城市高层框架-筒体结构建筑物拆除数值模拟研究.pdf

第3 2 卷第2 期 2 0 1 5 年6 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．3 2N o ．2 J u n ．2 0 1 5 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 5 ．0 2 ．0 1 8 城市高层框架一简体结构建筑物拆除数值模拟研究 吴建宇，龙源，纪 十，宋克健，宋歌 解放军理工大学野战工程学院，南京2 1 0 0 0 7 摘要城市高层框架．筒体建筑大多处在建筑密集的场所，环境复杂，对爆破拆除提出很高要求。南昌五 湖大酒店拆除爆破的工程实例中，为减小楼房同时倒塌产生的振动危害效应，采用多段延时起爆技术，使楼 房分三段依次塌落。利用A N S Y S ／L S ．D Y N A 有限元程序对采取定向控制爆破的框架一筒体楼房塌落过程进 行了数值模拟，楼房实现了定向塌落，触地后发生纵向断裂和局部破碎，与实际爆破效果相符合数值模拟 方法对于分析建筑物的倒塌模型、预测倒塌过程以及更好的指导爆破拆除施工有较好的帮助，具有显著的工 程应用价值。 关键词数值模拟；拆除爆破；框筒结构；定向倒塌 中图分类号T U 7 4 6 ．5文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X f 2 0 1 5 0 2 0 0 9 5 0 5 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fE x p l o s i v eD e m o l i t i o no fU r b a n H i g h s t e e r e dF r a m e - t u b eS t r u c t u r e s W UJ i a n y u ，L O N GY u a n ，J lC h o n g ，S O N GK e - j i a n ，S O N GG e C o l l e g eo fF i e l dE n g i n e e r i n g ，P L AU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，N a n j i n g2 1 0 0 0 7 ，C h i n a A b s t r a c t T h eh i g h s t e e r e df r a m e ．t u b es t r u c t u r e sa r em o s t l yi np l a c e sw i t hah i g hd e n s i t yo fb u i l d i n g sa n dt o m p l e xc i r c u m s t a n c e ，S o ，t h e r ea r eh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o rt h ed e m o l i s h i n go fi t ．I nt h ec a s eo fN a n c h a n gW u h uh o t e l e x p l o s i v ed e m o l i t i o n ，i no r d e rt or e d u c et h ev i b r a t i o ne f f e c t ，t h ed e l a yi n i t i a t i o nt e c h n i q u ew a sa d o p t e dt om a k et h e h o t e lc o l l a p s e di ns e q u e n c ef o rt h r e es e c t i o n s ．T h eo r i e n t a t i o nc o l l a p s ep r o c e s sw a ss i m u l a t e db yu s i n gA N S Y S ／L S D Y N A ．T h eh o t e lc o l l a p s ei ns p e c i f i cd i r e c t i o na n dc r a c ki nl o n g i t u d i n a ld i r e c t i o na n db r e a ki nl o c a lp a r tw e r ei na e c o r d i n gt ot h ea c t u a lb l a s t i n ge f f e t e l yw e l l ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o ni su s e f u lt oa n a l y s i st h ec o l l a p s em o d e l ，f o r e c a s t i n g t h ec o l l a p s ep r o c e s sa n dg u i d i n ge n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，w h i c hi sv a l u a b l et oe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ． K e yw o r d s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；e x p l o s i v ed e m o l i t i o n ；f r a m e t u b e ；d i r e c t i o n a lb l a s t i n g 随着城市的改扩建，城市高层框架．筒体结构形 式的建筑物也逐渐进入到爆破拆除的领域中。和以 往框架、剪力墙结构建筑物相比⋯，“框架一筒体”结 构形式建筑物结构复杂，框架部分立柱尺寸较大，筒 体部分一般采用现浇钢筋混凝土或高强度的钢筋混 收稿日期2 0 1 5 0 3 一O l 作者简介吴建宇 1 9 9 2 一 ，男，常德人，硕士生，主要从事爆炸毁伤 效应研究， E - m a i l 1 1 1 3 5 8 6 6 4 3 q q ．c o r n 。 通讯作者龙源 1 9 5 8 一 ，男，宜宾人，教授、博士、博导，主要从事 爆炸力学、爆破地震效应及防护研究， E ．m a i l l o n g - y u a n s o h u ．c o m 。 凝土构件，其强度大，整体性好，使得爆破拆除难度 比一般形式的结构物要大，爆破技术要求相对更 古[ 2 ] 同 。 以框架．筒体爆破拆除工程为基础，利用A N ． S Y S ／L S ．D Y N A 有限元程序对采取分段爆破的框架一 简体塌落过程进行数值模拟’31 ，分析研究了结构物 塌落着地的过程及局部破碎情况并与实际爆破效果 进行比较，对研究框架- 筒体结构物的爆破拆除机理 具有一定参考价值。 万方数据 爆破2 0 1 5 年6 月 1 工程概况 五湖大酒店位于湖滨南路9 9 号，三面临湖，西 面为湖滨南路，主楼建筑面积约为2 ．8 1 万m 2 ，为钢 筋混凝土框架一简体结构，混凝土标号C 2 0 ～C 3 0 ，总 质量约4 00 0 0t 。平面呈环形布置，楼高8 5 ．7m ，共 2 2 层，第一层6 ．5m ，第2 层～3 层每层高4m ，第 4 层一2 0 层每层层高3 ．4m ，第2 l 层高3 ．9 5m ，第 2 2 层高4 ．0 5m ，外墙高5 ．4m ，3 个楼梯间和4 个电 梯井、所处位置如图l 所示。电梯问及楼梯间墙体 均为剪力墙。 羽1待拆除楼房平面结构示意图 F i g ．1 P l a n eg r a p ho ft h eb u i l d i n g 爆 ，爆破部位的装药采用半秒延期雷管起爆，总的 延期时间为1 ．5s 。为确保楼房形成足够的倾覆力 矩，按设计方向顺利倒塌，4 层以下立柱炸高设计为 3m 左右，后排立柱炸高适当减少，其中一层各排立 柱炸高取2 ．5m ，最后一排立柱炸高取1i n ，8 ～ 9 层、1 5 1 6 层每层各排柱炸高为1 ～1 ．5m ，使其 形成解体爆破区，便于楼房触地解体。解体爆破区 采取先上后下的爆破方式，即1 5 1 6 层先爆，8 ～ 9 层后爆。 - 1 b 第2 2 层 卫 旃2 1 膳 卫 灸} 1 一～一～～J ／ 一第1 6 层 I 爆破松散圈 第l5 层 至 - ～一～～一j 第9 层 爆破松散骂 r’帑叫；～一 上 型 、 第4 联 型 蜊 、稚 ，、． 惺 2 、S≥＼ 型 基 ii 、警 爆破切口妊 1 f ■ 图2 爆破切口示意图 单位I n F i g ．2 T h es k e t c ho fb l a s t i n gi n c i s i o n u n i t I T I 2 爆破方案 3 框一筒结构物塌落过程的数值模拟 根据待拆除的楼房结构尺寸、相对位置及其分 布、周围环境和建设单位对爆破施工的安全等要求， 确定整栋楼房采用控制爆破技术向西定向倒塌，由 于待爆破拆除的楼房西侧距湖滨南路楼房较近 约 2 5 0m ，为了减少爆破振动对周边房屋影响，将整 栋楼房分层、间隔爆破。 爆破的总体思路是对l ～4 、8 ～9 、1 5 1 6 层的 承重支柱及剪力墙墙体和支柱实施爆破，使楼房失 稳，分3 部分逐次塌落，并靠其自身的重力位能落地 坍塌解体 如图2 所示 ，然后再用机械法破碎 清渣。 爆破前用机械、人工的方法，预先将爆破切口范 围内的非承重剪力墙用机械切割预拆除，结合试爆， 对1 ～4 层及8 ～9 层的剪力墙进行预处理。为使爆 破能量逐次释放，且保证楼体的上部逐次落地，避免 同时落地带来的落地冲击，经过分析计算和综合考 虑，采用多段延时起爆技术 一次点火分段延时起 针对典型的城市高层“框架．简体”结构建筑物 拆除爆破进行数值模拟，就是按照特定的数学或物 理模型，利用计算机程序进行倒塌过程模拟的研究 方法。它应满足以下几个方面的要求可以描述框 架一筒体建筑物构件的局部破坏与整体结构的失稳； 可以预测爆破效果，包括爆堆形态、框架以及剪力墙 的破碎情况等；可以根据模拟结果优化爆破设计；模 拟和再现结构的倒塌过程。采用A N S Y S ／L S D Y N A 有限元程序进行楼房塌落过程的数值模拟。 3 ．1 模型简化 建模前首先考虑实际情况进行以下模型简化处 理‘4 ，5 。 1 忽略钢筋和混凝土这两种不同材料的力学 性能差异，采用混凝土一钢筋复合的本构关系，将两 种材料的性能经过矩阵计算分布于整个模型单元 中，且所有的单元是均匀、各向同性材料。 2 整个爆破拆除过程认为是楼房立柱和剪力 墙在炸药爆炸后失效，楼房在倾覆力矩作用下，定向 万方数据 第3 2 卷第2 期 吴建宇，龙源，纪冲，等城市高层框架．筒体结构建筑物拆除数值模拟研究 9 7 倾倒并触地解体，即不考虑炸药在爆炸时所产生的 冲击波对结构的影响和忽略爆炸时所产生的应力在 结构体内部扩散的“波效应”。 3 由于重点是对楼房塌落及解体过程进行研 究，故不考虑地面的冲击效应，视地面为刚性体，楼 房触地后地面不产生变形。 3 ．2 有限元模型 本构关系模型的选取对于数值模拟结果的准确 性起着至关重要的作用，应根据计算所针对的材料选 取合理的本构关系模型怕J 。在L S ．D Y N A 中C o n ． c r e t e D a m a g e 模型包含初始屈服面、残余强度面和极 限强度面，可以模拟软化面在极限强度面和残余强度 面之间以及后继屈服面在初始屈服面和极限强度面 之间的变化，与混凝土材料的变化过程较为贴近。故 混凝土材料模型就选用C o n c r e t e 。D a m a g e 模型。 根据南昌五湖大酒店的实际尺寸建立数值计算 模型。如图3 所示，为减少计算量，根据对称原则， 建立1 ／2 模型。选择8 节点六面实体单元S O L - I D l 6 4 分别对框架一筒体结构物及地面进行网格划 分，实体单元在L S D Y N A 程序k 文件中对应关键字 为木S E C T I O N S O L I D ，可以模拟混凝土材料的开裂 和压碎特征。 图3 楼房模型图 F i g ．3 T h eb u i l d i n gm o d e l 本次爆破对象为典型外部框架、内部筒体结构 建筑物，结构极为复杂。模型由框架立柱、楼板、梁 以及钢筋混凝土剪力墙组成。为了计算考虑，共划 分4 8 3 6 4 2 个单元，创建了1 0 个P A R T 如图4 所 示 。地面为刚体，设置固定约束。由于楼房倒塌 的接触类型比较复杂，在数值模拟过程中将接触类 型设置为自由单面接触“ j 。 由于数值模拟假设楼房是在立柱和承重剪力墙 失效后在重力作用下塌落，故不考虑炸药爆炸作用 下切口的形成过程，此外，楼房爆破前即存在预处理 后形成的切口，为了准确描述楼房单元的失效过程， 在前处理过程中，将失效单元定义为多个节点组通 过关键字木D E F I N E C U R V E 定义时程曲线，由关键 字术L O A D B O D Y 将重力载荷加至楼房单元，并用 单元失效关键字术M A T A D D E R O S I O N 实现等延 时依次起爆的效果。 匪 图4 楼房网格划分 F i g ．4T h em e s hg e n e r a t i o no ft h eb u i l d i n g 3 ．3 楼房定向倒塌过程的数值模拟 按照爆破设计方案中的顺序进行分段起爆，依次 定义各层各排立柱和剪力墙的起爆时间，到达预定时 间即将失效单元删除。图5 为楼房塌落过程的数值 模拟，图6 为实际塌落过程，整个过程持续4 ．3S 。 通过数值模拟结果与实际爆破效果对比可以看 出，立柱和剪力墙破坏以后，未爆区域发生倾斜、弯 折，楼房整体失稳，爆破切口出现闭合，楼房整体向西 倒塌。此外，楼房上部解体爆破区 8 、9 、1 5 、1 6 层 在 楼房触地之前即开始塌落，并在相邻楼层之间出现偏 移，一定程度上降低了楼房的整体强度；楼房在分段 塌落过程中受到弯力，剪力及触地撞击产生的冲击力 都会导致其局部范围内不同程度的破坏，这个过程在 数值模拟过程中也有所体现，如图7 所示；楼房触地 后，对地碰撞的冲击力使楼房纵向断裂和局部破碎， 楼房整体沿倒塌方向形成爆堆，图8 反映了数值模拟 和实爆情况下的爆堆形状。当地面被视为刚性体时， 楼房塌落过程中的下座过程被忽略，地面未出现变 形，楼房底层的部分节点单元受挤压发生失效变形并 被删除，一定程度上会减小触地倒塌的堆积范围 高 度，宽度 ，但由于爆堆的成形是楼房触地冲击和楼房 解体过程中内部结构相互作用的结果，在考虑工程实 际误差允许的前提下，由数值模拟和工程实际的对比 可以看出，数值计算结果能够较好地反映楼房的塌落 堆积效果，可用于工程实际。 4 结语 利用A N S Y S ／L S ．D Y N A 有限元程序对采取分段 爆破的框架一筒体塌落过程进行数值模拟，预测了楼 万方数据 爆破2 0 1 5 年6 月 房的定向塌落过程及触地后解体破碎的情况。可以 看出，数值模拟的结果与爆破的实际效果基本吻合， 说明了A N S Y S ／L S D Y N A 有限元程序对高层框架一 简体结构拆除爆破的数值模拟是非常有效的。在今 后的高层框筒建筑物拆除过程之前，可先通过数值 模拟方法预测爆破效果，对于确保工程质量，指导工 程实践都有重要意义。 图5楼房爆破拆除倒塌过程数值模拟 b T c T 3 图6楼房爆破拆除实际塌落过程 万方数据 第3 2 卷第2 期吴建字，龙源，纪冲，等城市高层框架一简体结构建筑物拆除数值模拟研究 9 9 b 图7 数值模拟的楼层局部破坏效果 F i g ．7 T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fp a r t i a lc r u s hs i t u a t i o n a 数值模拟 a N u m e r i c a lS i m u l a t i o n 参考文献 R e f e r e n c e s 图8 楼房塌落堆积效果 F i g ．8 T h ec o n g e r i e so ft h eb u i l d i n g 贾金河，于亚伦．爆破拆除框架结构建筑物的数值模 拟研究[ J ] ．爆破，1 9 9 9 ，1 6 2 2 5 2 9 ． J I AJ i n h e ．Y UY a ．1 u n ．S t u d yo nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n f o re x p l o s i v ed e m o l i t i o no ff r a m e w o r k [ J ] ．B l a s t i n g ，19 9 9 ， 1 6 2 2 5 - 2 9 ． i nC h i n e s e 杨年华，张志毅，邓志勇，等．复杂环境下高层框架楼 定向爆破拆除实例与分析[ J ] ．爆破器材，2 0 0 6 ， 3 5 6 3 0 - 3 2 ． Y A N GN i a n - h u a ，Z H A N GZ h i y i ，D E N GZ h i y o n g ，e ta 1 ． A ne x a m p l ea n a l y s i sf o rh i g hf r a m eb u i l d i n gd i r e c t i o n a l b l a s t i n gd e m o l i t i o n i nc o m p l e xc i r c u m s t a n c e [ J ] ．E x p l o s i r eM a t e r i a l s ，2 0 0 6 ，3 5 6 3 0 3 2 ． i nC h i n e s e 罗森源，严尔炳．高层建筑物分段倾倒的爆破拆除技 术[ J ] ．探矿工程，1 9 9 4 4 4 6 4 8 ． L U OM i a o y u a n ，Y A NE r b i n g ．H i s h s t e e r e db u i l d i n g b y s t a g e dt i l t i n go v e rb l a s t i n gd e m o h i o n [ J ] ．E x p l o r a t i o nE n g i n e e r i n g D r i l l i n g T u n n e l i n g ，1 9 9 4 4 4 6 4 8 ． i n C h i n e s e b 实际拍摄 b P h o t o g r a p h y 言志信，刘培林，叶振辉．框架一剪力墙结构建筑物定向 倒塌的研究[ J ] ．爆破，2 0 1 1 ，2 8 2 5 8 ． Y A NZ h i - x i n ，L I UP e i l i n ，Y EZ h e n h u i ．R e s e a r c ho no r i e n t a t i o nc o l l a p s eo ff r a m e s h e a rs t r u c t u r eb u i l d i n g [ J ] ． B l a s t i n g ，2 0 1 l ，2 8 2 5 8 ． i nC h i n e s e 杨国梁，杨军，姜琳琳．框一筒建筑物的折叠爆破拆除 [ J ] ．爆炸与冲击，2 0 0 9 ，4 7 3 8 0 - 3 8 4 ． Y A N GG u o l i a n g ，Y A N GJ u n ，J I A N GL i n l i n ．N u m e r i c a l s i m u l a t i o n so nf o l db l a s t i n gd e m o l i t i o no ff r a m e t u b e s t r u c t u r e s [ J ] ．E x p l o s i v ea n dS h o c kW a v e s ，2 0 0 9 ，4 7 3 8 0 3 8 4 ． i nC h i n e s e 宋歌，龙源，纪冲，等．城市高架桥爆破拆除数 值模拟研究[ J ] ．爆破，2 0 1 3 ，3 0 4 1 0 8 - 1 1 2 ． S O N GG e ，L O N GY u a n ，J IC h o n g ，e ta 1 ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o no fe x p l o s i v ed e m o l i t i o no fu r b a nv i a d u c t [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 3 ，3 0 4 1 0 8 1 1 2 ． i nC h i n e s e L i v e r r n o r eS o f t w a r eT e c h n o l o g yC o r p o r a t i o n ．L S D Y N AU s e r ’ SM a n u a lV e r s i o n9 7 0 [ M ] ．L i v e r m o r eS o f t w a r eT e c h n o l o g y C o r p o r a t i o n ，2 0 0 3 ． 1 j 1 J 1 J 1 j 1 J 1 J 1 J M H 瞪 陋 № ∞ 口 1 J 1J]J]J 1 J 1 ●J 1 1 2 2 3 3 r l r L r L r l r l r【 万方数据