框架結(jié)構(gòu)建筑物拆除爆破模擬技術(shù)研究

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摘   要：本文提出了采用有限單元法和多剛體動力學(xué)數(shù)值仿真方法相結(jié)合的仿真技術(shù)對框架結(jié)構(gòu)建筑物拆除爆破進行模擬的方法。該技術(shù)可對結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)、解體、倒塌運動過程、堆積范圍等問題進行預(yù)測或再現(xiàn)，有助于提高拆除爆破設(shè)計方案的安全性和可靠性。
 

關(guān)鍵詞：框架結(jié)構(gòu)建筑物 拆除爆破 數(shù)值模擬 有限單元法 多剛體動力學(xué)

 

1、引言

    隨著我國城市化進程的加快，采用爆破方法快速拆除建(構(gòu))筑物日益受到重視并被廣泛采用。然而在當前的爆破設(shè)計中，仍主要依靠工程師的工程經(jīng)驗來預(yù)測結(jié)構(gòu)的倒塌過程，倒塌范圍也僅能采用經(jīng)驗公式進行估算。在遇到結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物或爆破方案較為復(fù)雜的情況時，工程經(jīng)驗及經(jīng)驗公式便難以滿足需要。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)值仿真的方式對建筑物拆除爆破進行模擬已經(jīng)可以實現(xiàn)。
    建筑物拆除爆破的模擬是一個非常復(fù)雜的問題，必須依賴于的復(fù)雜的數(shù)值計算方法以及實驗等其它非數(shù)值手段來解決。近年來國內(nèi)外學(xué)者普遍采用的數(shù)值計算方法主要有理論力學(xué)法、有限單元法、DDA(Discontinuous Deformation Analysis)方法、離散單元法、個別元素法等，非數(shù)值計算方法主要有爆破專家系統(tǒng)等，取得了一些重要成果。本文嘗試運用有限單元法和多剛體動力學(xué)數(shù)值仿真方法相結(jié)合的數(shù)值仿真技術(shù)對框架結(jié)構(gòu)建筑物拆除爆破的模擬進行了研究。

2、有限元法與多剛體動力學(xué)仿真技術(shù)

    建筑物拆除爆破是通過破壞建筑物的關(guān)鍵承重部位使其失去承載能力，使建筑物在自重作用下失穩(wěn)倒塌，這個過程可視為結(jié)構(gòu)由靜力平衡系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為多剛體動力系統(tǒng)的過程，使采用多剛體動力學(xué)數(shù)值仿真方法和平面桿系結(jié)構(gòu)有限元法對建筑物爆破拆除過程的模擬成為可能，其仿真流程如圖1所示。

    平面桿系結(jié)構(gòu)有限元法是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用最為廣泛的一種方法。建筑物拆除爆破涉及的對象是建筑結(jié)構(gòu)，因此在建筑物拆除爆破設(shè)計中，可以運用平面桿系結(jié)構(gòu)有限元法，對拆除過程中不同階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力(軸力、剪力和彎矩)進行分析，以便為拆除爆破設(shè)計提供準確的依據(jù)，提高拆除爆破設(shè)計的可靠性和準確性。
    多剛體動力學(xué)是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的新學(xué)科分支，在復(fù)雜機構(gòu)的動力分析中的應(yīng)用非常廣泛。以多剛體動力學(xué)為理論基礎(chǔ)的數(shù)值仿真方法將現(xiàn)實世界中的復(fù)雜機構(gòu)系統(tǒng)概化為由約束機構(gòu)聯(lián)結(jié)若干剛體而成的樹狀結(jié)構(gòu)，并自動形成系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，運用計算機可視化技術(shù)對其求解結(jié)果進行可視化，以預(yù)測或再現(xiàn)機構(gòu)系統(tǒng)的運動過程。
    在該多剛體動力學(xué)仿真系統(tǒng)中可定義的剛體的質(zhì)量、密度、體積、形狀、質(zhì)心、位置、速度與角速度以及剛體間碰撞的能量損失率與摩擦系數(shù)等，并且可以定義鉸鏈等約束的摩擦系數(shù)等以便模擬整個多剛體系統(tǒng)在倒塌運動過程中的能量損失。該仿真技術(shù)采用較先進的變分方法建立剛體運動數(shù)學(xué)模型，運用Kutta-Merson積分方法對其求解，可精確計算剛體的運動路徑和剛體間彼此的穿透和碰撞行為。

3、建筑物拆除爆破機理模擬

3.1 建筑物失穩(wěn)及解體的模擬

    在建筑物拆除爆破中，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要原因是關(guān)鍵承重部位的破壞，相應(yīng)的在模擬過程中將該被破壞部位從整個結(jié)構(gòu)中予以刪除即可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)條件的模擬。
    拆除爆破中建筑物的解體破壞分為三種方式：布孔施爆；建筑物爆破后不均勻下落中構(gòu)件彎折拉壓破壞；建筑物的觸地沖擊破壞。并且在拆除爆破中，采取的倒塌方式不同，構(gòu)件的解體方式也不盡相同。如采用橫向逐跨倒塌方式時，構(gòu)件基本為受彎破壞，而采用豎向逐段解體時，主要是柱體的軸向沖擊受壓破壞。所以在建筑物爆破模擬過程中，需根據(jù)倒塌方式的不同確定不同的計算方案。
    對于構(gòu)件在倒塌過程中的破壞情況，可計算結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的各項極限承載力，并運用平面桿系結(jié)構(gòu)有限元法計算不同時段結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力分布情況，依據(jù)以上的計算結(jié)果，判斷結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件的解體情況。對于建筑物的觸地沖擊解體，由于其力學(xué)本質(zhì)非常復(fù)雜，目前沒有成熟的理論計算方法。龐維泰^【3】等曾對低層建筑物拆除爆破中觸地解體條件進行了研究。統(tǒng)計資料表明，要使建筑物落地后充分解體須有一定的落地速度。對預(yù)制件，磚結(jié)構(gòu)，約為6m/s；一般現(xiàn)制排架結(jié)構(gòu)，約為8m/s；剛架或較強的排架結(jié)構(gòu)，須10m/s以上。實際模擬過程中，若結(jié)構(gòu)觸地時達到了使其充分解體的速度則可將剛架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為多剛體系統(tǒng)，以模擬結(jié)構(gòu)的觸地沖擊解體及隨后的堆積過程。
    在多剛體動力學(xué)仿真系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)中已形成的塑性鉸用鉸節(jié)點表示；而未破壞的危險部位則用剛節(jié)點表示，若在后續(xù)時間里該部位轉(zhuǎn)化為塑性鉸，則可以將剛節(jié)點替換為鉸節(jié)點；當節(jié)點處的拉力超過其極限抗拉強度或構(gòu)件落地速度達到其完全解體所需的速度時則可將約束刪除，使其成為相互獨立的剛體，如圖2所示。

3.2 建筑物倒塌運動過程模擬

    在承重部位起爆后，建筑物失穩(wěn)，結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生解體破壞，形成一個由鋼筋相連的混凝土塊體系統(tǒng)，進而，結(jié)構(gòu)將發(fā)生倒塌、觸地解體、形成爆堆，此時，結(jié)構(gòu)可抽象為由許多剛體聯(lián)結(jié)而成的多剛體運動系統(tǒng)。這個過程很難用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)來模擬，而可采用多剛體運動學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)進行描述，因此結(jié)構(gòu)倒塌行為可采用多剛體運動學(xué)仿真系統(tǒng)來模擬。
    結(jié)構(gòu)開始倒塌時繼承了失穩(wěn)時的解體破壞形式，因此，在結(jié)構(gòu)倒塌的動力學(xué)模型中應(yīng)將結(jié)構(gòu)初始失穩(wěn)、破壞情況作為倒塌運動模擬的初始條件。在倒塌運動過程中，勢必會發(fā)生塊體的相互碰撞，其中會伴隨著碰撞造成的能量損失和混凝土破碎造成的能量損失，然而目前沒有成熟的理論計算方法對其進行描述。從工程實際看，在建筑物的坍塌過程中混凝土塊體碰撞時特別是結(jié)構(gòu)觸地堆積時，動能基本損失殆盡，因此在模擬過程中設(shè)定垂直于接觸面方向的動能損失率為90％～100％。

4、算例

4.1 工程概況

　　爆破拆除某7層框架結(jié)構(gòu)樓房。框架結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆框架，預(yù)制樓板，混凝土等級為C20，柱截面為400mm×600mm，縱向主梁截面為300mm×700mm，柱網(wǎng)布置見圖3，樓房的立面圖如圖4所示。

4.2 爆破方案

    由于周圍環(huán)境及建筑物本身形狀的限制，對該建筑物采用水平逐跨解體的爆破方案，結(jié)構(gòu)的倒塌方向如圖4所示。為了使結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，需要自右向左依次爆破A～E排立柱。爆破設(shè)計時，爆破高度分別取一層、兩層，排間起爆時差分別取0.1s、0.3s、0.5s、0.7s、1.0s進行計算，以分析不同條件下結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)、破壞、倒塌及堆積情況。

4.3 失穩(wěn)及解體模擬

    選擇圖4所示最右側(cè)的一跨框架的一榀作為研究對象，研究其失穩(wěn)破壞的條件。采用平面桿系有限元法計算發(fā)現(xiàn)，爆破高度為一層和兩層時，結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的可能破壞(彎矩超過其極限抵抗彎矩)情況基本相同，而隨后依次爆破的各跨框架的破壞形式也與第一跨基本相同。
    必須指出的是，構(gòu)件的內(nèi)力達到其極限承載力時，并不一定發(fā)生破壞。實際上，梁柱節(jié)點中若梁首先發(fā)生了破壞則失去了將彎矩傳遞給柱的能力，從而保護了柱不受破壞；同樣，若柱首先破壞也可保護梁不受破壞，表現(xiàn)出梁柱節(jié)點“自我保護”的特點。而哪種構(gòu)件首先破壞取決于構(gòu)件的受力情況以及其極限承載力，理論上講，受力情況相對惡劣的構(gòu)件應(yīng)首先破壞。對該框架結(jié)構(gòu)，主梁所受彎矩大于柱而其極限抗彎能力也明顯低于柱應(yīng)首先發(fā)生破壞從而保證柱體不會受彎破壞。最右側(cè)框架的受力及破壞形式如圖5所示。

4.4 倒塌過程模擬

    以結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)和初始破壞情況為模擬初始條件，對該框架結(jié)構(gòu)的各拆除方案進行計算。計算結(jié)果顯示：當爆破高度為一層時其觸地速度約為6.5m/s，難以滿足完全解體要求，此時可采用人工施爆以解除結(jié)構(gòu)剛度，但勢必增加工程量，并給爆破飛石的控制帶來困難；而爆破高度取兩層時其觸地速度約為14m/s，可滿足要求；排間的起爆時差為0.5s左右時，倒塌過程較為理想。下圖為爆高為兩層、排間起爆時差為0.5s時，結(jié)構(gòu)倒塌過程的模擬。

...

t=0s              t=0.5s             t=1.0s           t=1.5s

...

     t=2.0s            t=2.5s             t=3.0s            t=3.6s

圖 6  結(jié)構(gòu)倒塌過程模擬圖

    模擬結(jié)果顯示，整個結(jié)構(gòu)從起爆到完全落地堆積大約需3.6s，爆堆高度約為5m，可達到原地坍塌的要求，倒塌及堆積過程也基本與實際現(xiàn)象一致。在模擬過程中發(fā)現(xiàn)，在實施水平逐段解體方案時，立柱爆破高度和排間起爆時差的選擇是關(guān)系爆破是否成功的關(guān)鍵問題，必須從多個方面予以考慮。

5、結(jié)論

    本文的研究成果表明，采用有限單元法和多剛體動力學(xué)數(shù)值仿真方法相結(jié)合拆除爆破模擬技術(shù)，可以對框架結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)、破壞、倒塌過程、堆積范圍等問題進行模擬預(yù)測，可以通過對整個過程的模擬為爆破方案的選擇和優(yōu)化提供依據(jù)，可有效的提高建筑物拆除爆破設(shè)計的水平和可靠性，具有較強的實用價值。但建筑物拆除爆破中破壞、倒塌、堆積過程是一個非常復(fù)雜的力學(xué)問題，該模擬技術(shù)對其進行了許多簡化處理，許多問題還需進一步探討。