10层框架结构楼房爆破拆除的数值模拟

费鸿禄， 刘 梦， 张玉莹， 曲广建， 张建平， 钟明寿

(1. 辽宁工程技术大学 爆破技术研究院， 辽宁阜新 123000；2. 广东中人企业(集团)有限公司， 广州 510515；3. 内蒙古宏大爆破工程有限责任公司， 内蒙古包头 014030；4. 解放军理工大学 野战工程学院， 南京 210007)



10层框架结构楼房爆破拆除的数值模拟

费鸿禄1， 刘 梦1， 张玉莹1， 曲广建2， 张建平3， 钟明寿4

(1. 辽宁工程技术大学 爆破技术研究院， 辽宁阜新 123000；2. 广东中人企业(集团)有限公司， 广州 510515；3. 内蒙古宏大爆破工程有限责任公司， 内蒙古包头 014030；4. 解放军理工大学 野战工程学院， 南京 210007)

摘要：以沈阳东电医院住院部(南楼)爆破拆除工程为例，根据东电医院住院部复杂环境及其具体情况采用LS-DYNA有限元软件对建筑物爆破拆除三种设计方案进行模拟分析，并将方案比选，得出了采用半梯形切口、半秒延时雷管的最佳设计方案。按此方案进行了爆破拆除施工并将实际倒塌结果与模拟结果进行对比。结果表明，二者在爆堆的尺寸形状上的误差均在10%以内，形成时间的误差为4.4%，在工程允许范围内。

关键词：框架结构； 爆破拆除； 数值模拟； 方案比选； 爆堆

1引言

高层建筑物拆除的主要手段是爆破拆除〔1〕，爆破拆除前，首先需要进行爆破方案设计。爆破方案通常依据经验公式进行设计，但随着建筑物本身的结构、周围环境和周边安全问题逐渐复杂，拆除爆破方案的确定需要在传统经验的基础上进行更深入的研究〔2-4〕。计算机数值软件的快速发展为拆除爆破的进一步研究提供了新的方向，通过有限元软件ANSYS对拆除爆破进行数值模拟可以方便快速的优化设计爆破参数，已被较为广泛地应用〔5-6〕。然而，多数均只对有限元模拟和实际工程进行对比分析，并未对多种方案进行比选。本文以沈阳东电医院住院部(南楼)爆破拆除工程为例，首先根据现场的实际情况，决定倒塌方式；然后进行试爆和倾覆力矩计算，提出不同切口参数爆破方案，并分别对其进行模拟分析，选取最佳爆破设计方案；最后通过现场实际爆破倒塌情况和模拟情况对比，分析有限元模拟的实际工程价值。

2工程实例分析

2.1工程简介

沈阳东电医院位于沈阳市市中心，住院部南侧楼房待拆除(以下简称为住院楼)，周围环境见图1。

图1　周围环境示意图Fig.1　Schematic diagram of surrounding environment

按照技术要求以及现场的实际情况，最终选择向西纵向倒塌。

待拆住院楼楼层为10层，长47.1m、宽14.1 ～19.2m、高43m，钢筋混凝土框架结构，框架柱体结构尺寸一层为600mm×600mm，其余各层均为500mm×500mm。住院楼结构平面图见图2。

图2　住院楼框架结构平面图Fig.2　Plan of hospital department frame structure

2.2爆破参数的确定

为了验证爆破防护效果和炸药单耗选取是否准确，在待拆楼房中部的一个承重柱上进行试爆。选取图2中画圈部分进行试爆，均按上下两排布孔，其中一层立柱每排5个炮孔；二层及以上每排4个炮孔。实验参数见表1，试爆效果见图3。

表1　实验爆破参数

(a)600 mm×600 mm立柱The 600 mm×600 mm column

(b)500 mm×500 mm立柱The 500 mm × 500 mm column图3　试爆效果Fig.3　Effect of blasting test

由试爆效果可知，由于立柱配置双层钢筋和双层箍筋，爆破后立柱没有被充分破坏〔7〕。为了进一步破坏立柱，达到完全失稳爆破效果需要增大炸药单耗，考虑到立柱根部受固定端约束导致夹持作用大，立柱下端炮孔炸药单耗需适量增加。优化后的爆破参数见表2。

住院楼按总荷载P=7.74549×104kN，钢筋直径d=32 mm进行设计。承重立柱40个，每个立柱有12根钢筋。钢筋的截面惯性矩为：

(1)

式中：J为钢筋的截面惯性矩；d为钢筋直径。

则每根钢筋承受的极限载荷:

(2)

式中：弹性模量E=2×1011N/m2，求得J=5.1446×10-8m2，Pm=1.58512×102kN。住院楼立柱钢筋为480根，则每根钢筋承受的实际荷载为P2=P/480=1.6136438×102kN，由于每根钢筋承受的实际荷载均大于极限荷载，即Pm

h=K(B+hmin)

(3)

式中：K为经验系数，K=1.5 ～2.0，取2.0；B为立柱截面的最大边长，取0.6m。

为使住院楼失稳倒塌时形成较大的倾覆力矩，确保住院楼顺利倒塌，南侧墙体也需要破坏一定高度、可整体形成铰链式结构，使住院楼按预定的方向倒塌，并且尽量减少后坐。南侧立柱及需要形成铰支部位的破坏高度为hj=1.0×B=0.6 m。

表2　爆破参数

1.3爆破切口高度的确定

根据住院楼的结构形式，采用的爆破切口形式有三种:

方案一：采用半梯形切口，半秒延时雷管。

方案二：采用斜切形切口，半秒延时雷管。

方案三：采用斜切形切口，1/4s延时雷管。住院楼切口参数见图4。

图4　爆破切口Fig.4　Blasting cuts

3模拟结果与分析

3.1有限元模型建立

根据工程实际，按照1∶1的比例进行模型的构建。为了简化模型，不考虑墙体对结构的影响，主要由梁、柱、板以及地面构成整个模型，如图5所示。

图5　建筑物有限元模型Fig.5　LS-DYNA model of structure

整个楼房采用一个单元模型SOLID164，地面采用刚性材料，具体参数如表3所示。

表3　模型材料参数

在建筑物爆破拆除工程中，首先需破坏建筑物的部分承重立柱，使建筑物在重力作用下失稳，进而倒塌。在ANSYS/LS-DYNA中使用关键字*MAT_ADD_EROSION来控制材料的失效〔9〕；当爆破切口形成后，建筑物发生倾倒，建筑物发生解体，各部分发生断裂或破碎的界限通过定义失效应变来控制。本次模拟的失效应变为0.05，当建筑物单元的应变超过失效应变后被删除。

3.2模拟结果分析

图6为按照设计方案一对住院楼进行爆破拆除的数值模拟过程。

图6　方案一数值模拟结果Fig.6　Numerical simulation results of scheme 1

由模拟结果可以看出，当前两排承重柱消失后，应力分布发生了变化，最大应力分布在后排的承重柱上以及第二层楼板上，且第二层楼板产生了向下的位移。在切口完全形成之前，最大的应力分布主要是在没有承载柱支撑的楼板上，在重力作用下，楼板产生了明显的向下位移，直至落地产生破坏。在爆破切口形成之后，最大应力主要分布在建筑物的上部结构。在整个爆破过程中，建筑物发生倾倒的过程主要是在0 ～4s，爆破切口逐渐形成。爆破切口的产生使建筑物变成了悬臂梁结构，建筑物未破坏的立柱与地面的接触地形成了铰接点，在重力作用下，建筑物产生重力弯矩，发生定轴转动进而倾倒；在4s以后，建筑物几乎不发生倾斜，在重力和与地面的冲击力的作用下发生解体。6.5s时倒塌基本结束，形成爆堆。

图7为按照设计方案二对住院楼进行爆破拆除的数值模拟过程。

图7　方案二数值模拟结果Fig.7　Numerical simulation results of scheme 2

由模拟结果可以看出，当前两排立柱爆破后，最大应力主要分布在前面的立柱及没有立柱支撑的楼板上，当t=2s时，垂向的位移越来越大，切口即将闭合时，最大应力分布在与地面接触的楼板和立柱上。从4.2s开始，切口完全闭合，建筑物在重力和冲击力的作用下开始发生解体。6.4s时，解体完成，形成爆堆，爆堆高度为9.8m，前后冲10.2m，侧冲5.2m。从起爆到解体结束历时6.4s。

图8为按照设计方案三对住院楼进行爆破拆除的数值模拟过程。

图8　方案三数值模拟结果Fig.8　Numerical simulation results of scheme 3

由模拟结果可以看出，在0.75s时结构已经发生明显的倾斜，尤其是没有承重柱支撑的楼板已经发生倾斜塌落。由于方案三采用的是1/4s延时，在2s时切口已经完全形成，在2.65s时切口闭合，结构开始触地解体，4s时上面两层还没有完全解体，爆堆高度为14.2m，侧冲宽度为4.2m，从起爆开始到形成爆堆所用时间为4.0s。

3.3三种方案对比

从倾斜角度看，方案一、二比方案三倾斜角度大；从爆堆大小看，三个的爆堆高度分别为9.3，9.8，13.1m，且方案三最后并没有完全解体；方案一比方案二的爆堆高度小，更为合理。且方案一和方案二的爆破切口高度分别为122.5m和123.1m，方案一比方案二需要爆破的高度小，实际工程中可节省炸药及人工材料，具有经济效益。因此方案一最为合适。

3.4模拟与工程实际对比

爆堆情况如图9所示。

图9　爆破效果Fig.9　Blasting effect

爆堆的大小主要通过建筑物在倒塌过程中发生的前冲、后冲、侧冲所产生的距离以及爆堆高度四个因素来确定。爆堆的实际参数和模拟爆堆尺寸参数如表4所示。

表4　爆堆尺寸参数对比

从表4可以看出，实际结果和模拟结果的前冲、后冲、侧冲相差很小，误差都在10%以内，时间的误差在4.4%，这是因为本次模拟采用关键字*MAT_ADD_EROSION来定义每段切口消失时间，当到达预设时间时，被定义的立柱被瞬间删除，但实际中爆破立柱至立柱破坏仍需时间，因此产生微小的时间误差。爆堆高度比实际要小16.9%，爆堆误差的产生原因是：实际的建筑物在爆破前虽然进行了预处理，但是仍然保留部分墙体，而模型中只有框架结构，并没有模拟墙体部分；采用等效强度的各向同性双线性硬化材料来模拟钢混结构，在实际建筑物中，钢筋对混凝土有一定的锚固作用，所以在建筑物倾倒解体过程中不会像模拟解体的彻底。此次模拟与实际的误差在工程允许范围内，可证明此次采用LS-DYNA软件进行的数值模拟是成功的。

4结语

(1)三种爆破方案的模拟分析说明，采用ANSYS/LS-DYNA软件可减小拆除爆破方案设计的难度，简化设计流程，并增加设计的直观性和可靠性。

(2)对实际结果和方案一模拟结果进行对比发现，实际倒塌方向与模拟结果相符，且爆堆参数及倒塌时间的误差均在工程允许范围内，说明采用ANSYS/LS-DYNA软件可以很好的模拟拆除爆破过程并预测拆除爆破结果。

参考文献(References)：

〔1〕 金骥良. 高耸建(构)筑物双向折叠爆破的倾倒运动[J]. 工程爆破，2015,21(6):14-18.

JINJi-liang.Thetopplingmovementsoftoweringbulidingbytwo-directionfoldingblasting[J].EngineeringBlasting,2015,21(6):14-18.

〔2〕 言志信，刘培林，叶振辉. 框架剪力墙结构的定向爆破倒塌过程[J]. 爆炸与冲击,2011,31(6):647-652.

YANZhi-xin,LIUPei-lin,YEZhen-hui.Directionalblastingcollapseprocessofframe-shearwallstructure[J].ExplosionandShockWaves,2011,31(6):647-652.

〔3〕 徐鹏飞，张英才，贾海鹏，等. 复杂环境下15层框架楼房控制爆破拆除[J]. 工程爆破,2015,21(5):32-36.

XUPeng-fei,ZHANGYing-cai,JIAHai-peng,etal.Controlledblastingdemolitionof15-storyframebuildingincomplicatedenvironment[J].EngineeringBlasting,2015, 21(5):32-36.

〔4〕 徐天桂，张计璨，赵彭，等. 复杂环境下40m高楼房定向爆破拆除[J]. 工程爆破,2013,19(6):28-30.

XUTian-gui,ZHANGJi-can,ZHAOPeng,etal.Directionalblastingdemolitionofa40m-highbuildingincomplicatedenvironment[J].EngineeringBlasting, 2013,19(6):28-30.

〔5〕 杨阳，杨仁树，李清，等. 复杂环境下加固型抗震大楼爆破拆除及数值模拟预测[J]. 工程爆破,2015,21(4):24-28,68.

YANGYang,YANGRen-shu,LIQing,etal.Ruggedseismicbuildingdemolitionblastingundercomplicatedenvironmentanditsnumericalsimulationprediction[J].EngineeringBlasting,2015,21(4):24-28,68.

〔6〕 袁绍国,王润涛,张聪,等. 复杂环境下楼房倒塌过程的计算机模拟[J]. 工程爆破,2013,19(3):38-41.

YUANShao-guo,WANGRun-tao,ZHANGCong,etal.Computersimulationofcollapseprocessofbuildingincomplexenvironment[J].EngineeringBlasting, 2013,19(3):38-41.

〔7〕 费鸿禄，刘志东，戴明颖. 复杂环境下10层非对称框架结构楼房定向爆破拆除[J]. 爆破,2015,32(2):89-94.

FEIHong-lu,LIUZhi-dong,DAIMing-ying.Directionalexplosivedemolitionoften-storeydissymmetrybuildingincomplicatedsituation[J].Blasting,2015,32(2):89-94.

〔8〕 韩文红,田永良,齐世福,等. 复杂环境下八角高楼的爆破拆除[J]. 工程爆破,2011,17(2):45-48.

HANWen-hong,TIANYong-liang,QIShi-fu,etal.Blastingdemolitionofaneight-anglehighrisebuildingundercomplexenvironments[J].EngineeringBlasting,2011,17(2):45-48.

〔9〕LivermoreSoftwareTechnologyCorporation.LS-DYNAuser'smanualversion970[Z].LivermoreSoftwareTechnologyCorporation,2003.

文章编号：1006-7051(2016)03-0048-06

收稿日期：2016-01-11

作者简介：费鸿禄(1963-)，男，博士、教授、博士生导师，从事工程爆破和地下工程方面的科研与教学工作。E-mail： feihonglu@163.com

中图分类号：TD235.4+7

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.03.010

Numericalsimulationofblastingdemolitionof10-storeyframestructurebuilding

FEIHong-lu1，LIUMeng1，ZHANGYu-ying1，QUGuang-jian2，ZHANGJian-ping3，ZHONGMing-shou4

(1.InstituteofEngineeringBlasting,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,Liaoning,China；2.GuangdongZhongrenEnterprise(Group)Co.,Ltd.,Guangzhou510515,China；3.InnerMongoliaHongdaBlastingEngineeringCo.,Ltd.,Baotou014030,InnerMongolia,China；4.CollegeofFieldEngineering,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China)

ABSTRACT：Taking Shenyang east power hospital department(south) of blasting demolition project as an example, the LS-DYNA finite element software was used to simulate and analyze three kinds of design schemes of blasting demolition of the building according to the complex environment and specific situation. The schemes were compared and the optimum blasting demolition scheme by using half a trapezoid cuts and half a second delay detonator was obtained. According to the scheme,the demolition blasting construction was carried out and the actual collapsed results were compared with the simulation results. The results showed error in size and shape of blasting muckpile were within 10%, error in the formation of the time was 4.4%. They were all within the allowed range of the project.

KEY WORDS:Frame structure； Blasting demolition； Numerical simulation； Scheme comparison； Blaiting muckpile