框架結構爆破倒塌的有限元仿真
（魯東大學土木工程學院 宮秀濱 264000)
(中冶建筑研究總院有限公司 北京 楊建國 金立贊 100088）
摘 要：本文利用ANSYS/LS-DYNA有限元程序，對一棟多層框架結構的爆破拆除過程進行了動態仿真，仿真計算結果與實際倒塌過程基本一致，說明了只要通過適當的選取計算參數和計算模型，可以通過有限元方法對這類復雜的倒塌破壞過程進行模擬分析和動態仿真，能夠做到對倒塌過程的定量分析，在優化爆破方案的同時降低了工程風險。(中冶建筑研究總院有限公司 北京 楊建國 金立贊 100088）
關鍵詞： 框架結構 爆破倒塌
DYNAMIC FINITE ELEMENT SIMULATION FOR THE BLASTING COLLAPSE OF FRAME STRUCTURE
Gong Xiubin，Yang Jianguo，Jin Lizan
（1 Ludong University,Shandong,264000. 2 Central Research Institute of Building And Construction, Mcc Group, Beijing, 100088）
Abstract: Simulation for the blasting demolish of RC frames was processed in this paper with the dynamic finite element software of ANSYS/LS-DYNA. The simulation was very close to the real condition, which means that using proper numerical model and parameters can simulate such complex problem as the collapse of RC frames, the quantitative analysis and optimization of the real blasting project.
Keywords: dynamic finite element, RC frames, blasting demolish, simulation
- 引言
結構模型計算
結構概況本次拆除的結構為一棟6層框架結構，南北長35.6m，東西寬15.3m，高22.6m，長寬比較大，建筑面積為3270m2（具體見結構平面圖1）。根據建筑的結構特點及周邊環境要求，該結構在倒塌的方位上面，只能確定為西側空地，因此采用“定向傾倒”的方式進行拆除，也就是通過爆破方式對結構底部形成預先設計的缺口，使結構在自重的作用下向預定方向傾倒、下落和散體。
計算采用美國ANSYS公司的ANSYS/LS-DYNA大型動力有限元程序對框架結構的倒塌過程進行動態仿真分析。
爆破缺口方案根據以往的工程經驗設計，為了保證結構能夠按照設計方向傾倒和上部結構在下墜過程的順利散體，需要對爆破缺口進行合理設計：為了能夠形成定向傾倒，首先要形成一個缺口，而至于房屋質量檢測，這就需要對缺口內的結構柱依據不同高度在不同時段順序爆除，爆除間隔是500毫秒。
由于層高不高，在爆破缺口形狀上，選取三角形缺口（圖2）進行計算分析。
圖1 結構首層平面圖 圖2 三角形爆破缺口立面圖
Figure 1 1st floor plan of structure Figure 2 Elevation of triangular gap of blasting demolis
計算模型由于結構整體沿爆破缺口統一按照一個方向傾倒、下墜和散體，各榀框架破壞形式基本相同，為此，選取其中一榀框架，建立一個二維平面計算模型來模擬結構的整體倒塌過程是可行的，模型單元采用2Dsolid單元（如圖3所示）。
圖3 計算模型
計算模型采用整體式，即將鋼筋和混凝土看作一種混合材料考慮，不單獨考慮鋼筋和混凝土的影響；材料本構關系選用Material 3 Plastic Kinematic模型，材料密度取2700kg/m3，彈性模量為30GPa[3]，泊松比為0.20，屈服強度為30MPa，屈服后強化模量為0，考慮到材料破壞后鋼筋能夠增加混凝土材料的延性，材料的斷裂失效塑性變形樓板取0.40%，結構柱取0.5%。
由于倒塌分析本身非常復雜，因此，計算中選用LS-DYNA提供的Single Face Erosion接觸分析模型，該接觸模型可以自動搜索接觸面、判斷接觸并可以處理侵蝕、斷裂等復雜邊界變化情況。材料的摩擦系數統一設定為0.5。
對于爆破缺口爆炸的模擬分析，首先是只模擬計算炸藥爆炸后的倒塌過程，不對炸藥的爆炸過程模擬計算。其次是在爆炸時刻，通過“殺死”缺口內柱子單元來模擬柱子被爆除的效果。
計算結果
有限元計算模擬結果梯形缺口能夠形成較大下部空間，對結構的倒塌散體比較有利，其計算模擬結果如圖4所示。
（e）t=2.05s （f）t=2.81s
圖4 不同時刻結構倒塌計算仿真圖
Figure 4 blasting demolish simulation at different times
- 結構實際倒塌情況
Figure 5 picture of real structure collapse
- 結果分析對比
另外，從實際情況可以看出，結構的上部散體不夠充分，給后期拆除清理造成一定難度，從有限元模擬上我們也可以看到這一點，通過有限元計算可以看出，由于結構的層高較小，僅靠結構下座沖量來使上部結構散體不太現實，可以考慮增加上部結構的局部破壞來使結構倒塌充分。
- 結論
- 1由上述模擬圖形可以看出，從結構失穩到觸地堆積，這個過程和實際觀察到的結構倒塌過程基本吻合。
- 2從不同爆破缺口的模擬計算可以看出，爆破缺口的合理設計對結構的倒塌型式有著重要的影響，工程中必須根據現場需要以及建筑自身的結構特點來設計更加合理的爆破缺口。
滬公網安備 31011002002576號