多截面承重立柱框架结构爆破拆除数值模拟研究.pdf

第38卷第1期 2021年3月 Vol. 38 No.l Mar. 2021 bMg d o i10.3963/j. issn . 1001 -487X. 2021.01.015 多截面承重立柱框架结构爆破拆除数值模拟研究* 高文乐*,李元振趙德龙，张泽华2 1.山东科技大学土木工程与建筑学院，青岛266590；2,中国石油大学华东储运与建筑工程学院，青岛266580 摘要为进一步研究多截面承重立柱框架结构爆破拆除倒塌过程以及分析该结构钢筋混凝土柱的受力 情况，利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件，建立共节点分离式钢筋混凝土框架结构模型，对框架结构爆破拆 除倒塌过程进行了数值模拟，并与工程实践进行比较。研究结果表明数值模拟得到的框架结构倒塌过程与 实际爆破的倒塌过程相一致，即分为爆破切口形成、半自由落体、切口闭合、触地解体四个阶段;半自由落体 结束后，立柱与地面碰撞,首先在第1层和第2层的立柱连接处形成了保证结构顺利倒塌的“塑性錢”；由于 钢筋的失效强度比混凝土高得多，与钢筋单元共节点的混凝土单元失效后，由钢筋独立支撑上部结构。 关键词框架结构楼房；分离式共节点；数值模拟；爆破拆除；钢筋混凝土柱 中图分类号TU746.5 文献标识码A 文章编号1001 -487X202101 -0093 - 07 Numerical Simulation on Blasting Demolition of Multi-section Load-bearing Column Frame Structure GAO Wen-le1 ,LI Yuan-zhen ,ZHAO De-lo ngl,ZHANG Ze-hua 1. Co l l ege o f Civil En gin eer in g a n d Ar c hit ec t u r e, Sha n d o n g Un iver sit y o f Sc ien c e a n d Tec hn o l o gy, Qin gd a o 266590, Chin a; 2. Co l l ege o f Pipel in e a n d Civil En gin eer in g, Chin a Un iver sit y o f Pet r o l eu mEa st Chin a ,Qin gd a o 266580,Chin a Abstract In order to further investigate the collapse process of the demolition blasting of a multi-section load bearing column frame structure and analyze the stress of the reinforced concrete columns of the structure, the AN SYS/LS-DYNA finite element software was used to establish a separated reinforced concrete frame structure model with joint nodes. The collapse process of demolition blasting was numerically simulated and compared with engineer ing practice. The results show that the collapse process of the frame structure obtained by numerical simulation is consistent with the engineering practice. That is, it is divided into four stages blasting incision ation, semi-free fall, incision closure, and touching ground. In the event of touching ground, a u plastic hinge“ is ed at the joints of the columns on the first and second floors to ensure the smooth collapse of the structure. Because the failure strength of the steel bar is much higher than that of concrete, the superstructure is independently supported by the steel bars after the concrete elements co-jointed with the steel bar elements fail. Key Words frame structure building ； separated joints ； numerical simulation ； blasting demolition ； reinforced concrete columns 收稿日期2020-ll-07 作者简介高文乐1966-，男，教授、硕士，主要从事岩土力学和爆 破安全技术的教学和科研工作，E-mail wenlegao 163. como 通讯作者李元振1992 -，男，硕士在读，主要从事岩土力学和爆 破安全技术的科研工作,E-mail614156847 qq. comD 基金项目国家自然科学基金51874189 由于钢筋混凝土框架酒店一般建于人口稠密地 区,周边环境复杂、保护对象多等因素构成了城市复 杂的建筑拆除环境，因此对爆破拆除提出了更高的 要求。以往主要通过工程经验进行建筑物爆破拆除 设计的方法已经不能满足工程实践快速发展的要 94爆破2021年3月 求，因此需要开展建筑物爆破拆除的数值模拟研究 来填补工程经验指导的不足。为此国内外学者开展 了框架结构建筑物爆破拆除过程的研究。言至信等 通过整体式建模和分离式建模与实际工程的对比发 现，分离式模型模拟的效果更贴近实际⑴；余德运 等分析了倒塌过程中钢筋混凝土支撑立柱内侧和外 侧的钢筋单元、混凝土单元的承载失效过程⑵；吴 建宇、贾永胜、谢先启、李清等利用ANSYS /LS-DY- NA有限元程序对楼房塌落过程进行了数值模 拟0创；王涛等对六层框架结构建筑在爆炸荷载下, 采用分离式共节点钢筋混凝土模型对爆破拆除过程 进行了数值模拟⑺。依托框架式酒店定向爆破拆 除工程，采用摄像技术对酒店失稳倒塌过程进行监 测,并对该酒店倒塌过程进行了数值模拟分析，以此 探究框架式酒店的倒塌过程以及后排立柱混凝土和 钢筋的受力情况，为类似框架结构的爆破拆除工程 提供一定的参考。 1工程概况 11周边环境 待拆除蓝天大酒店北侧75 m为长江路;东侧 113 m为珠江路;西南侧50 m为需要保留的平房, 南侧88 m为待拆除楼房；西侧距离二层锅炉房 15 m,距离办公楼30 m,周边环境见图lo 图1周边环境单位m Fig. 1 Surrounding environment unit m 12结构特点 蓝天大酒店主体结构8层（局部10层，层高 3.6 m） ,1层层高3.9 m,2〜8层层高3.6 m,框架结 构，高36.4叫东西长95. 3叫南北宽17.3叫建筑 面积13 000 m2o主体建筑物南侧东西两端各有 3层附楼，建筑物中间进出口位置有顶棚。建筑物 主体结构东西向共16排立柱，跨度为7. 8叫南北 向3排立柱，跨度为8.6 m,单层共计48根承重框架 立柱。立柱断面尺寸为0.7 m X0.7 m、0. 85 m X 0. 85 m 和 1.4 m X0. 675 m,梁断面尺寸为 0. 4 m X 0.4 m,楼板厚0.2 m。立柱分布图见图2。 D C B / 7.87.87.87.87.87.87.8r i3.9i3.9i 9 r i3.9i3.9i 7.8 丨「94叮丨匚 7.87.8 ■ ⑭④ 曲 ①〜⑯为立柱编号 图2立柱分布图（单位m） Fig. 2 Column distribution （ unit m） 第38卷第1期高文乐,李元振,赵德龙,等 多截面承重立柱框架结构爆破拆除数值模拟研究95 13爆破方案 根据待拆除酒店的特点，采用1〜3层各设立爆 破切口，形式为三角形（1层切口最大高度3. 9 m、 2层切口最大高度3. 6 m、3层切口最大高度 3.0 m）,爆破切口最大处10.5 mo对南侧第一排立 柱，在第4层立柱下部1.5 m进行减弱爆破。采用 由南向北依次爆破,第一排立柱瞬时起爆,第二排立 柱延时0.46 s起爆，第三排立柱延时0.燹s起爆。 各爆区立柱切口高度见图3所示。 倒塌方向 四层减弱爆破 图3爆破切口单位m Fig. 3 Blasting cut unit m 2有限元模型 2.1计算模型建立 海天大酒店有限元模型按照实际结构尺寸建 立,为了能够体现立柱受力及倒塌过程，采用分离式 共节点模型。梁、柱和地面采用SOLI D164单元，钢 筋采用Bea ml 61单元,板采用shel l l 63单元,六面体 映射网格划分。为保证计算准确将楼体的网格尺寸 设为0.2m,整个模型单元数为344 703。考虑到模 型复杂，在不影响计算精度的情况下对模型进行了 适当简化不考虑混凝土保护层的作用;不加入梁、 柱箍筋，但适当调高混凝土的强度;把上部墙体的重 量等效到混凝土板中;最后把地面设置成刚体。结 构实体与模型如图4所示。 1 1 il nn 图4结构实体与模型 Fig. 4 Structure entity and model 2.2材料及接触方式 混凝土和钢筋均采用塑性随动硬化材料,材料 的物理力学参数如表1所示。通过关键字* MAT_ ADD_EROSI ON控制建筑物爆破切口的形成，以及 在倒塌过程中混凝土材料的失效，钢筋失效通过定 义材料自带的FS参数控制。由于建筑物在倒塌过 程中的接触非常复杂，因此选用CONTACT_EROD- I NG_SI NGLE_SURFACE定义混凝土单元之间以及 混凝土单元和地面的接触;选用CONTACT_NODES _TO_SURFACE定义钢筋与地面的接触⑻卯，以防止 钢筋穿透地面。模拟时设定的材料的静摩擦系数和 动摩擦系数为0.6。 Ta bl e 1 Phy sic a l a n d mec ha n ic a l pa r a met er s o f ma t er ia l s 表1材料的物理力学参数 名称 密度/ kg ・ m-3 弹性模量/ GPa 泊松比 拉伸极限/ MPa 钢筋78502100.33.2X102 梁、柱2400300.25.2 板3400300.25.2 3数值模拟结果及分析 3.1倒塌过程 采用LS-Pr ePo st对数值模拟的结果进行后处 理,然后将1 s作为时间间隔对建筑物数值模拟与 实际爆破的倒塌过程进行截图处理并比较，最后以 建筑物最顶层触地破碎为结束时刻，模拟倒塌过程 和实际爆破倒塌过程分别如图5、图6所示。 96爆破2021年3月 0 s s t2 s t3 s t4- s t4.3 s 图6框架式酒店爆破拆除倒塌过程 Fig. 6 Collapse process of demolition of a framed hotel 由图5,图6可得,数值模拟的切口上部的倒塌 过程姿势与实际爆破的倒塌过程姿势高度一致。其 中，数值模拟的上部结构触地时间为4. 4 s ,实际爆 破的上部结构触地时间为4. 3 s ,模拟计算的效果理 想。说明采用分离式共节点模型与实际爆破拆除效 果能够紧密贴合,验证了爆破方案的合理性。根据 模拟计算与实际爆破的结果可把框架式酒店倒塌过 程分为切口形成阶段0. 2〜1.08 s 、半自由落体阶 段1.081.4 s 、切口闭合1.4-2.6 s 以及触地 解体2. 6〜4. 6 s 。这与崔晓荣通过摄影测量分析 的建筑物倒塌运动过程一致［⑹。为更好的分析建 筑物爆破倒塌的运动状态，选取建筑物顶端46943 号单元，作出竖向速度曲线图和竖向位移图曲线图， 分别见图7和图8O EHTS・unn、毬報叵翔 图7顶层单元竖向速度曲线图 Fig. 7 Vertical velocity curve of the top element EMUIUV叵翔 图8顶层单元竖向位移曲线 Fig. 8 Vertical displacement curve of the top element 从图7、图8可以看出结构在力二0. 6 s之前竖 向速度和竖向位移没有明显变化，基本以后两排立 柱做缓慢的定轴转动。从图7中可以看到在二 0.6 s左右时结构竖向塌落速度明显加快，此时与第 二排立柱爆破时间基本一致，说明此时，最后一排立 柱独立承担结构整体重力,结构发生屈曲，最后一排 立柱的应力达到材料屈服极限强度。在二1.08 s 时，最后一排爆破切口形成,结构进入下一阶段。 第二阶段为半自由落体阶段，在2 1.08 s最后 一排立柱与地面交界部分爆破拆除，整个爆破切口 爆破完毕,上部结构的重力由钢筋承担，由于钢筋受 压能力弱，钢筋很快被压曲，上部结构基本处于自由 落体阶段。半自由落体时间与切口高度相关，该框 架结构大楼的最后一排切口高度为0.4 m,根据AA二 很容易得到力二,计算0.28s。从 图像7中可以看出，在1.1 s左右结构的塌落速度 明显增快，力二1. 4 s左右竖向塌落速度达到最大, 1.4 s之后结构的塌落速度明显减小，从图8中可以 看出在1.4 s以后竖向位移缓慢增加,说明在1.4 s 结构最底层立柱与地面已经发生碰撞。从图7、图8 可以看出半自由落体时间大约为0. 32 s左右，比理 论时间多出0.04 s左右，是因为最后一排有钢筋受 力减缓了竖向塌落速度。 从2 1.4〜2.5 s时间内为切口闭合阶段，半自 由落体结束后，立柱与地面碰撞后，首先在第1层和 第2层立柱连接处，形成“塑性較”，上部结构在以 “塑性較”和上部结构与地面接触地方为轴做定轴 转动。由图5、图6可以看出,切口闭合阶段完成时 转角已经达到25。左右。由于结构前面没有柱的支 第38卷第1期高文乐,李元振,赵德龙,等 多截面承重立柱框架结构爆破拆除数值模拟研究97 撑,前方底层的梁和板首先开始触地,对上部结构有 较强的支撑作用。从图7、图8可见，由于支撑的出 现，在1.6 s结构整体塌落速度减慢,使结构下坐的 速度不断降低。从图7、图8可以看出在2.0〜2.5 s 时间内，塌落速度明显增加是因为支撑立柱在第1 层和第2层连接处已经发生破坏,倾倒力矩大于支 撑部破坏截面的抵抗弯矩，第1层支撑立柱被“折 断”，上部结构下落直至触地。 第四阶段是结构的触地解体阶段，从图5、图6 可以看出，在力二2. 5 s左右时上部结构与地面碰撞, 从图7、图8可以看，在力二2.5〜2.8 s时间内结构的 竖向塌落速度没有减慢，是由于对第4层进行减弱 爆破的作用使结构的整体刚度降低。当力二2. 8 s左 右时结构第5层与地接触，由于第4层冲击撞地消 耗了一部分能力，从图7可以看出第5层的塌落速 度减小。上部结构在前两层触地解体后梁、柱也发 生破坏作用整体刚度不断减小,使得结构的塌落速 度趋于稳定。随着塌落速度的稳定而结构的转动速 度不断增大，转角越来越大。从图7、图8可以看出 在t 4.6 s时顶部单元冲击撞地解体，整个倒塌过 程结束。 3.2支撑区立柱受力 为了研究立柱受力情况，在第三排立柱第1层 层底和第2层层底的柱内侧和外侧分别选取一个混 凝土单元，内侧单元为久外侧单元为〃。四个单元 点在结构爆破拆除倒塌过程中的压力时程曲线如图 9所示,负值代表受拉，正值代表受压。选取与上面 混凝土单元共节点的钢筋单元,内侧单元为A,外侧 单元为钢筋的应力时程曲线如图10所示，负值 代表受压，正值代表受拉。 a第三排立柱第1层混凝土压力-时间曲线 a Pressure-time curve of the first layer of concrete in the third row of columns b第三排立柱第2层混凝土压力-时间曲线 b Pressure-time curve of the second layer of concrete in the third row of columns 图9混凝土单元压力时程曲线 Fig. 9 Pressure time history curve of concrete element a第三排立柱第1层钢筋应力-时间曲线 a Stress-time curve of the first layer of steel bars in the third row of columns O O 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 - 1 1 2 - 1 1 2 _ _ _ _ _ _ 2 23 34 4 b第三排立柱第2层钢筋应力-时间曲线 b Stress-time curve of the first layer of steel bars in the third row of columns 图10钢筋单元应力时程曲线 Fig. 10 Stress-history curve of reinforced element 从图9（a）、（b）中可以看出，在20.3 s前，第 三排立柱都是受压的，在二0. 3〜0. 66 s之间 （0.66 s第二排立柱爆破拆除）第三排第1层立柱 混凝土外侧受压，压力在经过0.2 s的应力重分布 后逐渐增大，内侧由受压状态转为受拉状态;第2层 立柱的外侧受压,内侧在t 0.5 s左右由受压状态 变为受拉状态。原因是此时第一排立柱（0.2 s） 已起爆，根据压杆原理［⑴，悬臂部分的长度大于支 撑部分的长度，上部结构重心移出支撑区域,才会产 生结构受力方式的变化，来平衡重力产生的弯矩。 上部结构,特别是底层后两排立柱,发生微弱的平动 和转动。 在2 0.66 s后，中间排立柱已经爆破，第1层 底部外侧混凝土的压力有所减小,在经过0. 1 s左 右的时间压力又开始增大；内侧混凝土的拉力减小 较快，已达到受压状态，经过0. 1 s的受压状态后又 变为受拉状态;第2层立柱内侧混凝土单元的压力 经过0.2 s的稳定后急剧增大，外侧混凝土单元的 98爆破2021年3月 拉力较稳定。原因是在t 0.66s后,第二排立柱起 爆,上部结构的重力全部由最后一排立柱承担，使得 在0.66 0.8 s的时间内最后一排立柱的拉力急剧 减少，在经过0.2 s的应力重分布后混凝土的拉力 和压力都有所增大。 在t 1.08 s后,第三排立柱起爆后第1层底部 混凝土单元被删除，第2层立柱内侧混凝土单元受 压，外侧混凝土单元受拉。这是因为t l -08 s后, 第三排立柱起爆，上部结构整体下落,由于上部建筑 还具有质心的平移初速度和围绕质心的转动初速 度,混凝土柱触地后,混凝土柱支撑部受冲击反力作 用，第1层和第2层立柱连接处应力集中，形成“塑 性較”，这是保证结构顺利倒塌的关键。在此阶段, 第1层支撑立柱向设计倾倒方向的反向倾倒，即第 1层支撑立柱被“折断”;第2层支撑立柱由于上、下 两端与梁相连，保持结构的整体性。 从图10a ,b可以看出，由于钢筋和混凝土 共节点，在混凝土单元没有破坏之前钢筋和混凝土 共同受力，而钢筋单元的抗压拉强度远大于混凝 土的，混凝土单元受压拉破坏时，钢筋单元还没 有破坏，但与钢筋单元共结点的混凝土单元破坏删 除后，钢筋单元要独立支撑上部结构。在/ 1.08 s 时,爆破缺口形成，第三排立柱底部混凝土单元删 除，第1层底部钢筋受力明显增大，内侧钢筋单元由 受拉变为受压，外侧钢筋单元压力增加迅速;第2层 内侧钢筋受拉，外侧钢筋受压。这是因为在1.08 s 时，混凝土单元删除，钢筋独立支撑上部结构，所以 第1层底部钢筋由受拉状态变为受压状态。在/ 1.4s左右上部结构触地，第2层混凝土破坏，第2 层内侧钢筋由受拉变为受压，外侧由受压变为受拉。 这是由于在第1层和第2层连接处形成“塑性較”。 此时上部结构以“塑性较”为转轴做倒塌运动。在 后来钢筋单元并没有消除,而是在受拉与受压的状 态下不断交换。是因为钢筋在倒塌过程中受力复 杂，构件直接不断发生碰撞使得钢筋在受拉与受压 的状态下转变。 4结论 采用分离式共节点方法对钢筋混凝土结构进行 建模计算，通过对爆破拆除倒塌过程和支撑立柱受 力情况进行分析,得出如下结论 1分离式共节点模型能够有效地描述建构 筑物的倒塌过程以及倒塌过程中支撑立柱的力学特 征及响应,其模拟结果和实际效果极为接近。通过 对倒塌过程数值模拟分析可以得出此建筑物的倒塌 过程分为爆破切口形成阶段、自由落体阶段、切口闭 合阶段和触地解体阶段。从图5,图6可以看出，在 触地解体阶段由于没有对4层以上的梁、柱进行预 处理,且后排有两个大截面柱的支撑作用,使得上部 结构解体并不充分。而模拟中对结构进行了部分简 化，减弱了结构的整体的刚度，使得结构解体充分。 因此对于有大截面立柱支撑时除了保证有正确的爆 破切口外，还应该对上部结构的梁、柱进行减弱爆 破,才能确保楼房在倒塌过程中充分解体。 2 在上部结构整体下落后，由于上部建筑还 具有质心的平移初速度和围绕质心的转动初速度, 混凝土柱触地后,混凝土柱支撑部受冲击反力作用， 第1层和第2层立柱连接处应力集中，形成“塑性 饺”，这是保证结构顺利倒塌的关键。从图5,图6 可以看出建筑物在实际倾倒过程中产生明显后座, 是因为中间立柱截面尺寸较大爆破切口高度不大, 不易破碎，顶着上部结构向后移动。拆除爆破时，应 采用多个梯形组合的复合切口，这样可以满足多截 面承重立柱不同爆破切口高度的需要,从而可以防 止建筑物在倒塌过程中后坐现象的产生。 3 钢筋的失效强度比混凝土的高得多，与钢 筋单元共节点的混凝土单元失效后，由钢筋独立支 撑上部结构,钢筋在倒塌过程中没有达到屈服状态, 而是在受压与受拉的状态中不断转变，直到建筑的 倒塌结束。这与实际工程相符合，能够有效的反应 钢筋混凝土构件在爆破拆除时的破坏状态,从而可 以在爆破前进行数值模拟,指导施工。 参考文献References [1] 言志信，刘培林，叶振辉.框架剪力墙结构的定向爆破 倒塌过程[J] 爆炸与冲击,2011,316 647-652. 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