框架结构建筑物拆除爆破模拟技术研究

摘 要：本文提出了采用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、堆积范围等问题进行预测或再现，有助于提高拆除爆破设计方案的安全性和可靠性。

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，采用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预测结构的倒塌过程，倒塌范围也仅能采用经验公式进行估算。在遇到结构复杂的建筑物或爆破方案较为复杂的情况时，工程经验及经验公式便难以满足需要。随着计算机技术的发展，采用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非常复杂的问题，必须依赖于的复杂的数值计算方法以及实验等其它非数值手段来解决。近年来国内外学者普遍采用的数值计算方法主要有理论力学法、有限单元法、DDA(Discontinuous Deformation Analysis)方法、离散单元法、个别元素法等，非数值计算方法主要有爆破专家系统等，取得了一些重要成果。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研究。

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能力，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衡系统转化为多刚体动力系统的过程，使采用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提供准确的依据，提高拆除爆破设计的可靠性和准确性。
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非常广泛。以多刚体动力学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若干刚体而成的树状结构，并自动形成系统的数学模型，运用计算机可视化技术对其求解结果进行可视化，以预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、形状、质心、位置、速度与角速度以及刚体间碰撞的能量损失率与摩擦系数等，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损失。该仿真技术采用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，结构失稳的主要原因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；建筑物爆破后不均匀下落中构件弯折拉压破坏；建筑物的触地冲击破坏。并且在拆除爆破中，采取的倒塌方式不同，构件的解体方式也不尽相同。如采用横向逐跨倒塌方式时，构件基本为受弯破坏，而采用竖向逐段解体时，主要是柱体的轴向冲击受压破坏。所以在建筑物爆破模拟过程中，需根据倒塌方式的不同确定不同的计算方案。
对于构件在倒塌过程中的破坏情况，可计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计算不同时段结构中的内力分布情况，依据以上的计算结果，判断结构中各构件的解体情况。对于建筑物的触地冲击解体，由于其力学本质非常复杂，目前没有成熟的理论计算方法。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研究。统计资料表明，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，若结构触地时达到了使其充分解体的速度则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堆积过程。
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；而未破坏的危险部位则用刚节点表示，若在后续时间里该部位转化为塑性铰，则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或构件落地速度达到其完全解体所需的速度时则可将约束删除，使其成为相互独立的刚体，如图2所示。

3.2 建筑物倒塌运动过程模拟

在承重部位起爆后，建筑物失稳，结构逐渐发生解体破坏，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，结构可抽象为由许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，而可采用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用多刚体运动学仿真系统来模拟。
结构开始倒塌时继承了失稳时的解体破坏形式，因此，在结构倒塌的动力学模型中应将结构初始失稳、破坏情况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，其中会伴随着碰撞造成的能量损失和混凝土破碎造成的能量损失，然而目前没有成熟的理论计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别是结构触地堆积时，动能基本损失殆尽，因此在模拟过程中设定垂直于接触面方向的动能损失率为90％～100％。

4、算例

4.1 工程概况

　　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×700mm，柱网布置见图3，楼房的立面图如图4所示。

4.2 爆破方案

由于周围环境及建筑物本身形状的限制，对该建筑物采用水平逐跨解体的爆破方案，结构的倒塌方向如图4所示。为了使结构失稳，需要自右向左依次爆破A～E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进行计算，以分析不同条件下结构的失稳、破坏、倒塌及堆积情况。

4.3 失稳及解体模拟

选择图4所示最右侧的一跨框架的一榀作为研究对象，研究其失稳破坏的条件。采用平面杆系有限元法计算发现，爆破高度为一层和两层时，结构中构件的可能破坏(弯矩超过其极限抵抗弯矩)情况基本相同，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。
必须指出的是，构件的内力达到其极限承载力时，并不一定发生破坏。实际上，梁柱节点中若梁首先发生了破坏则失去了将弯矩传递给柱的能力，从而保护了柱不受破坏；同样，若柱首先破坏也可保护梁不受破坏，表现出梁柱节点“自我保护”的特点。而哪种构件首先破坏取决于构件的受力情况以及其极限承载力，理论上讲，受力情况相对恶劣的构件应首先破坏。对该框架结构，主梁所受弯矩大于柱而其极限抗弯能力也明显低于柱应首先发生破坏从而保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况为模拟初始条件，对该框架结构的各拆除方案进行计算。计算结果显示：当爆破高度为一层时其触地速度约为6.5m/s，难以满足完全解体要求，此时可采用人工施爆以解除结构刚度，但势必增加工程量，并给爆破飞石的控制带来困难；而爆破高度取两层时其触地速度约为14m/s，可满足要求；排间的起爆时差为0.5s左右时，倒塌过程较为理想。下图为爆高为两层、排间起爆时差为0.5s时，结构倒塌过程的模拟。

...

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堆积大约需3.6s，爆堆高度约为5m，可达到原地坍塌的要求，倒塌及堆积过程也基本与实际现象一致。在模拟过程中发现，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选择是关系爆破是否成功的关键问题，必须从多个方面予以考虑。