u c t e dt o t h ed i r e c t i o n a ld e m o l i t i o no fc e r t a i nh i S hf i - s n l e - s h e a rw a l ls t r u c t u r eu s i n gc o m m o nn o d es e p a r a t em o d e l ．C o m p a r e dt O t h ea c t u a lp r o j e c t ，i ti sf o u n dt h a ts e p a r a t em o d e ls i m u l a t i o nr e s u l t sC a l lb e t t e rm e e tt h er e a l i t y ，a n da l s og u i d i n gs i g - n i f i c a n c et ot h ea c t u a lp r o j e e t ．F i n a l l y ，t h es t e e la n dc o n c r e t ee l e m e n t s ’s t r e s s - t i m ec u r v ei sa n a l y z e d ，w h i c hs h o w s t h a tt h ec 1 9 1 9 l l l l O l ln o d es e p a r a t er e i n f o m e dc o n c r e t em o d e lc a l lw e l lr e f l e c tt h ed i f f e r e n c e so fm e c h a n i c a lp r o p e r t yb e t w e e nt h er e i n f o r c e m e n ta n dc o n c r e t e ． K e yw o r d s f r a m e - s h e a rs t r u c t u r e ；d 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 n ；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 城市复杂的建筑环境下，以往主要依据经验进 行建筑物爆破拆除设计的方法已经不能适应工程实 践的需要，这给爆破拆除提出了更高的要求。建筑 物爆破拆除工程自身的特性决定对每一次爆破过程 进行实际试验是不可能的，而数值模拟为这一问题 的解决提供了可能。 收稿日期2 0 1 0 0 9 1 3 作者简介言志信 1 9 6 1 一 。男，博士，教授， E - m a i l y z x l 0 1 6 3 ． c o m o 通讯作者刘培林 1 9 8 6 一 ，男，硕士研究生， E m a i l l p l 一2 0 0 5 1 6 3 ．c o r n o 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 K 2 0 1 0 4 3 爆破拆除的数值模拟基本上是采用整体式模 型E I - 3 ] ，不能体现钢筋和混凝土的不同特性，因而与 实际相差较大，以某框架剪力墙结构爆破拆除工程 为例，采用分离式模型进行仿真模拟，把模拟结果与 工程实际进行了对比，对建筑物爆破拆除的倒塌过 程进行分析。 1 工程实例 1 ．1 工程概况 待拆除大楼为框架剪力墙结构‘4 3 ；自然地平以上 1 5 层，高约5 3m ；主楼东西长2 5 ．6m ，南北宽1 3 ．9 击； 柱尺寸为0 ．5mx O ．6m 。平面图如图1 所示。 万方数据 6 爆破2 0 1 1 年6 月 I 挈磐．2 业．． 星。f 鲁 ， 也 星- ．n 『 7 昌 量 星． ． 二 r 一 I 。 ‘ ] ～g8 n n ．J 口寸 、『- ●●●●●●● 一36 0 0j6 0 0 j6 0 03 6 0 02 4 0 04 即8 0 03 6 0 0 36 0 036 0 036 0 036 0 0 38 1 0 38 0 03 6 0 0 2 56 0 0 图1 结构平面图 单位m 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 u n i tI n l l n 待拆除建筑坐落在长江东岸，距东岸围墙约 3 5m ；大楼东面有民房和工房；大楼以北是一片工地， 工地附近有1 座小钟塔；大楼南侧为在建工地；电线 环绕在大楼的西、南两侧‘4 | 。周围环境如图2 所示。 图2 大楼周围环境示意图 单位m n g ．2 S c h e m a t i cd i a g r a mo ft h eb u a d i n ge n v i n m r m n t u n i t m 1 ．2 爆破方案 采用定向倾倒爆破的方案，工程实例中切口位 于第1 一第6 层【4J ，切口示意图如图3 所示。 2 有限元模型 2 ．1 材料的本构关系 材料的本构关系采用随动塑性材料模型∞J ，该 本构模型与应变率相关，可以考虑失效，可以通过设 置不同的参数，较好的模拟钢筋及混凝土各自的材 料特性。 2 ．2 建模方案 利用A N S Y S ／L S D Y N A 有限元软件，采用钢筋 和混凝土分离的方式，建立模型。模型方案如下 采用共用节点的方法建立钢筋混凝土分离式模 型怕’。其中，钢筋采用梁单元 B E A M l 6 1 建模，楼 板采用壳单元 S H E L L l 6 3 ，剪力墙及柱的混凝土 用实体单元 S O L I D l 6 4 ；钢筋及混凝土的材料均采 用随动塑性材料模型；模型采用自动单面接触 A u t o - m a t i cS i n g l eF a c e ；切口位置及形状与上文中工程实 例一致，位于结构1 6 层。分离式模型的优点是分 别建立了钢筋和混凝土单元可以得到钢筋和混凝土 的应力状态，贴近实际；缺点是计算量大、时间长等。 F 1 5 I L 邕 。IF 呈o F 6 j 1 F 5 耋 F 4 暑- 一 叶1 暑 o o F 3 一_o ．t 1N F 2 o暑- I 一 】r一 叶1 o l o F 1 塾量I ∞ 寸 。．4 63 0 0 一56 0 0 一 一 l 9 0D 一 图3 切1 2 1 不意图 单位m m F i g ．3 S c h e m a t i cd r a w i n go fb l a s t i n gc u t u n i t r a m 模型作了如下简化 1 省略突出屋面的部分结构； 2 柱中钢筋只 设置了纵向钢筋，省略了箍筋，剪力墙中的钢筋只设 置了1 层； 3 忽略爆炸过程，不考虑爆炸的影响， 直接形成爆破切口。 ‘ 3 模拟结果的比较与分析． 3 ．1 倒塌过程 倒塌过程的模拟如图4 所示。 切口形成后，结构在重力作用下开始偏转，首先 压坏倒塌方向上保留的剪力墙，结构开始后坐，然后 在最后一排柱形成活动铰，结构翻转倒塌，2 ．3s 左 右闭合切E l ，结构触地后，都可以看见混凝土剥离钢 筋表面的现象，并有许多混凝土碎块飞散而出，在 6 ．2s 左右完成倒塌。这与实际工程是相符的。 图5 所示为模拟效果与实际倒塌效果的对 比口5 。可见，分离式模型是比较贴近实际的。 3 ．2 倒塌范围 在模拟倒塌完成后，分别选取四面堆积物外沿 上的单元输出其各自方向上的水平位移，图6 所示。 万方数据 第2 8 卷第2 期言志信．刘培林，叶振辉框架- 剪力墙结构建筑物定向倒塌的研究 7 L L L 图4 倒塌过程模拟结果 F i g 4S h u l a t i ∞r e s u l t sdc o l l a p s e ㈣e ∞ _ ●I - - ●一 r 62 3 ， 幺警- 1 a 实际倒塌教果 b 模拟倒塌散果 图5 模拟结果与实际对比倒塌范围 F i g51 ks i m u l a t i 啪嘲m b ∞ⅢⅡⅡdw i t ht h e 肥t u a l r i m e ／日 f a l 北面 T i m e l s b 南面 T i m e l s f c l 东Ⅲ 阿6 单元位移曲线图 F i g ．6剧删M Ⅲm s 脚跚咖批”p m P b 根据各个单元在结构上的位置，结合单元位移 曲线图 图6 。分别算出4 个方向上的位移，得到 结构的倒塌范围。如表1 所列。 表1 得塌范围 T a b l e1 C o l l i d er a n g e 由表I 及圈2 可得．该楼可在安全区域内完成 倒塌，倒塌方向略向西偏，但不会影响周围建筑。 从结构平面图 图1 可以看出，在结构东侧相 对西侧的剪力墙分布较多，使得倒塌过程中东侧支 T i m e l s m 1 西面 撑强西侧支撑弱，所以导致了整座楼房偏西倒塌的 现象如图7 所示。 33 钢筋殛混凝土单元应力分析 后排柱的支撵对整个倒塌过程影响重大，因此 对其进行应力状态分析。在模型中，取后排柱的 第3 层处取一钢筋单元，并在同一位置相应地取一 混凝土单元，输出其应力时程曲线如图8 所示。 从图6 a 中可以得出，该钢筋单元的最大应力 为1 5 4N ／r a m 2 ，整个倒塌过程中都没有达到屈服应 力；混凝土的最大应力为2 83N ／t o m 2 ．达到其抗压 强度使单元失效，应力值骤降为零。钢筋的屈服应 鍪 gf}lod甚，H 万方数据 竺竺 兰 墨 力远大干混凝十，实际的倒塌过程中大部分钢筋并 不会屈服．这与实际是J f I I 符的。硝者的单元应力一时 0 1 0 占0 , 0 5 占0 皂一0 0 5 0 1 0 0 t5 _ _ _ _ _ _ _ _ - 程曲线表明钢筋混凝土共用节点分离式模型能很 好的反应2 种不同材料的力学性能差异。 圉7 鲺塌过程俯视图 F i g7T o pv i e wc o l l a p s e o 钢筋单元 b } 混凝土单元 翻8 单元血力一时程曲线 F i g8 T i m eh i s t o r yg a p ho fd e 眦n t 4 结语 采用的建模方法和材料本构模型，可以模拟建 筑结构从爆破切口形成到整体倒塌的全过程，失稳、 碰撞、断裂、解体等现象均能体现，且误差较小；此 外，彦方法还能够较好地反映混凝土和钢筋力学性 能上的差异，并能得到各种复杂条件下单元的应力。 因此．采用分离式模型较为贴近实际，模拟的结果理 想。采用这种方法对爆破拆除进行辅助设计，可预 测爆破结果、减少爆破风险、增加设计可靠性，因而 对工程具有指导意义。 参考文献{ R e f e r e n c e s 1 1 崔正菜．赵明生，杜明} f } 【剪力嫱结构原地坍塌悸酸拆 除数值模拟[ J ] 爆破．2 0 0 9 ，2 6 1 6 2 6 4 I ] C U IZ h e n g r a n gZ H A OM i n g s h e n g ．D UM i n g z I l 帅N u - m e f i c a ls i m u l a t i ⋯f ob i t t i n gd e m o l i t i o no fs h ⋯w a l l b l a s t i n gs t m c l u mc o l l a p s e i n s i t u a i m a [ J ] B l 踮t j n g ， 2 0 0 9 ，2 6 1 6 2 6 4 i nC h i n e s e 2 ] 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 1 0 ，1 6 1 1 6 1 9 2 ]Y EZ h e n ．h u iY A NZ h ix i n ．R e ～ho nb n c kc h i m n e y c o l l a p s i n gp m c e s sb yd ㈣一Ib l a s t i n gd e m l i t i o n lJJ E n g l n e e r i n gB i t t i n g ．2 0 1 0 ．1 6 1 1 6 - 1 9 i nC h i n e s e 3 ] 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 1 爆破，2 0 1 0 ．2 7 4 7 8 8 1 3 ] H A Ox I 帅- n i n g ，L O N GY u a n ，X I EG a n gN u m e r i c a ls m u _ h t i o no fc o l l a l Ⅻe ⋯“ o fv i a d u c t ‘se 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 4 7 8 1 i nC h i n e s e 4 ] 马宏晃，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 4 ] M AH o n g - h a o ，S H E NZ h a o - 则，“B i n ，e ta lB i t t i n g d e 咖l l l i o no fa1 5 一s t o r e yh u i i d l n g [ J ] E n g i n e e r i n gl l l 聒- t i n l ，2 0 0 9 ，1 5 2 5 5 5 9 i nC h i n e s e 5 ]尚晓江，苏建字，王化锋，等A N S Y ／L S D Y N A 动力分 析方法与工程实例[ M 12 版北京中国水利水电出 版社，2 0 0 8 6 ]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 9 7 7 ] 杨国粱．扬军。姜琳琳框- 简结构建筑物的折叠堞破 拆睬【j ] 爆炸与冲击，2 卿．2 9 4 3 8 0 - 3 8 4 7 ] Y A N GG u o L i n g ，Y A N GJ ．n ．J I A N GL i n - l i ．N u m e r i c a l s i m u l a t i o n so nf o l db i t t i n gd e m o l i t i o no ff r a m P t u b e s t r I | c t u r e s [ J ] E x p l o s i o n ∞dS h , W kW a v e s ，2 0 。9 ，2 9 4 3 8 0 3 8 4 i nc h _ n 呲 万方数据