框架结构建筑物拆除爆破模拟技术研究

Word版本，下载可自由编辑框架结构建筑物拆除爆破模拟技术研究下面是我给大家带来关于框架结构建造物拆除爆破模拟技术讨论，以供参考。

本文提出了采纳有限单元法和多刚体动力学数值仿真办法相结合的仿真技术对框架结构建造物拆除爆破举行模拟的办法。该技术可对结构的失稳、解体、崩塌运动过程、积累范围等问题举行预测或再现，有助于提升拆除爆破设计计划的平安性和牢靠性。

1引言

随着我国城市化进程的加快，采纳爆破办法迅速拆除建(构)筑物日益受到重视并被广泛采纳。然而在当前的爆破设计中，仍主要依赖工程师的工程阅历来预测结构的崩塌过程，崩塌范围也仅能采纳阅历公式举行估算。在碰到结构复杂的建造物或爆破计划较为复杂的状况时，工程阅历及阅历公式便难以满足需要。随着计算机技术的进展，采纳数值仿真的方式对建造物拆除爆破举行模拟已经可以实现。）

建造物拆除爆破的模拟是一个十分复杂的问题，必需依靠于的复杂的数值计算办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计算办法主要有理论力学法、有限单元法、DDA(DiscontinuousDeformationAnalysis)办法、离散单元法、个别元素法等，非数值计算办法主要有爆破专家系统等，取得了一些重要成绩。本文试试运用有限单元法和多刚体动力学数值仿真办法相结合的数值仿真技术对框架结构建造物拆除爆破的模拟举行了讨论。

2有限元法与多刚体动力学仿真技术

建造物拆除爆破是利用破坏建造物的关键承重部位使其失去承载能力，使建造物在自重作用下失稳崩塌，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，使采纳多刚体动力学数值仿真办法和平面杆系结构有限元法对建造物爆破拆除过程的模拟成为可能。

平面杆系结构有限元法是建造结构设计中应用最为广泛的一种办法。建造物拆除爆破涉及的对象是建造结构，因此在建造物拆除爆破设计中，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)举行分析，以便为拆除爆破设计提供精确     的依据，提升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十分广泛。以多刚体动力学为理论基础的数值仿真办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举行可视化，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、外形、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囫囵多刚体系统在崩塌运动过程中的能量损失。该仿真技术采纳较先进的变分办法建立刚体运动数学模型，运用Kutta-Merson积分办法对其求解，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建造物拆除爆破机理模拟

3.1建造物失稳及解体的模拟

在建造物拆除爆破中，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囫囵结构中予以删除即可实现结构整体失稳条件的模拟。

拆除爆破中建造物的解体破坏分为三种方式：布孔施爆；建造物爆破后不匀称下落中构件弯折拉压破坏；建造物的触地冲击破坏。并且在拆除爆破中，实行的崩塌方式不同，构件的解体方式也不尽相同。如采纳横向逐跨崩塌方式时，构件基本为受弯破坏，而采纳竖向逐段解体时，主要是柱体的轴向冲击受压破坏。所以在建造物爆破模拟过程中，需按照崩塌方式的不同确定不同的计算计划。

对于构件在崩塌过程中的破坏状况，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状况，依据以上的计算结果，推断结构中各构件的解体状况。对于建造物的触地冲击解体，因为其力学本质十分复杂，目前没有成熟的理论计算办法。庞维泰等曾对低层建造物拆除爆破中触地解体条件举行了讨论。统计资料表明，要使建造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；普通现制排架结构，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则用刚节点表示，若在后续时光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彻低解体所需的速度时则可将约束删除，使其成为互相自立的刚体。

3.2建造物崩塌运动过程模拟

在承重部位起爆后，建造物失稳，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，结构将发生崩塌、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。这个过程很难用延续介质力学来模拟，而可采纳多刚体运动学数值模拟技术举行描述，因此结构崩塌行为可采纳多刚体运动学仿真系统来模拟。

结构开头崩塌时继承了失稳时的解体破坏形式，因此，在结构崩塌的动力学模型中应将结构初始失稳、破坏状况作为崩塌运动模拟的初始条件。在崩塌运动过程中，势必会发生块体的互相碰撞，其中会陪同着碰撞造成的能量损失和混凝土破裂造成的能量损失，然而目前没有成熟的理论计算办法对其举行描述。从工程实际看，在建造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。

4.2爆破计划

因为周围环境及建造物本身外形的限制，对该建造物采纳水平逐跨解体的爆破计划，结构的崩塌方向。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，爆破高度分离取一层、两层，排间起爆时差分离取0.1s、0.3s、0.5s、0.7s、1.0s举行计算，以分析不同条件下结构的失稳、破坏、崩塌及积累状况。

4.3失稳及解体模拟

采纳平面杆系有限元法计算发觉，爆破高度为一层和两层时，结构中构件的可能破坏(弯矩超过其极限反抗弯矩)状况基本相同，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。

必需指出的是，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，从而庇护了柱不受破坏；同样，若柱首先破坏也可庇护梁不受破坏，表现出梁柱节点“自我庇护”的特点。而哪种构件首先破坏取决于构件的受力状况以及其极限承载力，理论上讲，受力状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显然低于柱应首先发生破坏从而保证柱体不会受弯破坏。

4.4崩塌过程模拟

以结构的失稳和初始破坏状况为模拟初始条件，对该框架结构的各拆除计划举行计算。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，难以满足彻低解体要求，此时可采纳人工施爆以解除结构刚度，但势必增强工程量，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，崩塌过程较为抱负。

模拟结果显示，囫囵结构从起爆到彻低落地积累大约需3.6s，爆堆高度约为5m，可达到原地坍塌的要求，崩塌及积累过程也基本与实际现象全都。在模拟过程中发觉，在实施水平逐段解体计划时，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。

结论

本文的讨论成绩表明，采纳有限单元法和多刚体动力学数值仿