基于离散单元法的群楼拆除爆破仿真模拟

张 伟

(1.山东交通学院 交通土建工程学院， 济南 250357； 2.山东省土木工程防灾减灾重点实验室， 山东 青岛 266590)

基于离散单元法的群楼拆除爆破仿真模拟

张 伟

(1.山东交通学院 交通土建工程学院， 济南 250357； 2.山东省土木工程防灾减灾重点实验室， 山东 青岛 266590)

基于青岛开发区一商场爆破工程，利用颗粒离散元法建立离散元网格实体模型，用多面体离散元法模拟分析拆除爆破中建筑物的倒塌过程。研发的网格实体模型详细模拟了建筑物从结构局部失稳到整体完全倒塌的整个过程，确定了爆堆轮廓线和爆堆尺寸，直观给出了爆破设计的效果。触地振动、冲击力变化分析结果表明：所给出的爆破方案可达到预期拆除爆破的效果，触地振动符合《爆破安全规程》要求；该模型可优化爆破设计，指导爆破施工，为建筑物拆除爆破的灾害预测与安全评估提供理论依据。

拆除爆破；网格实体模型；离散单元法；爆堆轮廓；触地振动；仿真模拟

1 引言

目前，随着城市中大量基础建设的增加，为节约用地和减少经济成本，对原有建筑物进行拆除的越来越多。拆除爆破由于其高效、快速等优点，已经被应用到经济建设的多个领域中。由于绝大多数的拆除爆破均在城市密集区进行，爆破效果和爆破危害直接影响爆区周围居民的生命财产，关系到爆破工程能否安全顺利进行。鉴于此，利用先进的计算机模拟技术，在拆除爆破施工前，对爆破进行仿真模拟，将建筑物从局部构件开裂到整座建筑物倒塌的过程模拟出来，利用模拟的信息优化爆破设计，具有重要的工程应用价值。

由于建筑物结构形式的多样性、炸药爆轰的复杂性与结构倒塌的多变性等因素，给拆除爆破预测与控制的研究带来了许多困难。目前，拆除爆破的理论研究还不能满足工程实践的需要。早期，爆破工作者主要是通过实验或简化的解析分析对结构的失稳判据进行研究。近年来，爆破工作者在拆除爆破技术方面做了大量工作，通过计算机仿真分析来优化选择设计参数并对设计结果进行验证已成为共识。北京矿冶研究总院〔1〕将VCR采矿法、现场实验与计算机技术有机结合，开发出地下矿山VCR爆破凿岩计算机模拟模型。贾金河等〔2-3〕，王建宙等〔4〕，赵根等〔5-6〕基于具体工程，运用非连续变形分析法(Discontinous Dfeormation Analysis )对建筑物的爆破倒塌过程进行模拟。

对拆除爆破进行计算机数值模拟，首先按照特定的数学或物理模型，然后需要满足以下四个方面的要求〔7〕：①可描述结构构件的局部破坏与整体结构的失稳；②可预测拆除爆破的块度分布、爆堆形态(包括爆堆高度、前冲距离、后座距离)等爆破效果；③可根据模拟结果优化爆破设计；④可预测结构整个倒塌过程等。

基于青岛开发区一商场群楼拆除爆破工程，首先利用颗粒离散元法建立离散元网格实体模型，然后采用多面体离散元法对群楼拆除爆破的倒塌过程进行仿真模拟，预测该群楼的失稳倒塌过程，爆堆形态及范围。该方法可为建筑物拆除爆破的灾害预测及安全评估技术研究提供理论依据。

2 倒塌过程的数值模拟

采用离散元法建立网格实体模型。网格实体模型的作用原理：用多面体将研究对象离散，每个块体单元的相邻单元通过接触发现算法来确定，在所有相邻单元间施加梁(见图1～图2)。通过块体之间 “梁”的变化过程(即从梁的变形到梁的消失)，来描述建筑物倒塌的整个过程。

图1 两个接触中的颗粒单元 (以多边形单元为例)Fig.1 Two contact particle elements (taking polygon unit as an example)

图2 介质中的“梁”网络 以多边形单元为例)Fig.2 The “beam”network in medium (taking polygon unit as an example)

2.1 模型的建立

模拟所需及计算控制的主要参数如表1所示。

表1 模拟所需主要参数及计算控制主要参数

数值模拟前，首先计算各单元在自重作用下达到平衡的过程，计算结果如图3所示。

图3 单元在自重作用下达到平衡状态时的应力分布Fig.3 Stress distribution at the state of equilibrium under its own weight

2.2 倒塌过程模拟结果

模拟结果主要为结构倒塌过程(位移变化过程)、结构在地面投影轮廓范围、单元受力的变化过程，在每个输出步长，分别输出相应数据文件，经后处理模块加工后生成图片(见图4)。

图4 群楼拆除爆破结构倒塌过程的网格实体模型模拟结果Fig.4 Solid lattice model simulation of group buildings in collapsing process

应用该自行研发的网格实体模型程序，确定了爆堆轮廓线和爆堆尺寸，直观给出了该次爆破设计的效果，详细描绘了该群楼从结构局部失稳到整体完全倒塌的整个过程(见图5)。

图5 爆堆轮廓Fig.5 Blasting muck pile profile

3 触地冲击与振动模拟

拆除工程中，建筑物倒塌堆积在地基地面的过程中，会产生动力冲击响应，该响应的大小与建筑物高度、倒塌物重量、地基的软硬程度、冲击时间等密切相关。

为进一步研究建筑物拆除过程中可能造成的冲击振动，在该群楼倒塌方向设置一监测剖面(见图6)，在地表布设了12个数值测试点(间距10 m)，并在可能产生的最大振动速度处自上而下每4 m布设一个测点，以分析地面不同深度所承受的冲击力(见图7)。

图6 监测剖面位置Fig.6 Monitoring section location

模拟结果表明，1～2点间主要受主楼拆除爆破倒塌的影响，其竖向振动速度为4～5 cm/s。3点区位置受楼房拆除倒塌旋转落点的影响，在地面可能产生24 cm/s的局部振动速度，而4～6点区主要受局部倒塌物撞击影响，振动速度为1～2 cm/s。在3号楼倒塌前方的测点，由于受拆除倒塌多阶段影响，其振动持续时间较长，尤其是主楼顶部坠落时，容易产生较大的冲击力，导致岩土地面产生超过30 cm/s的振动速度。但岩土介质中的振动速度，随着深度衰减剧烈，8点振动速度为18 cm/s，在地下4 m处，已经衰减为3.8 cm/s，其下各点类同，已经处于弹性波的范围。根据8、13、14点的竖向应力时程(见图8)，楼房拆除过程中产生的最大冲击力振幅约在20 kPa，发生于地表单元(单元中心距地面0.5 m)，振幅自上而下逐步衰减。

图7 数值计算中的振动监测点位置Fig.7 Vibration monitoring location of numerical calculation

图8 部分测点位置的竖向应力变化Fig.8 Vertical stress changes of some measuring points

4 仿真模拟与实际爆破效果对比

青岛开发区一商场爆破拆除的瞬间过程和实际爆堆情况如图9所示。

图9 爆破效果Fig.9 Blasting effect

由图5和图9可以发现，仿真模拟结果与实际工程拆除爆破效果很接近，相似度很高，并且仿真模拟程序描述了该群楼从结构局部失稳到整体完全倒塌的整个过程。

5 结论

(1)使用的颗粒离散元方法可模拟大变形，不受变形量的限制，在研究拆除爆破方面可综合考虑各方面因素，具有特殊优势。

(2)网格实体模型程序详细模拟了建筑物从结构局部失稳到整体完全倒塌的整个过程，确定了爆堆轮廓线和爆堆尺寸，直观给出了爆破设计的效果，克服了使用有限元法分析时无法模拟材料破坏后碎块的运动状态。

(3)触地振动、冲击力变化分析结果表明：所给出的爆破方案可以达到预期拆除爆破效果。

(4)基于离散元框架的网格实体模型程序可优化爆破设计，指导爆破施工，为建筑物拆除爆破的灾害预测与安全评估提供理论依据。

〔1〕 张云鹏,于亚伦. 计算机模拟爆破发展综述[J].中国矿业, 1995, 4(5):69-73.

ZHANG Yun-peng, YU Ya-lun. Development of computer simulation on blasting[J]. China Mining, 1995, 4(5):69-73.

〔2〕 贾金河,于亚伦. 应用有限元和DDA模拟框架结构建筑物拆除爆破[J]. 爆破, 2001, 18(1):27-30.

JIA Jin-he, YU Ya-lun. Application of finite element and DDA simulation for demolition blasting on framework building[J]. Blasting, 2001, 18(1): 27-30.

〔3〕 贾金河,于亚伦. 建筑物拆除爆破数值模拟方法的研究[J]. 工程爆破, 1999, 5(1): 47-51.

JIA Jin-he, YU Ya-lun. Study on numerical simulation method of building demolition blasting[J]. Engineering Blasting， 1999, 5(1): 47-51.

〔4〕 王建庙, 于亚伦, 唐春海. 拆除爆破研究中数值分析方法的比较与选择[J]. 工程爆破, 2002, 8(1): 8-11, 49.

WANG Jian-miao, YU Ya-lun, TANG Chun-hai. Comparison and selection of numerical analysis method in the research of demolition blasting[J]. Engineering Blasting, 2002, 8(1): 8-11, 49.

〔5〕 赵根, 张文煊. 砖烟囱定向拆除与爆破效果DDA数值模拟[J]. 爆破, 2005, 22(4): 74-76.

ZHAO Gen, ZHANG Wen-xuan. Directional demolition of brick chimney and DDA numerical simulation of blasting effect[J]. Blasting, 22(4): 74-76.

〔6〕 赵根,王秀杰,吴新霞，等. 三峡三期RCC围堰拆除爆破倾倒效果DDA模拟[J]. 固体力学学报, 2006, 27(S1): 148-153.

ZHAO Gen, WANG Xiu-jie, WU Xin-xia, et al. Effect of DDA simulation on the demolition blasting of RCC cofferdam in the Three Gorges Three Phase[J]. Journal of Solid Mechanics, 2006, 27(S1): 148-153.

〔7〕 贾永胜. 大型结构拆除爆破倒塌过程的连续仿真[D]. 武汉：武汉理工大学, 2010: 67-90.

JIA Yong-sheng. Continuous simulation of collapse process of large scale demolition blasting[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2010: 67-90.

Analogue simulation of buildings demolition blasting based on discrete element method

ZHANG Wei

(1.Traffic and Civil Engineering College, Shandong Jiaotong University, Jinan 250357, China； 2.Shandong Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation , Qingdao 266590, Shandong,China)

Based on the market blasting engineering in Qingdao development zone, the discrete element solid lattice model was established by particle discrete element method, and the collapse process in demolition blasting was simulated by polyhedral discrete element method. The whole process was simulated from the solid lattice model local structral instabicity to completely collapsing of the structure was in detail and the blasting pile profile and size were determined. The effect of blasting design was given visually. The results of the touchdown vibration and the impact force change showed that the blasting scheme could achieve the desired effect of demolition blasting and the touchdown vibration could consistent with "safety regulations for blasting" requirement. The model could optimize the blasting design, guide the blasting construction and provide the theoretical basis for disaster prediction and safety assessment of buildings blasting demolition.

Demolition blasting; Solid lattice model; Discrete Element Method(DEM); Blasting muck pile profile; Touchdown vibration; Analogue simulation

1006-7051(2016)06-0008-05

2016-06-10

山东交通学院科研基金资助项目(Z201502)；山东交通学院博士科研启动基金资助项目；山东省土木工程防灾减灾重点实验室开放课题基金资助项目(CDPM2014KF04)

张 伟(1979-)，女，博士，高级实验师，从事爆破力学与工程方面的教学与研究。E-mail:zhangwei333518@126.com

TD235

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.06.002