数值模拟在朱旺沱宾馆爆破拆除中的应用.pdf

第2 9 卷第1 期 爆破 V 0 1 ．2 9N 。．1 2 0 1 2 年3 月B L A S T I N G M a r ．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 1 ．0 0 7 数值模拟在朱旺沱宾馆爆破拆除中的应用 沈晓松L 2 ，詹振锵3 ，赵明生1 , 4 ，池恩安L 3 1 ．贵州新联爆破工程有限公司。贵阳5 5 0 0 0 2 ；2 ．武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉4 3 0 0 7 0 ； 3 ．贵州大学矿业学院，贵阳5 5 0 0 0 3 ；4 ．武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉4 3 0 0 7 0 摘要针对朱旺沱宾馆四邻环境复杂的情况，提出了3 种爆破方案定向爆破、单向折叠爆破、单向双折 叠爆破。为了对所提出的方案进行选取，利用有限元分析软件A N S Y S ／L S D Y N A 建立分离式共节点模型， 对3 种方案进行了预演。根据爆破要求以倒塌长度、爆堆高度为指标确定了爆破方案为单向双折叠爆破，并 根据数值模拟结果对此方案进行优化，最终取得了较好的爆破效果。研究结果表明，利用有限元分析软件 A N S Y S ／L ．S - - - D Y N A 可对复杂环境下高层建筑物精细爆破拆除方案的确定提供依据。 关键词爆破拆除；框架结构；分离式共节点模型；折叠爆破 中图分类号T u 7 4 6 ．5文献标识码 A 文章编号1 0 0 l 一4 8 7 X 2 0 1 2 0 l 一0 0 2 7 0 4 N u m e r i c a lS i m u l a t i o ni nE x p l o s i v eD e m o l i t i o no fZ h u w a n g t u oH o t e l S H E NX i a o s o n 9 1 ’，Z H A NZ h e n ．q i a n 9 3 ，Z H A OM i n g ．s h e n 9 1 ”，C H IE n ．o 凡1 ’3 1 ．G u i z h o uX i n l i a nB l a s t i n gE n g i n e e r i n gL i m i t e dC o r p ，G u i y a n g5 5 0 0 0 2 ，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 dA r c h i t e c t u r e ，W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 7 0 ，C h i n a ； 3 ．S c h o o lo fM i n i n g ，G u i z h o uU n i v e r s i t y ，G u i y a n g5 5 0 0 0 3 ，C h i n a ；4 ．S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g ，W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 7 0 ，C h i n a A b s t r a c t A i m i n ga tt h ec o m p l e xs u r r o u n d i n go fZ h u w a n g t u oh o t e ln e i g h b o r s ，t h r e ek i n d so fb l a s t i n gs c h e m e w e r ep u tf o r w a r d ．t h ed i r e c t i o n a lb i a s r i n g ．u n i d i r e c t i o n a lf o l d i n gb l a s t i n g 。a n du n i d i r e c t i o n a lt w o f o l db l a s t i n g ．I no r d e r t O ∞l e c tt h eo p t i m i z e dp r o g r a m ，t h es o f t w a r eA N S Y S ／i S - - - D Y N AW a su s e dt oe s t a b l i s ht h ec o l n l n o nn o d es e p a r a t e m o d e lf o rp r e v i e w i n gt h o s et h r e ek i n d ss c h e m e ．A e c o M i n gt ot h eb l a s t i n gr e q u i r e m e n t s ，t h ec o l l a p s el e n g t ha n dr o c k p i l eh e i g h ta sa 1 1 ．i n d i c a t o r 。t h eu n i d i r e c t i o n a lt w o f o l db l a s t i n gW a sd e t e r m i n e d 聃t h eb l a s t i n g ∞h e m e ，a n dw i t ho p t i m i z e db yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n dt h eg o o db l a s t i n ge f f e c tw a se v e n t u a l l yo b t a i n e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a t ，o nt h e c o m p l e xs u r r o u n d i n go fh i g h r i s eb u i l d i n g ，t 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 ／I - S - - - D Y N AC a np r o v i d eah a s i st od e t e r m i n ef i n eb l a s t i n gs c h e m 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 es t r u c t u r e ；c o n l n l o nn o d es e p a r a t em o d e l ；f o l d i n gb l a s t i n g 随着经济建设的发展，大量的废旧建筑物需要 拆除。控制爆破由于具有科学、安全、高效的特点而 被广泛的应用i 。爆破拆除是一个复杂的力学过 程，其理论涉及了结构动力学、爆破动力学以及岩土 收稿日期2 0 1 l 1 2 0 2 作者简介沈晓松 1 9 7 5 一 ，男，贵州省遵义市人，高级工程师，从事 爆破1 二程及安全技术方面的研究． E - 叫珊 s h e n x i a o s o n g 1 2 6 ．c o r n o 力学等多学科的交叉与融合，其理论研究还不够深 入，在实际的设计中主要依靠经验公式旧引。一般对 于倒塌环境好的，经验公式都能满足，而对于周边环 境复杂，倒塌空间有限的情况经验公式往往具有局 限性。而计算机模拟技术的发展为研究建筑物爆破 拆除提供了新的方法和手段H 引。针对朱旺沱宾馆 倒塌空间有限的情况，利用有限元分析软件A N s Y s ／L S D Y N A 建立分离式共节点模型对其爆破 万方数据 爆破 2 0 1 2 年3 月 方案进行研究，对不同爆破方案下建筑物的倒塌过 程进行预演，为爆破方案的最终确定提供参考。 1 工程概况 贵州茅台酒股份有限公司为打造赤水河两岸景 观工程，拟把原朱旺沱宾馆拆除。该宾馆为一栋 9 层与1 2 层交叉重叠钢筋混凝土框架结构楼，中部 塔楼有1 3 层。大楼外观南北向呈帆船状，不规则外 观，其最长处约5 0n l ，最宽处约2 0m 。南翼长2 7m ， 南翼有9 层楼，楼高3 1 ．2m ；北翼长3 0m ，大楼北翼 有1 2 层，楼高为4 1 ．1m ；塔楼有1 3 层楼，最高为 4 9 ．5m ，塔楼宽8m 。钢筋混泥土立柱截面为 8 0 0m i l l 4 0 0n l m ，主梁截面9 0 0f i l m 4 0 0m i l l ，配筋 为直径2 5 螺纹钢8 根。该楼北部有楼梯2 座，塔楼 处有电梯1 座，电梯周围为剪力墙结构。建筑物占 地面积7 6 1 ．8 5m 2 。主楼总建筑面积约为76 6 0 ．6 9m 2 。 大楼南北向共1 3 跨，东西向有4 跨，待爆楼体实体 图见图1 。大楼正东方3 8n l 处为一排污河道， 1 0 0m 处为居民楼；北侧是煤棚、职工食堂等附属建 筑物；西侧1 01 3 “ 1 处是赤水河，在河堤上有供水管道； 大楼南侧2 0m 处是一围墙，围墙外是汽车修理厂， 5 0m 处是河滨路，待爆楼体四邻情况见图2 。 l 生Il 待爆楼体实体图 F i g 1 S t e r e o g r a mo ft h eb u i l d i n gw a i t i n gf o rb l a s t i n g 2 爆破方案 根据大楼的结构特点‘j 四邻情况，只有大楼正 东向有3 8n l 的空间，因此确定大楼的倒塌方向为正 东。另外根据业主要求楼房爆破拆除后的爆堆高度 不能超过8m ，初步确定的爆破拆除方案有3 种第 1 种，1 4 层开设大缺口，进行定向倒塌第2 种，在 1 ～2 层、5 6 层开设2 个缺仁J 。进行单向折叠倒塌； 第3 种，1 ～2 层、5 ～6 层、9 一1 0 层开设3 个缺口， 并在3 4 层、7 ～8 层立柱钻3 ～5 个炮孔进行松动 破坏．进行单向双折叠倒塌。大楼爆破所选取的方 案应满足既能确保大楼倒塌不危及排污河道、符合 业主要求的爆堆高度，又使爆破旌工简单方便的要 求，因此需对所提出的3 种方案进行模拟预演，为爆 破方案的最终确定提供参考。 图2 待爆楼体四邻情况 F i g ．2S u r r o u n d i n gc o n d i t i o n so ft h eb u i l d i n g w a i t i n gf o rb l a s t i n g 3 大楼爆破拆除数值模拟 为了如实地反映钢筋混凝土结构构成，分析钢混 结构中钢筋和混凝土的破坏过程，采用分离式共节点 模型。分离式共节点模型的基本假定是钢筋与混凝 土单元公用一个节点，当混凝土单元达到其极限抗拉 压 强度时失效删除，钢筋单元仍然承担拉 压 应 力直至达到失效强度。为了提高计算速度．在不严重 影响结果的前提下，提出以下简化和假设”J 1 模型不考虑到箍筋的作用。 2 模型并不考虑梁、柱钢筋的混凝土保护层 的厚度。 3 切口的形成并不考虑炸药的爆炸效应以及 爆炸后切口断面的不平滑。 4 假设地面为刚体，不发生变形。 基于上述4 点简化和假设，对所提出的是3 种 爆破方案分别建立模型，见图3 、图4 、图5 。利用 A N s Y s ／L s D Y N A 软件对3 种方案的模拟研究中， 可计算不同方案下爆破拆除的爆堆高度与倒塌长 度，分别见图6 、图7 。 由图3 一图7 可见1 有限元软件A N S Y S ／ L S D Y N A 可对不同方案进行预演，并使倒塌过程 清晰可见。2 第1 种方案的倒塌长度为2 9m ，爆堆 高度为1 7 ．5m ；第2 种方案的倒塌长度为2 7 ．5i n ， 爆堆高度为1 3 ．5I l r l ；第3 种方案的倒塌长度为 1 71 1 1 1 ，爆堆高度为9m 。 万方数据 第2 9 卷第1 期沈晓松，詹振锵，赵明生，等数值模拟在朱旺沱宾馆爆破拆除中的应用 2 9 L 卜D Y N Au s e ri n p u n m 口 f a 定向倒塌 L S D Y N u s e T i n p u t I h l 图3 定向倒塌过程 F i g ．3 D i r e c t i o n a lc o l l a p s e dp r o c e s s L 争一D Y N Au s e r i n p u l T i m e 35 5 ●◆ 。一’ l l J J 图4 单向折叠倒塌过程 4U n i d i r e c t i o n a lp u c k e r e dc o l l a p s e dp r o c e s s ■- r _ 1 b ■_ 簟_ J 图5 单向双折叠倒塌过程 U n i d i r e c t i o n a ld o u b l e p u c k e r e dc o l l a p s e dp r o c e s s 3 5 3 3 0 { 2 5 32 0 ‘1 5 1 0全墨 0246 n 麻e 3 5 。3 0 l2 5 { 2 0 i 1 5 1 0 5 b 单向折叠 图6 不同方案的爆堆高度 F i g 6 B l a s t i n gm u c k p i l eh e i g } l to fd i f f e r e n ts c h e m e s 壁 23456 r ／m e c 单向双折叠 万方数据 3 0爆破 2 0 1 2 年3 只 2 0 。1 0 { o S t O ‘一2 0 - 3 0 L o D Y N Au s e r i n p u t 02 46 n m e a 定向倒塌 玎m e b 单向折叠 图7 不同方案的倒塌长度 F i g ．7 C o l l a p s e dl e n g t ho fd i f f e r e n ts c h e m e s 通过对3 种方案的模拟分析，只有第3 种方案 能够满足要求，因此在爆破施工过程中选择第3 种 方案。考虑到数值模拟是在4 点简化和假设基础 上，存在误差，在实际的施工过程中为了最大程度的 满足要求，确保排污河的绝对安全，对第3 种方案进 行优化，将1 8 层沿倒塌方向的梁钻8 个炮孔松动 破坏。爆破后的照片见图8 ，爆破后大楼解体完全， 其倒塌长度为1 5n l 、爆堆高度为7 ．5m 。 4 结语 图8 爆破后的照片 F i g ．8 P h o t o g r a p ha f t e rb l a s t i n g 该大楼的成功爆破表明 1 利用有限元软件 A N S Y S ／L S - - D Y N A 可对不同方案进行预演并对爆 破方案进行优化，为最终爆破方案的确定提供参考。 2 今后在爆破拆除过程中，可利用数值模拟技术 为复杂条件下高层建筑物的精细控制爆破方案的设 计提供依据。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 余业清，钟冬望，汪洋．数值模拟在爆破拆除中的应 用[ J ] 爆破，2 0 0 6 ，2 3 2 2 2 - 2 5 1 5 l O 5 0 5 一1 0 一1 5 2 0 012 3456 T i m e f C l 单向双折叠 [ 1 ] Y uY e - q i n g ，Z H O N GD o n g - w a n g ，W A N GY a n gA p p l i c a - t i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni ne 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 0 6 ，2 3 2 2 2 - 2 5 i nC h i n e s e [ 2 ] 贾永胜，谢先启．李欣宇．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 [ 2 ] J I AY o n g - s h e n g ，X I EX i a n q i ，L IX i n y u ．N u m e r i e Ms i m u l a t i O i l f o rd e m o l i t i o no fs t r u c t u r e s [ J ] R o c ka n dS o i l M e ． c h a n i c s ，2 0 0 8 ，2 9 1 2 8 5 - 2 8 8 ． i nC h i n e s e ， [ 3 ] 谢春明，杨军，张光雄．钢筋混凝土观光塔爆破拆除 及数值模拟[ J ] ．爆破，2 0 0 9 ，2 6 4 8 1 2 [ 3 ] X I EC h u n m i n g ，Y A N GJ u n ．Z H A N CG u a n g x i o n g N u - m e r i c a ls i m u l a t i o no fr e i n f o r c e dc o n c r e t et o u rt o w e re x p l o - s i r ed e m o l i t i o n [ J ] B l a s t i n g ，2 0 0 9 ，2 6 4 8 1 2 i nC h i - ． n e s e [ 4 ] 任高峰，王玉杰框架楼房爆破定向倾塌的数值模拟 研究[ J ] 工程抗震与加固改造。2 0 0 5 ．2 7 5 7 4 - 7 7 [ 4 ] R E NG a o f e n g ，W A N GY u - j i e ．T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ’S d i s c u s s i o na ft h es t r u c t u r eb u i l d i n g ’So r i e n t a t i o ni n c l i n e w h i l eb l a s t i n g [ J ] E a r t h q u a k eR e s i s t a n tE n g i n e e r i n ga n d R e t r O f i t t i n g ．2 0 0 5 ，2 7 5 7 4 - 7 7 i nC h i n e s e [ 5 ]言志信，刘龙泉，刘培林．框架结构爆破拆除分离式模 拟研究[ J ] ．爆破，2 0 1 1 ，2 8 3 I 一4 ． [ 5 ] Y A NZ h i - 】【i n ，L I UL o n g q u a n ，L I UP e i l i n ．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 ds t r u c t u r ee x p l o s i v e d e m o l i t i o n [ j ] 、B l a s t i n g ，2 0 1 1 ，2 8 3 1 - 4 ． i nC h i n e s e [ 6 ] 余德运，杨军，陈大勇基于分离式共结点模型的钢 筋混凝土结构爆破拆除数值模拟[ J ] ．爆炸与冲击， 2 0 1 I ．3 1 4 3 4 9 - 3 5 4 [ 6 ] Y uD e y u n ，Y A N GJ u n ，C H E ND a y o n g ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o no fr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r eb a s e dO n s e p a r a t e e l e m e n ta n dc o m m o nn o d em o d e l [ J ] E x p l o s i o na n d S h o c k W a v e s ，2 0 1 1 ，3 1 4 3 4 9 - 3 5 4 i nC h i n e s e 万方数据