10層框架結(jié)構(gòu)樓房爆破拆除的數(shù)值模擬

費(fèi)鴻祿， 劉 夢， 張玉瑩， 曲廣建， 張建平， 鐘明壽

(1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 爆破技術(shù)研究院， 遼寧阜新 123000；2. 廣東中人企業(yè)(集團(tuán))有限公司， 廣州 510515；3. 內(nèi)蒙古宏大爆破工程有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古包頭 014030；4. 解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院， 南京 210007)

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10層框架結(jié)構(gòu)樓房爆破拆除的數(shù)值模擬

費(fèi)鴻祿1， 劉 夢1， 張玉瑩1， 曲廣建2， 張建平3， 鐘明壽4

(1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 爆破技術(shù)研究院， 遼寧阜新 123000；2. 廣東中人企業(yè)(集團(tuán))有限公司， 廣州 510515；3. 內(nèi)蒙古宏大爆破工程有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古包頭 014030；4. 解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院， 南京 210007)

摘要：以沈陽東電醫(yī)院住院部(南樓)爆破拆除工程為例，根據(jù)東電醫(yī)院住院部復(fù)雜環(huán)境及其具體情況采用LS-DYNA有限元軟件對(duì)建筑物爆破拆除三種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬分析，并將方案比選，得出了采用半梯形切口、半秒延時(shí)雷管的最佳設(shè)計(jì)方案。按此方案進(jìn)行了爆破拆除施工并將實(shí)際倒塌結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，二者在爆堆的尺寸形狀上的誤差均在10%以內(nèi)，形成時(shí)間的誤差為4.4%，在工程允許范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：框架結(jié)構(gòu)； 爆破拆除； 數(shù)值模擬； 方案比選； 爆堆

1引言

高層建筑物拆除的主要手段是爆破拆除〔1〕，爆破拆除前，首先需要進(jìn)行爆破方案設(shè)計(jì)。爆破方案通常依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，但隨著建筑物本身的結(jié)構(gòu)、周圍環(huán)境和周邊安全問題逐漸復(fù)雜，拆除爆破方案的確定需要在傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行更深入的研究〔2-4〕。計(jì)算機(jī)數(shù)值軟件的快速發(fā)展為拆除爆破的進(jìn)一步研究提供了新的方向，通過有限元軟件ANSYS對(duì)拆除爆破進(jìn)行數(shù)值模擬可以方便快速的優(yōu)化設(shè)計(jì)爆破參數(shù)，已被較為廣泛地應(yīng)用〔5-6〕。然而，多數(shù)均只對(duì)有限元模擬和實(shí)際工程進(jìn)行對(duì)比分析，并未對(duì)多種方案進(jìn)行比選。本文以沈陽東電醫(yī)院住院部(南樓)爆破拆除工程為例，首先根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，決定倒塌方式；然后進(jìn)行試爆和傾覆力矩計(jì)算，提出不同切口參數(shù)爆破方案，并分別對(duì)其進(jìn)行模擬分析，選取最佳爆破設(shè)計(jì)方案；最后通過現(xiàn)場實(shí)際爆破倒塌情況和模擬情況對(duì)比，分析有限元模擬的實(shí)際工程價(jià)值。

2工程實(shí)例分析

2.1工程簡介

沈陽東電醫(yī)院位于沈陽市市中心，住院部南側(cè)樓房待拆除(以下簡稱為住院樓)，周圍環(huán)境見圖1。

圖1　周圍環(huán)境示意圖Fig.1　Schematic diagram of surrounding environment

按照技術(shù)要求以及現(xiàn)場的實(shí)際情況，最終選擇向西縱向倒塌。

待拆住院樓樓層為10層，長47.1m、寬14.1 ～19.2m、高43m，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架柱體結(jié)構(gòu)尺寸一層為600mm×600mm，其余各層均為500mm×500mm。住院樓結(jié)構(gòu)平面圖見圖2。

圖2　住院樓框架結(jié)構(gòu)平面圖Fig.2　Plan of hospital department frame structure

2.2爆破參數(shù)的確定

為了驗(yàn)證爆破防護(hù)效果和炸藥單耗選取是否準(zhǔn)確，在待拆樓房中部的一個(gè)承重柱上進(jìn)行試爆。選取圖2中畫圈部分進(jìn)行試爆，均按上下兩排布孔，其中一層立柱每排5個(gè)炮孔；二層及以上每排4個(gè)炮孔。實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1，試爆效果見圖3。

表1　實(shí)驗(yàn)爆破參數(shù)

(a)600 mm×600 mm立柱The 600 mm×600 mm column

(b)500 mm×500 mm立柱The 500 mm × 500 mm column圖3　試爆效果Fig.3　Effect of blasting test

由試爆效果可知，由于立柱配置雙層鋼筋和雙層箍筋，爆破后立柱沒有被充分破壞〔7〕。為了進(jìn)一步破壞立柱，達(dá)到完全失穩(wěn)爆破效果需要增大炸藥單耗，考慮到立柱根部受固定端約束導(dǎo)致夾持作用大，立柱下端炮孔炸藥單耗需適量增加。優(yōu)化后的爆破參數(shù)見表2。

住院樓按總荷載P=7.74549×104kN，鋼筋直徑d=32 mm進(jìn)行設(shè)計(jì)。承重立柱40個(gè)，每個(gè)立柱有12根鋼筋。鋼筋的截面慣性矩為：

(1)

式中：J為鋼筋的截面慣性矩；d為鋼筋直徑。

則每根鋼筋承受的極限載荷:

(2)

式中：彈性模量E=2×1011N/m2，求得J=5.1446×10-8m2，Pm=1.58512×102kN。住院樓立柱鋼筋為480根，則每根鋼筋承受的實(shí)際荷載為P2=P/480=1.6136438×102kN，由于每根鋼筋承受的實(shí)際荷載均大于極限荷載，即Pm

h=K(B+hmin)

(3)

式中：K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，K=1.5 ～2.0，取2.0；B為立柱截面的最大邊長，取0.6m。

為使住院樓失穩(wěn)倒塌時(shí)形成較大的傾覆力矩，確保住院樓順利倒塌，南側(cè)墻體也需要破壞一定高度、可整體形成鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，使住院樓按預(yù)定的方向倒塌，并且盡量減少后坐。南側(cè)立柱及需要形成鉸支部位的破壞高度為hj=1.0×B=0.6 m。

表2　爆破參數(shù)

1.3爆破切口高度的確定

根據(jù)住院樓的結(jié)構(gòu)形式，采用的爆破切口形式有三種:

方案一：采用半梯形切口，半秒延時(shí)雷管。

方案二：采用斜切形切口，半秒延時(shí)雷管。

方案三：采用斜切形切口，1/4s延時(shí)雷管。住院樓切口參數(shù)見圖4。

圖4　爆破切口Fig.4　Blasting cuts

3模擬結(jié)果與分析

3.1有限元模型建立

根據(jù)工程實(shí)際，按照1∶1的比例進(jìn)行模型的構(gòu)建。為了簡化模型，不考慮墻體對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，主要由梁、柱、板以及地面構(gòu)成整個(gè)模型，如圖5所示。

圖5　建筑物有限元模型Fig.5　LS-DYNA model of structure

整個(gè)樓房采用一個(gè)單元模型SOLID164，地面采用剛性材料，具體參數(shù)如表3所示。

表3　模型材料參數(shù)

在建筑物爆破拆除工程中，首先需破壞建筑物的部分承重立柱，使建筑物在重力作用下失穩(wěn)，進(jìn)而倒塌。在ANSYS/LS-DYNA中使用關(guān)鍵字*MAT_ADD_EROSION來控制材料的失效〔9〕；當(dāng)爆破切口形成后，建筑物發(fā)生傾倒，建筑物發(fā)生解體，各部分發(fā)生斷裂或破碎的界限通過定義失效應(yīng)變來控制。本次模擬的失效應(yīng)變?yōu)?.05，當(dāng)建筑物單元的應(yīng)變超過失效應(yīng)變后被刪除。

3.2模擬結(jié)果分析

圖6為按照設(shè)計(jì)方案一對(duì)住院樓進(jìn)行爆破拆除的數(shù)值模擬過程。

圖6　方案一數(shù)值模擬結(jié)果Fig.6　Numerical simulation results of scheme 1

由模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)前兩排承重柱消失后，應(yīng)力分布發(fā)生了變化，最大應(yīng)力分布在后排的承重柱上以及第二層樓板上，且第二層樓板產(chǎn)生了向下的位移。在切口完全形成之前，最大的應(yīng)力分布主要是在沒有承載柱支撐的樓板上，在重力作用下，樓板產(chǎn)生了明顯的向下位移，直至落地產(chǎn)生破壞。在爆破切口形成之后，最大應(yīng)力主要分布在建筑物的上部結(jié)構(gòu)。在整個(gè)爆破過程中，建筑物發(fā)生傾倒的過程主要是在0 ～4s，爆破切口逐漸形成。爆破切口的產(chǎn)生使建筑物變成了懸臂梁結(jié)構(gòu)，建筑物未破壞的立柱與地面的接觸地形成了鉸接點(diǎn)，在重力作用下，建筑物產(chǎn)生重力彎矩，發(fā)生定軸轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而傾倒；在4s以后，建筑物幾乎不發(fā)生傾斜，在重力和與地面的沖擊力的作用下發(fā)生解體。6.5s時(shí)倒塌基本結(jié)束，形成爆堆。

圖7為按照設(shè)計(jì)方案二對(duì)住院樓進(jìn)行爆破拆除的數(shù)值模擬過程。

圖7　方案二數(shù)值模擬結(jié)果Fig.7　Numerical simulation results of scheme 2

由模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)前兩排立柱爆破后，最大應(yīng)力主要分布在前面的立柱及沒有立柱支撐的樓板上，當(dāng)t=2s時(shí)，垂向的位移越來越大，切口即將閉合時(shí)，最大應(yīng)力分布在與地面接觸的樓板和立柱上。從4.2s開始，切口完全閉合，建筑物在重力和沖擊力的作用下開始發(fā)生解體。6.4s時(shí)，解體完成，形成爆堆，爆堆高度為9.8m，前后沖10.2m，側(cè)沖5.2m。從起爆到解體結(jié)束歷時(shí)6.4s。

圖8為按照設(shè)計(jì)方案三對(duì)住院樓進(jìn)行爆破拆除的數(shù)值模擬過程。

圖8　方案三數(shù)值模擬結(jié)果Fig.8　Numerical simulation results of scheme 3

由模擬結(jié)果可以看出，在0.75s時(shí)結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生明顯的傾斜，尤其是沒有承重柱支撐的樓板已經(jīng)發(fā)生傾斜塌落。由于方案三采用的是1/4s延時(shí)，在2s時(shí)切口已經(jīng)完全形成，在2.65s時(shí)切口閉合，結(jié)構(gòu)開始觸地解體，4s時(shí)上面兩層還沒有完全解體，爆堆高度為14.2m，側(cè)沖寬度為4.2m，從起爆開始到形成爆堆所用時(shí)間為4.0s。

3.3三種方案對(duì)比

從傾斜角度看，方案一、二比方案三傾斜角度大；從爆堆大小看，三個(gè)的爆堆高度分別為9.3，9.8，13.1m，且方案三最后并沒有完全解體；方案一比方案二的爆堆高度小，更為合理。且方案一和方案二的爆破切口高度分別為122.5m和123.1m，方案一比方案二需要爆破的高度小，實(shí)際工程中可節(jié)省炸藥及人工材料，具有經(jīng)濟(jì)效益。因此方案一最為合適。

3.4模擬與工程實(shí)際對(duì)比

爆堆情況如圖9所示。

圖9　爆破效果Fig.9　Blasting effect

爆堆的大小主要通過建筑物在倒塌過程中發(fā)生的前沖、后沖、側(cè)沖所產(chǎn)生的距離以及爆堆高度四個(gè)因素來確定。爆堆的實(shí)際參數(shù)和模擬爆堆尺寸參數(shù)如表4所示。

表4　爆堆尺寸參數(shù)對(duì)比

從表4可以看出，實(shí)際結(jié)果和模擬結(jié)果的前沖、后沖、側(cè)沖相差很小，誤差都在10%以內(nèi)，時(shí)間的誤差在4.4%，這是因?yàn)楸敬文M采用關(guān)鍵字*MAT_ADD_EROSION來定義每段切口消失時(shí)間，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)設(shè)時(shí)間時(shí)，被定義的立柱被瞬間刪除，但實(shí)際中爆破立柱至立柱破壞仍需時(shí)間，因此產(chǎn)生微小的時(shí)間誤差。爆堆高度比實(shí)際要小16.9%，爆堆誤差的產(chǎn)生原因是：實(shí)際的建筑物在爆破前雖然進(jìn)行了預(yù)處理，但是仍然保留部分墻體，而模型中只有框架結(jié)構(gòu)，并沒有模擬墻體部分；采用等效強(qiáng)度的各向同性雙線性硬化材料來模擬鋼混結(jié)構(gòu)，在實(shí)際建筑物中，鋼筋對(duì)混凝土有一定的錨固作用，所以在建筑物傾倒解體過程中不會(huì)像模擬解體的徹底。此次模擬與實(shí)際的誤差在工程允許范圍內(nèi)，可證明此次采用LS-DYNA軟件進(jìn)行的數(shù)值模擬是成功的。

4結(jié)語

(1)三種爆破方案的模擬分析說明，采用ANSYS/LS-DYNA軟件可減小拆除爆破方案設(shè)計(jì)的難度，簡化設(shè)計(jì)流程，并增加設(shè)計(jì)的直觀性和可靠性。

(2)對(duì)實(shí)際結(jié)果和方案一模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)際倒塌方向與模擬結(jié)果相符，且爆堆參數(shù)及倒塌時(shí)間的誤差均在工程允許范圍內(nèi)，說明采用ANSYS/LS-DYNA軟件可以很好的模擬拆除爆破過程并預(yù)測拆除爆破結(jié)果。

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〔9〕LivermoreSoftwareTechnologyCorporation.LS-DYNAuser'smanualversion970[Z].LivermoreSoftwareTechnologyCorporation,2003.

文章編號(hào)：1006-7051(2016)03-0048-06

收稿日期：2016-01-11

作者簡介：費(fèi)鴻祿(1963-)，男，博士、教授、博士生導(dǎo)師，從事工程爆破和地下工程方面的科研與教學(xué)工作。E-mail： feihonglu@163.com

中圖分類號(hào)：TD235.4+7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.03.010

Numericalsimulationofblastingdemolitionof10-storeyframestructurebuilding

FEIHong-lu1，LIUMeng1，ZHANGYu-ying1，QUGuang-jian2，ZHANGJian-ping3，ZHONGMing-shou4

(1.InstituteofEngineeringBlasting,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,Liaoning,China；2.GuangdongZhongrenEnterprise(Group)Co.,Ltd.,Guangzhou510515,China；3.InnerMongoliaHongdaBlastingEngineeringCo.,Ltd.,Baotou014030,InnerMongolia,China；4.CollegeofFieldEngineering,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China)

ABSTRACT：Taking Shenyang east power hospital department(south) of blasting demolition project as an example, the LS-DYNA finite element software was used to simulate and analyze three kinds of design schemes of blasting demolition of the building according to the complex environment and specific situation. The schemes were compared and the optimum blasting demolition scheme by using half a trapezoid cuts and half a second delay detonator was obtained. According to the scheme,the demolition blasting construction was carried out and the actual collapsed results were compared with the simulation results. The results showed error in size and shape of blasting muckpile were within 10%, error in the formation of the time was 4.4%. They were all within the allowed range of the project.

KEY WORDS:Frame structure； Blasting demolition； Numerical simulation； Scheme comparison； Blaiting muckpile