2022年框架结构建筑物拆除爆破模拟技术研究 .docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 框架结构建筑物拆除爆破 模拟技术讨论摘要：本文提出了采纳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、积累范畴等问题进行猜测或再现,有助于提高拆除爆破设计方案的安全性和牢靠性；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,采纳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猜测结构的倒塌过程,倒塌范畴也仅能采纳体会公式进行估算；在遇到结构复杂的建筑物

2、或爆破方案较为复杂的情况时,工程体会及体会公式便难以满意需要；随着 运算 机技术的 进展,采纳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特别复杂的问题,必需依名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 赖于的复杂的数值运算方法以及试验等其它非数值手段来解 决；近年来国内外学者普遍采纳的数值运算方法主要有 理 论 力学法、有限单元法、DDADiscontinuous Deformation Analysis 方法、离散单元法、个别元素法等,非数值运算方 法主要有爆破专家系统等,取得了一些重要成

3、果；本文尝试 运用有限单元法和多刚体动力学数值仿真方法相结合的数值 仿真技术对框架结构建筑物拆除爆破的模拟进行了 讨论 ； 2 有限元法与多刚体动力学仿真技术建筑物拆除爆破是通过破坏建筑物的关键承重部位使其失去承载才能,使建筑物在 自重作用下失稳倒塌,这个过程可视为结构由静力平稳系统 转化为多刚体动力系统的过程,使采纳多刚体动力学数值仿 真方法和平面杆系结构有限元法对建筑物爆破拆除过程的模拟成为可能,其仿真流程如图1 所示；平面杆系结构有限元法是建筑结构设计中应用最为广泛的一种方法；建筑物拆除爆破涉及的对象是建筑结构,因此在建筑物拆除爆破设计中,可以运用平面杆系结构有限元法,对拆除过程中不同阶

4、段的结构内力 轴力、剪力和弯矩进行 分析 ,以便为拆除爆破设计供应精确的依据,提高拆除爆破设计的牢靠性和精确 性；多刚体动力学是经典力学的基础上产生的新学科分支,在复杂机构的动力分析中的应用特别广泛；以多刚体动力学名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 为理论基础的数值仿真方法将现实世界中的复杂机构系统概 化为由约束机构联结如干刚体而成的树状结构,并自动形成 系统的数学模型,运用运算机可视化技术对其求解结果进行 可视化,以猜测或再现机构系统的运动过程；在该多刚体动力学仿真系统中可定义的刚体的质量、密 度、体积、外形、质心、

5、位置、速度与角速度以及刚体间碰 撞的能量缺失率与摩擦系数等,并且可以定义铰链等约束的 摩擦系数等以便模拟整个多刚体系统在倒塌运动过程中的能 量缺失；该仿真技术采纳较先进的变分方法建立刚体运动数 学模型,运用 Kutta-Merson 积分方法对其求解,可精确计 算刚体的运动路径和刚体间彼此的穿透和碰撞行为；3 建筑 物拆除爆破机理模拟 3.1 建筑物失稳及解体的模拟 在建筑 物拆除爆破中,结构失稳的主要缘由是关键承重部位的破 坏,相应的在模拟过程中将该被破坏部位从整个结构中予以 删除即可实现结构整体失稳条件的模拟；拆除爆破中建筑物的解体破坏分为三种方式：布孔施 爆；建筑物爆破后不匀称下落中构件

6、弯折拉压破坏；建筑物 的触地冲击破坏；并且在拆除爆破中,实行的倒塌方式不 同,构件的解体方式也不尽相同；如采纳横向逐跨倒塌方式 时,构件基本为受弯破坏,而采纳竖向逐段解体时,主要是名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 柱体的轴向冲击受压破坏；所以在建筑物爆破模拟过程中,需依据倒塌方式的不同确定不同的运算方案；对于构件在倒塌过程中的破坏情形,可运算结构中构件 的各项极限承载力,并运用平面杆系结构有限元法运算不同 时段结构中的内力分布情形,依据以上的运算结果,判定结 构中各构件的解体情形；对于建筑物的触地冲击解体,由于其力学

7、本质特别复杂,目前没有成熟的理论运算方法；庞维泰 【3】 等曾对低层建筑物拆除爆破中触地解体条件进行 了讨论；统计资料说明,要使建筑物落地后充分解体须有一定的落地速度；对预制件,砖结构,约为6m/s ；一般现制排架结构,约为8m/s ；刚架或较强的排架结构,须10m/s以上；实际模拟过程中,如结构触地时达到了使其充分解体 的速度就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积累过程；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；而未破坏的危急部位就用刚节点表示,如在后 续时间里该部位转化为塑性铰,就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

8、或构件落地速度达 到其完全解体所需的速度时就可将约束删除,使其成为相互名师归纳总结 独立的刚体,如图2 所示； 3.2 建筑物倒塌运动过程模拟在第 4 页,共 8 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 承重部位起爆后,建筑物失稳,结构逐步发生解体破坏,形 成一个由钢筋相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,结构可抽象为由很多刚体 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,而可采纳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纳多刚体运动学仿真系统来模拟；结构开头倒塌时继承了失稳时的解体破坏形式

9、,因此,在结构倒塌的动力学模型中应将结构初始失稳、破坏情形作 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,其中会相伴着碰撞造成的能量缺失和混 凝土破裂造成的能量缺失,然而目前没有成熟的理论运算方 法对其进行描述；从工程实际看,在建筑物的坍塌过程中混 凝土块体碰撞时特殊是结构触地积累时,动能基本缺失殆 尽,因此在模拟过程中设定垂直于接触面方向的动能缺失率为 90 100 ； 4 算例4.1 工程简况爆破拆除某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× ；7

10、00mm ,柱网布置见图 3,楼房的立面图如图 4 所示； 4.2 爆破方案由于四周环境及建筑物本身形状的限制,对该建筑物采纳水平逐跨解体的爆破方案,结构名师归纳总结 的倒塌方向如图4 所示；为了使结构失稳,需要自右向左依第 5 页,共 8 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 次爆破 AE 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进行运算,以分析不同条件下结构的失稳、破坏、倒塌及堆积情形； 4.3 失稳及解体模拟挑选图 4 所示最右侧的一跨框架的一榀作为讨论对象,讨论其失

11、稳破坏的条件；采纳平面 杆系有限元法运算发觉,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抗击弯矩情形基本相同,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；必需指出的是,构件的内力达到其极限承载力时,并不 肯定发生破坏；实际上,梁柱节点中如梁第一发生了破坏就 失去了将弯矩传递给柱的才能,从而爱护了柱不受破坏；同 样,如柱第一破坏也可爱护梁不受破坏,表现出梁柱节点“ 自我爱护 ” 的特点；而哪种构件第一破坏取决于构件的受力情形以及其极限承载力,理论上讲,受力情形相对恶劣的 构件应第一破坏；对该框架结构,主梁所受弯矩大于柱而其 极限抗弯才能也明显低于柱应第一发生破坏从而保

12、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形为模拟初始条件,对该框架结构的各拆除方案进行运算；运算结果显示：当爆破高度为一层时其触地速度约为6.5m/s ,难以满名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 足完全解体要求,此时可采纳人工施爆以解除结构刚度,但势必增加工程量,并给爆破飞石的掌握带来困难；而爆破高度取两层时其触地速度约为14m/s ,可满意要求；排间的起爆时差为 0.5s 左右时,倒塌过程较为抱负；下图为爆高为 两层、排间起爆时差为 0.5s 时,结

13、构倒塌过程的模拟；. . . t=0s t=0.5s t=1.0s t=1.5s. . . t=2.0s t=2.5s t=3.0s t=3.6s 图 6 结构倒塌过程模拟图模拟结果显示,整个结构从起爆到完全落地积累大约需3.6s ,爆堆高度约为5m ,可达到原地坍塌的要求,倒塌及积累过程也基本与实际现象一样；在模拟 过程中发觉,在实施水平逐段解体方案时,立柱爆破高度和 排间起爆时差的挑选是关系爆破是否胜利的关键问题,必需 从多个方面予以考虑；5 结论 本文的 讨论 成果说明,采纳 有限单元法和多刚体动力学数值仿真 方法 相结合拆除爆破 模拟技术,可以对框架结构的失稳、破坏、倒塌过程、积累范畴

14、等问题进行模拟猜测,可以通过对整个过程的模拟为爆破方案的挑选和优化供应依据,可有效的提高建筑物拆除 爆破设计的水平和牢靠性,具有较强的有用价值；但建筑物 拆除爆破中破坏、倒塌、积累过程是一个特别复杂的力学问 题,该模拟技术对其进行了很多简化处理,很多问题仍需进名师归纳总结 一步探讨；参考文献 ： 【1】王勖成,邵敏. 有限单元法基第 7 页,共 8 页本原理和数值方法M. 北京：清华高校出版社,1997 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 【2】洪嘉振 . 运算多体系统动力学M. 北京：高等教育 出版社, 1998 【3】庞维泰,杨人光,周家汉. 掌握爆破拆除建筑物的解体判据问题土岩爆破文集其次辑 M. 北京：冶金工业出版社, 1988 【4】龙驭球,包世华等 等训练出版社,l997 .结构力学教程 上M 北京：高【5】贾金河 ,于亚伦 . 应用有限元和 DDA 模拟框架结构建筑物拆除爆破 J.爆破 ,2001,181:27-30 【6】曹根顺 . 拆除爆破模拟技术的开发技术文集 J.19964 ：8089 .国外 现代 爆破【7】李承,顾样林,陈建兵 . 钢筋混凝土框架结构拆除爆破运算机仿真及存在的问题工程力学 J.1999,2a02：361 366 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 8 页