框架结构楼房内爆法爆破拆除数值模拟研究

苏浩然

（中铁港航局集团有限公司，广州510660）

框架结构楼房内爆法爆破拆除数值模拟研究

苏浩然

（中铁港航局集团有限公司，广州510660）

通过运用ANSYS软件建立框架结构楼房的模型，采用改变柱、梁材料属性，结合结构力学、拆除爆破、数值模拟理论，采用理论分析、工程案例、数值模拟相结合的方法研究内爆法爆破拆除的机理、倒塌过程的数值模拟。致力于建立一套切实可行的建筑物内爆法拆除爆破计算机数值模拟，并比较采用不同起爆方式后的框架结构楼房倒塌效果，为理论研究的突破开辟一条新的途径。

框架结构；内爆法；数值模拟

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.016

1 引言

内爆法是利用少量的炸药对建筑物的承重结构造成一定的破坏，从而导致整个结构在重力的作用下完全倒塌的过程。因此内爆法是一种较好的在拥挤城市中爆破拆除高楼等建筑物或构筑物的手段。

2 研究内容及研究目标

2.1 研究目标

建立一套切实可行的框架结构建筑物内爆法拆除设计数值模拟，为内爆法理论研究的突破开辟一条新的途径。

2.2 主要研究内容

1）框架结构内爆法拆除设计基本原理；

2）框架结构建筑物爆破拆除数值模型；

3）根据所建框架结构建筑物模型进行材料属性的修改，最后在K文件里，修改材料转化的时间间隔，得到最优的间隔时间和起爆顺序；

4）通过对不同爆破拆除方案数值模拟爆破倒塌效果的比较，得出框架结构建筑物内爆法拆除的最优方案。

3 内爆法拆除理论

内爆法的主要原理是：运用炸药拆除建筑物的一些主要梁和柱，预处理电梯井和楼梯，让被炸部分构件下落，把下面的建筑结构撞碎。炸药只相当于楼房倒塌的催化剂，起作用的实际上是建筑物的重力，坍塌部分带动未坍塌部分下落。实现一次内爆拆除，炸药对整个地板或墙壁的扭折、弯曲、倾倒有选择性破坏或改变结构支撑柱梁的作用。

3.1 内爆法拆除方法

首先是建筑物的结构物由超静定体系至临界状态；其次建筑物结构失稳达到临界状态体系到几何可变状态。最后是结构全部或部分悬空后，以一定的速度向下坠落的过程。

3.2 内爆法拆除倒塌机理

3.2.1 内爆法拆除结构物的主要作用机理

1）扭折破坏机理，利用钢筋混凝土材料的抗拉抗扭性能弱的特点，位于底部的爆破拆除楼层由于采用微差起爆，按照从左到右或者从中间向两边的方式，结构承重构件逐渐减少且朝一个或几个方向集中，梁楼板等水平构件跨度逐渐加大而发生弯曲破坏。

2）破坏节点刚度，梁在竖向变形时导致承重构件不再保持竖直状态而是保持一定的倾角，从而大幅降低柱的承载能力。

3）冲击破坏机理。一是结构间的碰撞。二是结构与地面的碰撞。重力势能大部分转换为动能，形成巨大的冲击作用。

3.2.2 内爆法的倒塌过程划分为3个阶段

结构从超静定体系至临界状态。临界状态体系到几何可变状态。几何可变状态向下冲击与地面及本身相互碰撞过程。

3.2.3 内爆法拆除特点

1）内爆法拆除框架结构建筑物不要求建筑物的重心移出其原有的支撑面。运用内爆法拆除高层建筑，建筑物的重心位置不必移出建筑物原有的支撑面，随下部结构的破坏，上部结构与下部结构碰撞从而达到破坏的效果[1]。

2）内爆法拆除高层框架结构建筑时不必保留定向倾倒时所必需的转动铰链。内爆法设计过程中，不用顾忌整体结构倒塌的定向倾倒的转动铰链问题，就不会出现结构后坐和前冲现象。

3）构件解体程度高。在起爆一定时刻后框架结构建筑物的主体部分在很短的时间内能处于悬空状态，建筑物依靠自身的巨大重力向下塌落，并以一定的加速度向下加速塌落，最后建筑物的底部先与地面接触发生强烈的挤压碰撞，使建筑物的结构发生大面积的解体破碎。这种挤压不仅仅是地面和建筑物结构的挤压，更多的是结构与结构之间的挤压破碎，使结构的解体破坏程度加大。

4 框架结构建筑物内爆法设计及数值模拟

1）模型的建立

建立一个18层的混凝土框架结构，东西走向，高54m，宽16m，长44m，层高3m，南北两跨，东西五跨的框架结构。

2）定义单元类型

运用LS-DYNA软件，选用柱和梁的单元类型为Beam161，板的单元类型Shell163，地面的单元类型为Solid164，柱、梁和板的材料选用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC的C40的混凝土参数，密度为2700kg/m3，弹性模量为3.2E10MPa，泊松比为0.22，屈服应力为3E7MPa，剪切模量为3.2E8MPa。地面建模*MAT_RIGID的材料参数，密度为2400kg/m3，弹性模量为3.2E10MPa，泊松比为0.30，屈服应力为3.2E8MPa，剪切模量为3.2E8MPa。

3）划分网格单元

对建立好的模型进行网格划分，柱截面单元尺寸为0.3m，梁截面单元尺寸为0.4m，板的面单元尺寸为0.4m×0.4m。

4）修改模型里的单元材料属性

根据自己设计好的爆破方案对需要在不同楼层的柱进行材料属性进行修改，根据不同的材料号，为后面进行Part转化服务。弱化的材料*MAT_PLASTIC_KINEMATIC参数为密度为240kg/m3，弹性模量为3.2E7MPa，泊松比为0.2。

5）编辑求解过程

在ANSYS建模页面生成所有的Part，再设定好求解所用的时间分别为10s、12s2种情况。设定好求解步长，选择所要生成的途径和类型，最后生成K文件。在生成的k文件里，用Ultra Edit文件编辑器对需要修改的Part部分增加一个Part转换，通过运用LS-DYNA设定一定的时间间隔对材料属性进行转化来弱化材料，模拟炸药对柱和梁材料的爆破过程。根据Part转换让不同的柱在设定的时间间隔转化成刚体，再改变成弹塑性体，对地面施加边界条件，再施加重力载荷，这样在LS-DYNA Solver模块里选择K文件进行求解，最后得出所要求的结果。

4.1 框架建筑物内爆法拆除设计

1）爆破方案1：内爆法1

此次内爆法的拆除方案是建筑物由内而外的辐射状起爆，先由最中间的柱材料进行弱化，通过同一层楼房不同柱0.5s延期弱化，由第1层到第3层0.3s延期弱化，让框架结构建筑物第1层中间先倒塌，在建筑物自身重力作用下，带动整个建筑物向内倒塌，从而减少建筑物爆堆的占地面积，减少爆破时对周边环境的不利影响。

2）爆破方案2：内爆法2

通过对前面内爆法拆除方案改进，得到一个新的内爆法拆除方案方案，此次方案由前面仅弱化第1层到第3层的柱，改为在弱化第1、2层1s后弱化3、4柱的材料，2.5s后弱化7、8层的柱的材料，3s后弱化11、12层柱的材料。这样框架结构楼房会在自身的重力作用下，发生与地面、梁柱间的挤压破碎，使楼房结构发生解体，达到更充分的破碎。为后面爆堆的清理工作带来便利。

3）爆破方案3：定向倒塌

此次数值模拟采用A排柱的模拟起爆高度为9m，根据LSDYNA的特性，通过对A排柱材料属性进行转化，让其先发生倒塌。B排柱的模拟起爆高度为6m，间隔时间为0.5s,最后是对C排柱进行松动爆破，炸高可以很小，只需要选择模型中一个很小的单元就行了。通过对模型生成的K文件参数进行修改，就可以应用LS-DYNA软件进行求解，达到生成倒塌动画的结果。

4）爆破方案4：逐跨倒塌

首先选择A跨到F跨要弱化的1～3层的柱，修改柱的材料属性，通过修改K文件中的Part转化的时间，就可以通过求解得到建筑物的倒塌过程。

4.2 框架建筑物拆除爆破其他理论模型

1）定向倒塌

2）折叠倒塌

3）水平分段爆破

4）原地坍塌

4.3 框架结构楼房内爆法拆除数值模拟

通过对不同爆破方案的比较，表1是4种爆破方案倒塌时间、爆堆高度和爆堆面积的比较。我们可以看到内爆法拆除的框架结构建筑物爆堆高度要比其他的方案小，结构解体程度要好。但可能还是在建模中出现一些问题，导致部分结构的构件飞出。

表1 4种爆破方案的比较图

5 结论

在进行建筑物内爆法拆除方案设计前，可以通过计算机模拟，选择最优爆破方案，保证施工，安全、有序地进行。尽管国内还很少采用这种拆除方案，但我相信在不久的将来，内爆拆除将是国内爆破方案的首选，越来越多的理论研究专家和工程技术人员将会从事对内爆法力学，运动学，倒塌过程的分析，解开内爆法的神秘面纱。

【1】黄士辉.城市高层建筑不同爆破拆除方式的探讨[A].刘殿书.中国爆破新技术II[C].北京：冶金工业出版社，2008:118-200.

Numerical Simulation on Implosion Demolition of Frame Structure Buildings

SU Hao-ran
(China Railway Port and Channel Engineering Group Co.Ltd.,Guangzhou510660,China)

The paper aims to do a research in numerical simulation of principles and collapse process of implosion demolition.ANSYS software is used to establish a model of a framework structure building,and then we change the material properties of columns,beams,combined with structural mechanics, demolition blasting,numerical simulation theory,in the way of the oretical analysis,project cases,numerical simulation method.It is devoted to establish viable computer numerical simulation of implosion demolition.By comparing collapsed effects of different detonations to frame structure buildings,it offer anew way to the theoretical research breakthroughs of implosion demolition.

frame structure;implosion demolition;numerical simulation

O643.2+2

A

1007-9467（2016）08-0030-02

2016-07-27

苏浩然（1987～），男，安徽淮南人，助理工程师，从事水下炸礁，矿山爆破等研究。