框架结构建筑物拆除爆破模拟技术研究论文

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1、框架结构建筑物拆除爆破模拟技术研究论文摘要：本文提出了采用有限单元法和多刚体动力学数值仿真方法相结合的仿真技术对框架结构建筑物拆除爆破进行模拟的方法。该技术可对结构的失稳、解体、倒塌运动过程、堆积范围等问题进行预测或再现，有助于提高拆除爆破设计方案的安全性和可靠性。关键词：框架结构建筑物拆除爆破数值模拟有限单元法多刚体动力学1引言随着我国城市化进程的加快，采用爆破方法快速拆除建(构)筑物日益受到重视并被广泛采用。然而在当前的爆破设计中，仍主要依靠工程师的工程经验来预测结构的倒塌过程，倒塌范围也仅能采用经验公式进行

2、估算。在遇到结构复杂的建筑物或爆破方案较为复杂的情况时，工程经验及经验公式便难以满足需要。随着计算机技术的发展，采用数值仿真的方式对建筑物拆除爆破进行模拟已经可以实现。建筑物拆除爆破的模拟是一个非常复杂的问题，必须依赖于的复杂的数值计算方法以及实验等其它非数值手段来解决。近年来国内外学者普遍采用的数值计算方法主要有理论力学法、有限单元法、DDA(DiscontinuousDeformationAnalysis)方法、离散单元法、个别元素法等.freel/s；一般现制排架结构，约为8m/s；刚架或较强的排架结构，须

3、10m/s以上。实际模拟过程中，若结构触地时达到了使其充分解体的速度则可将刚架结构转化为多刚体系统，以模拟结构的触地冲击解体及随后的堆积过程。在多刚体动力学仿真系统中，结构中已形成的塑性铰用铰节点表示；而未破坏的危险部位则用刚节点表示，若在后续时间里该部位转化为塑性铰，则可以将刚节点替换为铰节点；当节点处的拉力超过其极限抗拉强度或构件落地速度达到其完全解体所需的速度时则可将约束删除，使其成为相互独立的刚体，如图2所示。3.2建筑物倒塌运动过程模拟在承重部位起爆后，建筑物失稳，结构逐渐发生解体破坏，形成一个由钢筋相

4、连的混凝土块体系统，进而，结构将发生倒塌、触地解体、形成爆堆，此时，结构可抽象为由许多刚体联结而成的多刚体运动系统。这个过程很难用连续介质力学来模拟，而可采用多刚体运动学数值模拟技术进行描述，因此结构倒塌行为可采用多刚体运动学仿真系统来模拟。结构开始倒塌时继承了失稳时的解体破坏形式，因此，在结构倒塌的动力学模型中应将结构初始失稳、破坏情况作为倒塌运动模拟的初始条件。在倒塌运动过程中，势必会发生块体的相互碰撞，其中会伴随着碰撞造成的能量损失和混凝土破碎造成的能量损失，然而目前没有成熟的理论计算方法对其进行描述。从工

5、程实际看，在建筑物的坍塌过程中混凝土块体碰撞时特别是结构触地堆积时，动能基本损失殆尽，因此在模拟过程中设定垂直于接触面方向的动能损失率为90％～100％。4算例4.1工程概况爆破拆除某7层框架结构楼房。框架结构为现浇框架，预制楼板，混凝土等级为C20，柱截面为400mm×600mm，纵向主梁截面为300mm×700mm，柱网布置见图3，楼房的立面图如图4所示。4.2爆破方案由于周围环境及建筑物本身形状的限制，对该建筑物采用水平逐跨解体的爆破方案，结构的倒塌方向如图4所示。为了使结构失稳，需要自右向左依次爆破A～E

6、排立柱。爆破设计时，爆破高度分别取一层、两层，排间起爆时差分别取0.1s、0.3s、0.5s、0.7s、1.0s进行计算，以分析不同条件下结构的失稳、破坏、倒塌及堆积情况。4.3失稳及解体模拟选择图4所示最右侧的一跨框架的一榀作为研究对象，研究其失稳破坏的条件。采用平面杆系有限元法计算发现，爆破高度为一层和两层时，结构中构件的可能破坏(弯矩超过其极限抵抗弯矩)情况基本相同，而随后依次爆破的各跨框架的破坏形式也与第一跨基本相同。必须指出的是，构件的内力达到其极限承载力时，并不一定发生破坏。实际上，梁柱节点中若梁首先

7、发生了破坏则失去了将弯矩传递给柱的能力，从而保护了柱不受破坏；同样，若柱首先破坏也可保护梁不受破坏，表现出梁柱节点“自我保护”的特点。而哪种构件首先破坏取决于构件的受力情况以及其极限承载力，理论上讲，受力情况相对恶劣的构件应首先破坏。对该框架结构，主梁所受弯矩大于柱而其极限抗弯能力也明显低于柱应首先发生破坏从而保证柱体不会受弯破坏。最右侧框架的受力及破坏形式如图5所示。4.4倒塌过程模拟以结构的失稳和初始破坏情况为模拟初始条件，对该框架结构的各拆除方案进行计算。计算结果显示：当爆破高度为一层时其触地速度约为6.5

8、m/s，难以满足完全解体要求，此时可采用人工施爆以解除结构刚度，但势必增加工程量，并给爆破飞石的控制带来困难；而爆破高度取两层时其触地速度约为14m/s，可满足要求；排间的起爆时差为0.5s左右时，倒塌过程较为理想。下图为爆高为两层、排间起爆时差为0.5s时，结构倒塌过程的模拟。...t=0st=0.5st=1.0st=1.5s...t=2.0st=2.5st=3.0st