复杂条件下的复杂结构爆破拆除

复杂条件下的复杂结构爆破拆除

1爆破设计的合理性目前，爆炸技术的应用已经深入到经济和建设的各个领域。提高废弃建筑（结构）爆炸拆除的安全性尤为重要。只有科学合理的爆炸设计方案，才能保证建筑物在某些方向上倒塌，保护周围建筑和设备的安全。爆破设计的合理性和爆破实施的安全性在实际爆破拆除之前是不可预见的。利用计算机模拟建筑物倒塌方向和距离、爆破后堆积物高度、触地振动、建筑物解体形式以及有害效应等,可对爆破设计参数进行再优化,并对设计结果进行进一步验证,是一种经济有效的方法。LS-DYNA是典型的结构非线性动力分析工具,能够模拟各种复杂几何非线性(大位移、大转动、大应变),特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸等非线性动力冲击问题。其出色的动力分析功能可以描述结构构件的局部破坏与整体结构失稳;预测爆破高度、前冲距离、后坐距离等爆破效果;模拟演示结构倒塌过程。2项目总结乌拉特前旗在房地产开发建设中,需要将原贵超羊绒衫厂办公楼拆除,为赶工期,决定采用爆破法快速拆除。2.1楼地面构造柱结构待爆楼房是一栋3层办公楼,长40m、宽8m、高11m,砖混结构,外墙厚37cm、内墙厚24cm,楼房布局为相对于中间楼梯间两侧对称。该楼共有构造柱32根,断面尺寸为24cm×24cm,配筋Ф12×4,2、3层楼由10个钢筋混凝土立柱代替外墙,立柱断面尺寸为40cm×40cm,配筋Ф16×6。在大跨度房间内,另有断面30cm×60cm、配筋Ф22×6的5道横梁和1道纵长梁,详细结构见图1。2.2南距红旗路5m待爆楼房东距居民平房1.8m,西距家电城20m,北距居民楼50m,南距红旗路25m,此路通向火车站,交通十分繁忙,马路对面为工商银行和中国人寿保险公司。施工要求不得破坏楼房周围的建筑物,特别是距东侧山墙1.8m的平房。周围环境如图2所示。3爆炸设计3.1挡墙排炮孔为保证坍塌彻底,在1、2层楼均布置炮孔,布孔范围见图3。楼房西段29m范围内,两层各布置1个三角形切口;北墙布置5排炮孔,炸高1.2m;南墙布置1排炮孔,此范围向北倾倒。楼房东段11m范围内,除山墙外,在1、2层楼所有内外墙体中均布置5排炮孔,炸高1.2m,山墙只在1楼底部布置1排炮孔,2楼在靠近山墙处1m范围内不布孔,此范围向西倾倒。爆破切口布置如图3所示。3.2单孔装药量q①24墙:孔距a=25cm,排距b=22cm,孔深L=15cm,单孔装药量q=20g。②37墙:孔距a=35cm,排距b=30cm,孔深L=22cm,单孔装药量q=30g。③角孔:孔深L=25cm,单孔装药量q=35g。④立柱(40cm×40cm):孔距a=30cm,孔深L=24cm,单孔装药量q=25g。⑤房梁:孔深L=45cm。3.3雷管段别分布为了使楼房按预定的方式倒塌,除需准确设计爆破切口外,设计合理的起爆顺序是另一个关键点。每个炮孔装1发半秒延时导爆管雷管,雷管段别分布见图4(虚线框为某段雷管的布置区域),每15～20个导爆管分为1簇,绑扎在两个电雷管上。最后将电雷管形成并串联电爆网路。3.4计算等效距离本工程在地表以上分散装药,且又采用分段延时起爆,经萨道夫斯基公式验算:v=k(Q1/3/R0)α式中:Q为最大一段齐爆药量,kg;R0为计算等效距离,m;k、α为与地震波传播地段的介质性质及距离有关的系数和指数。此处k取40,α取1.5,把Q=14.9kg、R0=21m代入公式得v=1.6cm/s,符合安全规程规定。虽然最近的平房离待爆楼房只有1.8m,由于采用分散装药、半秒延时起爆,因而爆破振动和空气冲击波不会对建筑物造成危害。临近马路一侧,在钢筋混凝土立柱的爆破部位用草帘遮挡爆破飞石。4数值模拟分析4.1爆破单元网格划分采用实体单元(SOLID164)建模并对其进行网格划分,选用双线性随动材料模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC,办公楼采用主应变失效准则,钢筋混凝土材料主要参数:密度2400kg/m3,弹性模量30GPa,泊松比0.2,失效应变0.025,屈服应力5.5MPa。利用*MAT_ADD_EROSION关键字将爆破切口单元在时间0.1s时从系统中自动删除,并对整个楼房施加重力加速度。楼房周围地面、建筑物都采用刚体单元建立长方体模型,建筑物作为参照物不需要进行分析,固定其所有平移及转动,采用SOLID164单元并进行网格划分。因地面情况较复杂,选取面-面自动接触算法中侵蚀接触来模拟楼房倒塌落地后与地面的相互作用,其模型如图5所示。4.2实际爆破效果分析本文研究的重点是炸药爆炸切口形成后建筑物在重力作用下的失稳、倒塌等过程,不考虑炸药爆炸的过程;作出以下假设:不考虑炸药产生的空气冲击波对结构的影响(用少量炸药使楼房失稳,楼房在自重的作用下倒塌),不考虑布置药包时的钻孔形式对构件的影响。图6为爆破切口高度1.2m条件下模拟的不同时刻办公楼倒塌过程。可以看出,办公楼在倒塌过程中保留部分未碰到平房,但是为了安全起见,施工时还是对其采取了一定的防护措施。图7为办公楼实际爆破效果与数值模拟的倒塌瞬间对比图。可以看出,实际爆破与数值模拟的楼房倾倒的方向以及折断的部位均十分吻合。选取爆破后3.67s时离办公楼最远的飞石在x、z方向的位移曲线及最高点在y方向的位移曲线来分析爆破结果(图8,图9),由图中可以看出,x方向最远飞石位移是10.5m,z方向最远飞石位移是13m,y方向最高节点位移是7.5m。由办公楼倾倒过程中楼体等效应力云图(图10)可以看出,在0.6s时楼房左侧顶层楼板11m处应力比较集中,说明该处所受应力较大,楼体发生折断现象。数值模拟结果与实际爆破效果比较见表1。从表1中可以看出,数值模拟过程和实际爆破效果符合的很好,因为在模拟中未考虑空气阻力等原因,数值模拟倒塌过程比实际倾倒过程用时稍短;楼房模拟触地破碎过程中,地基发生了少许穿透,部分楼体碎片穿入地中,这是由于模拟时地面网格划分没有楼房网格划分细腻,但并不影响模拟结果。5建立模型的功能通过对复杂环境下办公楼倒塌过程进行的数值模拟与工程实际结果对比可以看出,在爆破拆除建筑物前,利用相关计算机软件建立基