结构(构筑)物拆除爆破倒塌的数值计算

韩秋善 陈安阳

文章摘要:拆除爆破中，结构物动态塌落过程的研究一般基于两种方法：一是简单的分析模拟；二是通过计算机进行详细的数值模拟。前者，是设计得对简单结构进行观察提供实际施爆方法，但并未包含才质和详细结构因素。后者，可通过结构材质、结构特性及其破坏准则等，按弹性分析一有限空位分析－结构失稳、破坏塌落全过程进行分析，实现爆破结果预示或再现结果。然而，数值方法的影响因素众多且多变，如何把握和评估诸因素，是数值方法可靠与否的
文章主题:结构物拆除 爆破 数值计算 构筑物拆除 倒塌

文章内容：1999年第14卷工程兵工程学院学报札第4期第84-89页@结构(构筑)物拆除爆破倒塌的数值计算3卜1茎塞匣赵跃堂(工程兵工程学院,南京,210007)了7摘要拆除爆破中,结构物动态塌落过程的研究—般基于两种方法:一是简易的分析模拟;二是通过计算机进行详细的数值模拟.前者,是设计者对简单结构进行观察提出实际施爆方法,但并未包台材质和详细结构因素.后者,可通过结构材质,结构特性及其破坏准则等,按弹性分析—有限变位分析—结构失稳,破坏塌落全过程进行分析,实现犀破结果预示或再现结果.然而,数值方法的影响因素众多且多变,如何把握和评估诸因素,是数值方法可靠与否的关键.本文将通过最近的数值分析模型算倒剖析.说明诸因素对计算结果的影响及各相关参数的选择方法.塑缝,墼分类号235.1.一0引言杓楫,倒蹋利用控制爆破拆除结构复杂的建筑物及高耸构筑物,是拆除工程中安全,快速,有效的方法.近二十年来,为使这种高效的方法有可靠的理论基础,人们从各个角度人手进行研究,取得了初步进展.其中,结构物拆除爆破倒塌过程的某些数值计算结果与实际工程有较好的吻合,但也不乏失败的例子.在某化工厂最近的一项工程实践中,由于爆破设计者对倒塌过程分析及计算模型选取的片面性,导致工程额外开支近6万元.该项工程为一钢筋混凝土框架结构爆破拆除,结构高2米,其侧向4米处有一中心仪器室及分析中心,室内有价值600万元的精密设备,质点震动速度不得超过2.4.爆破设计者针对该状况对结构的塌落按物理摆的运动(图1,式(1)),对塌落震动进行了计,计算结果为塌落震动引起的质点震动速度为3.1,不得不对部分设备拆运及精细防护,花费近6万元.然而,爆破时实际测震震速仅为1.74/.事后按较合理的参数及模型计算时,塌落震动引起的质点震动速度为2.05/,基本接近实测值.运动方程为收稿日期:1999-10-19图1框架结构倒塌过程受力分析示意图韩秋善,等的数值计算怃枷=.究其原因,笔者认为主要有以下两个方面:1)计算模型对结构破坏倒塌过程的特点及力学特征缺乏完整的描述;2)参数选择粗糟或不合理.要建立—个完整描述结构物破坏特征的计算模型,关键是要透彻地了解强动载亦即爆炸冲击荷载作用下结构破坏的机理,以及结构从受荷一弹性变形一屈服一弹塑性变形直至失稳倒塌的全过程.本文将以钢筋混凝土结构拆除爆破为例,说明计算前期的结构特性分析原理和计算过程中的参数选择方法.1倒塌过程分析结构物在爆炸荷载作用下的塌落过程,结构经历了弹性阶段,弹塑性有限变位段及结构破坏失稳阶段.因此,过程的分析也必须按弹性分析一有限变位塑性分析一结构失稳,破坏分析.在结构工程中,此过程分析也符合结构动力响应研究的三个必然发展阶段,前一阶段的最终结果即是后一阶段的初始条件.分析过程仍需注意以下几点:1)在弹塑性阶段,爆炸冲击荷载作为外界输入是结构承受的荷载,但当结构变位大于一定范围时,结构的状态以超越有限变位阶段,特别是结构的边界单元已破坏或失稳,结构与地面支座的联系已很弱,结构自重便成为使结构继续运动并破坏的主要因素.此时,结构的运动形式可能因来自未破坏单元的抵抗而改变,产生扭转或倾而不倒现象.典型的例子【]是英国的两幢21层钢筋混凝土框架结构楼房的爆破拆除,上部的11层扭转一个角度后,完好地坐在下部爆破碎渣之上.2)结构倒塌过程的计算是运动学一动力学问题,在求得每一时刻运动着的结构各部分所处的位置的同时,还必须求得每一时刻结构各单元的变形状态及内力分布.进而根据构件单元的本构模型确定单元剐度,作为下一时刻的计算依据.同时,根据构件的屈服,破坏准则,逐个找出破坏单元及结点的破坏类型,破坏单元释放出的等效结点力成为结构的荷载.3)对于常见的钢筋混凝土结构而言,即使在运动过程中某些单元已破坏,但各结构单元(包括破坏单元)仍以一定的形式相联系,这种运动实际上是一种关联体的运动,单元破坏并不意味着完全失去刚度.引言中所举实例的计算中,实际上也忽略了这一点.在对钢筋混凝土筒形构筑物【郫]如水塔,烟囱等作分析时,可将其作为一种特例进行分析和计算.4)对于钢筋混凝土框架结构物在塌落过程中,由于结构各部分在不同时刻触地,结构的支承条件始终在变化中.从以上分析可以看到,结构的倒塌分析比起结构的弹塑性动力反应分析要复杂得多,结构的弹塑性动力反应分析以结构破坏作为结束,而"结构破坏"只是指少数结构单元或结构得某些小区域的破坏并导致结构失稳或成为机构『5,但对于倒塌过程分析而言,结构的失稳仅仅是倒塌的开始.2钢筋混凝土筒形构筑物倒塌过程的数值模拟86工程兵工程学院学报1999,14(4)2.1运动方程钢筋混凝土筒形构筑物的拆除,通常采用底部切定向倾倒.此时,支承筒壁作为上部筒体的支座,支座成为大偏心受压构件.偏心距常规取值为4.这里以烟囱为例作具体受力特征分析如图2所示(图中为烟囱的等效高度).图2筒型构筑物倒塌简化计算模型烟囱绕支点的转动力矩由烟囱重力产生:=(导+)于是按刚体动力学有:,<>挈=9(导+8—,一(2)式中:^为预留支撑筒壁的塑性抵抗矩,在初始段存在,铰形成后为零;坼为风阻抵抗距;对坼项一般情况下在量级上与^,^,相比较小,因此,在无逆倒向大风影响下,可不考虑;为爆炸荷载产生的力矩;为单元体离切口上沿高度;为切处简体外径.2.2方程球解对于微分方程1)式,—个非常有效的方法是中心差分法..()亩[一.().(竹(3)§()=[()一20()+0()】(4)方程(3)及方程(4)的差分格式的误差属于酣阶,对我们研究的问题足够精度.通过方程(2)式在时刻的解,求得"即().将(3)式代人2)式可得:()_等柠+…())--_)埘(5)由于.,.,》都是已知的,由关系式(3)及(4)式便可求得:0一,()=0.()一△西()+6()(6)关于高耸筒形构筑物倒塌过程的数值计算目前已基本趋向完善,在此,不再赘述.下韩秋善,等:结构(构筑)物拆除爆破倒塌的数值计算87面将对钢筋混凝土框架结构在计算过程中的参数选择及计算中可能导致的错