框架結(jié)構(gòu)樓房?jī)?nèi)爆法爆破拆除數(shù)值模擬研究

蘇浩然

（中鐵港航局集團(tuán)有限公司，廣州510660）

框架結(jié)構(gòu)樓房?jī)?nèi)爆法爆破拆除數(shù)值模擬研究

蘇浩然

（中鐵港航局集團(tuán)有限公司，廣州510660）

通過(guò)運(yùn)用ANSYS軟件建立框架結(jié)構(gòu)樓房的模型，采用改變柱、梁材料屬性，結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)、拆除爆破、數(shù)值模擬理論，采用理論分析、工程案例、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究?jī)?nèi)爆法爆破拆除的機(jī)理、倒塌過(guò)程的數(shù)值模擬。致力于建立一套切實(shí)可行的建筑物內(nèi)爆法拆除爆破計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，并比較采用不同起爆方式后的框架結(jié)構(gòu)樓房倒塌效果，為理論研究的突破開辟一條新的途徑。

框架結(jié)構(gòu)；內(nèi)爆法；數(shù)值模擬

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.016

1 引言

內(nèi)爆法是利用少量的炸藥對(duì)建筑物的承重結(jié)構(gòu)造成一定的破壞，從而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)在重力的作用下完全倒塌的過(guò)程。因此內(nèi)爆法是一種較好的在擁擠城市中爆破拆除高樓等建筑物或構(gòu)筑物的手段。

2 研究?jī)?nèi)容及研究目標(biāo)

2.1 研究目標(biāo)

建立一套切實(shí)可行的框架結(jié)構(gòu)建筑物內(nèi)爆法拆除設(shè)計(jì)數(shù)值模擬，為內(nèi)爆法理論研究的突破開辟一條新的途徑。

2.2 主要研究?jī)?nèi)容

1）框架結(jié)構(gòu)內(nèi)爆法拆除設(shè)計(jì)基本原理；

2）框架結(jié)構(gòu)建筑物爆破拆除數(shù)值模型；

3）根據(jù)所建框架結(jié)構(gòu)建筑物模型進(jìn)行材料屬性的修改，最后在K文件里，修改材料轉(zhuǎn)化的時(shí)間間隔，得到最優(yōu)的間隔時(shí)間和起爆順序；

4）通過(guò)對(duì)不同爆破拆除方案數(shù)值模擬爆破倒塌效果的比較，得出框架結(jié)構(gòu)建筑物內(nèi)爆法拆除的最優(yōu)方案。

3 內(nèi)爆法拆除理論

內(nèi)爆法的主要原理是：運(yùn)用炸藥拆除建筑物的一些主要梁和柱，預(yù)處理電梯井和樓梯，讓被炸部分構(gòu)件下落，把下面的建筑結(jié)構(gòu)撞碎。炸藥只相當(dāng)于樓房倒塌的催化劑，起作用的實(shí)際上是建筑物的重力，坍塌部分帶動(dòng)未坍塌部分下落。實(shí)現(xiàn)一次內(nèi)爆拆除，炸藥對(duì)整個(gè)地板或墻壁的扭折、彎曲、傾倒有選擇性破壞或改變結(jié)構(gòu)支撐柱梁的作用。

3.1 內(nèi)爆法拆除方法

首先是建筑物的結(jié)構(gòu)物由超靜定體系至臨界狀態(tài)；其次建筑物結(jié)構(gòu)失穩(wěn)達(dá)到臨界狀態(tài)體系到幾何可變狀態(tài)。最后是結(jié)構(gòu)全部或部分懸空后，以一定的速度向下墜落的過(guò)程。

3.2 內(nèi)爆法拆除倒塌機(jī)理

3.2.1 內(nèi)爆法拆除結(jié)構(gòu)物的主要作用機(jī)理

1）扭折破壞機(jī)理，利用鋼筋混凝土材料的抗拉抗扭性能弱的特點(diǎn)，位于底部的爆破拆除樓層由于采用微差起爆，按照從左到右或者從中間向兩邊的方式，結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件逐漸減少且朝一個(gè)或幾個(gè)方向集中，梁樓板等水平構(gòu)件跨度逐漸加大而發(fā)生彎曲破壞。

2）破壞節(jié)點(diǎn)剛度，梁在豎向變形時(shí)導(dǎo)致承重構(gòu)件不再保持豎直狀態(tài)而是保持一定的傾角，從而大幅降低柱的承載能力。

3）沖擊破壞機(jī)理。一是結(jié)構(gòu)間的碰撞。二是結(jié)構(gòu)與地面的碰撞。重力勢(shì)能大部分轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，形成巨大的沖擊作用。

3.2.2 內(nèi)爆法的倒塌過(guò)程劃分為3個(gè)階段

結(jié)構(gòu)從超靜定體系至臨界狀態(tài)。臨界狀態(tài)體系到幾何可變狀態(tài)。幾何可變狀態(tài)向下沖擊與地面及本身相互碰撞過(guò)程。

3.2.3 內(nèi)爆法拆除特點(diǎn)

1）內(nèi)爆法拆除框架結(jié)構(gòu)建筑物不要求建筑物的重心移出其原有的支撐面。運(yùn)用內(nèi)爆法拆除高層建筑，建筑物的重心位置不必移出建筑物原有的支撐面，隨下部結(jié)構(gòu)的破壞，上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)碰撞從而達(dá)到破壞的效果[1]。

2）內(nèi)爆法拆除高層框架結(jié)構(gòu)建筑時(shí)不必保留定向傾倒時(shí)所必需的轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈。內(nèi)爆法設(shè)計(jì)過(guò)程中，不用顧忌整體結(jié)構(gòu)倒塌的定向傾倒的轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈問(wèn)題，就不會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)后坐和前沖現(xiàn)象。

3）構(gòu)件解體程度高。在起爆一定時(shí)刻后框架結(jié)構(gòu)建筑物的主體部分在很短的時(shí)間內(nèi)能處于懸空狀態(tài)，建筑物依靠自身的巨大重力向下塌落，并以一定的加速度向下加速塌落，最后建筑物的底部先與地面接觸發(fā)生強(qiáng)烈的擠壓碰撞，使建筑物的結(jié)構(gòu)發(fā)生大面積的解體破碎。這種擠壓不僅僅是地面和建筑物結(jié)構(gòu)的擠壓，更多的是結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間的擠壓破碎，使結(jié)構(gòu)的解體破壞程度加大。

4 框架結(jié)構(gòu)建筑物內(nèi)爆法設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬

1）模型的建立

建立一個(gè)18層的混凝土框架結(jié)構(gòu)，東西走向，高54m，寬16m，長(zhǎng)44m，層高3m，南北兩跨，東西五跨的框架結(jié)構(gòu)。

2）定義單元類型

運(yùn)用LS-DYNA軟件，選用柱和梁的單元類型為Beam161，板的單元類型Shell163，地面的單元類型為Solid164，柱、梁和板的材料選用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC的C40的混凝土參數(shù)，密度為2700kg/m3，彈性模量為3.2E10MPa，泊松比為0.22，屈服應(yīng)力為3E7MPa，剪切模量為3.2E8MPa。地面建模*MAT_RIGID的材料參數(shù)，密度為2400kg/m3，彈性模量為3.2E10MPa，泊松比為0.30，屈服應(yīng)力為3.2E8MPa，剪切模量為3.2E8MPa。

3）劃分網(wǎng)格單元

對(duì)建立好的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，柱截面單元尺寸為0.3m，梁截面單元尺寸為0.4m，板的面單元尺寸為0.4m×0.4m。

4）修改模型里的單元材料屬性

根據(jù)自己設(shè)計(jì)好的爆破方案對(duì)需要在不同樓層的柱進(jìn)行材料屬性進(jìn)行修改，根據(jù)不同的材料號(hào)，為后面進(jìn)行Part轉(zhuǎn)化服務(wù)。弱化的材料*MAT_PLASTIC_KINEMATIC參數(shù)為密度為240kg/m3，彈性模量為3.2E7MPa，泊松比為0.2。

5）編輯求解過(guò)程

在ANSYS建模頁(yè)面生成所有的Part，再設(shè)定好求解所用的時(shí)間分別為10s、12s2種情況。設(shè)定好求解步長(zhǎng)，選擇所要生成的途徑和類型，最后生成K文件。在生成的k文件里，用Ultra Edit文件編輯器對(duì)需要修改的Part部分增加一個(gè)Part轉(zhuǎn)換，通過(guò)運(yùn)用LS-DYNA設(shè)定一定的時(shí)間間隔對(duì)材料屬性進(jìn)行轉(zhuǎn)化來(lái)弱化材料，模擬炸藥對(duì)柱和梁材料的爆破過(guò)程。根據(jù)Part轉(zhuǎn)換讓不同的柱在設(shè)定的時(shí)間間隔轉(zhuǎn)化成剛體，再改變成彈塑性體，對(duì)地面施加邊界條件，再施加重力載荷，這樣在LS-DYNA Solver模塊里選擇K文件進(jìn)行求解，最后得出所要求的結(jié)果。

4.1 框架建筑物內(nèi)爆法拆除設(shè)計(jì)

1）爆破方案1：內(nèi)爆法1

此次內(nèi)爆法的拆除方案是建筑物由內(nèi)而外的輻射狀起爆，先由最中間的柱材料進(jìn)行弱化，通過(guò)同一層樓房不同柱0.5s延期弱化，由第1層到第3層0.3s延期弱化，讓框架結(jié)構(gòu)建筑物第1層中間先倒塌，在建筑物自身重力作用下，帶動(dòng)整個(gè)建筑物向內(nèi)倒塌，從而減少建筑物爆堆的占地面積，減少爆破時(shí)對(duì)周邊環(huán)境的不利影響。

2）爆破方案2：內(nèi)爆法2

通過(guò)對(duì)前面內(nèi)爆法拆除方案改進(jìn)，得到一個(gè)新的內(nèi)爆法拆除方案方案，此次方案由前面僅弱化第1層到第3層的柱，改為在弱化第1、2層1s后弱化3、4柱的材料，2.5s后弱化7、8層的柱的材料，3s后弱化11、12層柱的材料。這樣框架結(jié)構(gòu)樓房會(huì)在自身的重力作用下，發(fā)生與地面、梁柱間的擠壓破碎，使樓房結(jié)構(gòu)發(fā)生解體，達(dá)到更充分的破碎。為后面爆堆的清理工作帶來(lái)便利。

3）爆破方案3：定向倒塌

此次數(shù)值模擬采用A排柱的模擬起爆高度為9m，根據(jù)LSDYNA的特性，通過(guò)對(duì)A排柱材料屬性進(jìn)行轉(zhuǎn)化，讓其先發(fā)生倒塌。B排柱的模擬起爆高度為6m，間隔時(shí)間為0.5s,最后是對(duì)C排柱進(jìn)行松動(dòng)爆破，炸高可以很小，只需要選擇模型中一個(gè)很小的單元就行了。通過(guò)對(duì)模型生成的K文件參數(shù)進(jìn)行修改，就可以應(yīng)用LS-DYNA軟件進(jìn)行求解，達(dá)到生成倒塌動(dòng)畫的結(jié)果。

4）爆破方案4：逐跨倒塌

首先選擇A跨到F跨要弱化的1～3層的柱，修改柱的材料屬性，通過(guò)修改K文件中的Part轉(zhuǎn)化的時(shí)間，就可以通過(guò)求解得到建筑物的倒塌過(guò)程。

4.2 框架建筑物拆除爆破其他理論模型

1）定向倒塌

2）折疊倒塌

3）水平分段爆破

4）原地坍塌

4.3 框架結(jié)構(gòu)樓房?jī)?nèi)爆法拆除數(shù)值模擬

通過(guò)對(duì)不同爆破方案的比較，表1是4種爆破方案倒塌時(shí)間、爆堆高度和爆堆面積的比較。我們可以看到內(nèi)爆法拆除的框架結(jié)構(gòu)建筑物爆堆高度要比其他的方案小，結(jié)構(gòu)解體程度要好。但可能還是在建模中出現(xiàn)一些問(wèn)題，導(dǎo)致部分結(jié)構(gòu)的構(gòu)件飛出。

表1 4種爆破方案的比較圖

5 結(jié)論

在進(jìn)行建筑物內(nèi)爆法拆除方案設(shè)計(jì)前，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，選擇最優(yōu)爆破方案，保證施工，安全、有序地進(jìn)行。盡管國(guó)內(nèi)還很少采用這種拆除方案，但我相信在不久的將來(lái)，內(nèi)爆拆除將是國(guó)內(nèi)爆破方案的首選，越來(lái)越多的理論研究專家和工程技術(shù)人員將會(huì)從事對(duì)內(nèi)爆法力學(xué)，運(yùn)動(dòng)學(xué)，倒塌過(guò)程的分析，解開內(nèi)爆法的神秘面紗。

【1】黃士輝.城市高層建筑不同爆破拆除方式的探討[A].劉殿書.中國(guó)爆破新技術(shù)II[C].北京：冶金工業(yè)出版社，2008:118-200.

Numerical Simulation on Implosion Demolition of Frame Structure Buildings

SU Hao-ran
(China Railway Port and Channel Engineering Group Co.Ltd.,Guangzhou510660,China)

The paper aims to do a research in numerical simulation of principles and collapse process of implosion demolition.ANSYS software is used to establish a model of a framework structure building,and then we change the material properties of columns,beams,combined with structural mechanics, demolition blasting,numerical simulation theory,in the way of the oretical analysis,project cases,numerical simulation method.It is devoted to establish viable computer numerical simulation of implosion demolition.By comparing collapsed effects of different detonations to frame structure buildings,it offer anew way to the theoretical research breakthroughs of implosion demolition.

frame structure;implosion demolition;numerical simulation

O643.2+2

A

1007-9467（2016）08-0030-02

2016-07-27

蘇浩然（1987～），男，安徽淮南人，助理工程師，從事水下炸礁，礦山爆破等研究。