摘  要：本文利用ANSYS/LS-DYNA有限元程序，对一栋多层框架结构的爆破拆除过程进行了动态仿真，仿真计算结果与实际倒塌过程基本一致，说明了只要通过适当的选取计算参数和计算模型，可以通过有限元方法对这类复杂的倒塌破坏过程进行模拟分析和动态仿真，能够做到对倒塌过程的定量分析，在优化爆破方案的同时降低了工程风险。
关键词：  框架结构  爆破倒塌 
DYNAMIC FINITE ELEMENT SIMULATION FOR THE BLASTING COLLAPSE OF FRAME STRUCTURE
Gong Xiubin，Yang Jianguo，Jin Lizan
（1 Ludong University,Shandong,264000. 2 Central Research Institute of Building And Construction, Mcc Group, Beijing, 100088）
Abstract: Simulation for the blasting demolish of RC frames was processed in this paper with the dynamic finite element software of ANSYS/LS-DYNA. The simulation was very close to the real condition, which means that using proper numerical model and parameters can simulate such complex problem as the collapse of RC frames, the quantitative analysis and optimization of the real blasting project.
Keywords: dynamic finite element, RC frames, blasting demolish, simulation
 

1. 引言

        现阶段，爆破拆除框架是比较常见的一种手段，但是对于爆破拆除的研究，目前还主要依赖于工程技术人员的现场实际经验，且很难进行试验重现，在爆破拆除方面的分析基本上停留在定性方面。然而，现代计算机技术和有限元软件的飞速发展为我们提供了一个在计算机上重现结构物爆破拆除过程的可能^[1]，并且可以通过计算机仿真技术来分析对比多种爆破拆除方案的优劣。

结构模型计算
        结构概况本次拆除的结构为一栋6层框架结构，南北长35.6m，东西宽15.3m，高22.6m，长宽比较大，建筑面积为3270m²（具体见结构平面图1）。根据建筑的结构特点及周边环境要求，该结构在倒塌的方位上面，只能确定为西侧空地，因此采用“定向倾倒”的方式进行拆除，也就是通过爆破方式对结构底部形成预先设计的缺口，使结构在自重的作用下向预定方向倾倒、下落和散体。
        计算采用美国ANSYS公司的ANSYS/LS-DYNA大型动力有限元程序对框架结构的倒塌过程进行动态仿真分析。
爆破缺口方案根据以往的工程经验设计，为了保证结构能够按照设计方向倾倒和上部结构在下坠过程的顺利散体，需要对爆破缺口进行合理设计：为了能够形成定向倾倒，首先要形成一个缺口，而至于房屋质量检测，这就需要对缺口内的结构柱依据不同高度在不同时段顺序爆除，爆除间隔是500毫秒。
由于层高不高，在爆破缺口形状上，选取三角形缺口（图2）进行计算分析。
                                                      
                               图1  结构首层平面图                                                     图2  三角形爆破缺口立面图
                 Figure 1 1^st floor plan of structure                    Figure 2 Elevation of triangular gap of blasting demolis
        计算模型由于结构整体沿爆破缺口统一按照一个方向倾倒、下坠和散体，各榀框架破坏形式基本相同，为此，选取其中一榀框架，建立一个二维平面计算模型来模拟结构的整体倒塌过程是可行的，模型单元采用2Dsolid单元（如图3所示）。                                                                               Figure 3 Analysis model
        计算模型采用整体式，即将钢筋和混凝土看作一种混合材料考虑，不单独考虑钢筋和混凝土的影响；材料本构关系选用Material 3 Plastic Kinematic模型，材料密度取2700kg/m³，弹性模量为30GPa^[3]，泊松比为0.20，屈服强度为30MPa，屈服后强化模量为0，考虑到材料破坏后钢筋能够增加混凝土材料的延性，材料的断裂失效塑性变形楼板取0.40%，结构柱取0.5%。
        由于倒塌分析本身非常复杂，因此，计算中选用LS-DYNA提供的Single Face Erosion接触分析模型，该接触模型可以自动搜索接触面、判断接触并可以处理侵蚀、断裂等复杂边界变化情况。材料的摩擦系数统一设定为0.5。
        对于爆破缺口爆炸的模拟分析，首先是只模拟计算炸药爆炸后的倒塌过程，不对炸药的爆炸过程模拟计算。其次是在爆炸时刻，通过“杀死”缺口内柱子单元来模拟柱子被爆除的效果。
计算结果
       有限元计算模拟结果梯形缺口能够形成较大下部空间，对结构的倒塌散体比较有利，其计算模拟结果如图4所示。

3. 结构实际倒塌情况

以下是一组该结构爆破倒塌的实况照片。                                                                             图5  结构实际倒塌过程照片
                                                              Figure 5 picture of real structure collapse

3. 结果分析对比

        通过有限元计算结果和实际倒塌情况的对比来看：在倒塌过程和爆堆形状方面，有限元计算模拟和实际倒塌过程基本一致，爆堆形状、前冲、后座方向和实际情况基本一致。只是在爆堆具体尺寸上和实际情况存在偏差，这主要是由于模型的局限性和计算软件的局限性造成的。
另外，从实际情况可以看出，结构的上部散体不够充分，给后期拆除清理造成一定难度，从有限元模拟上我们也可以看到这一点，通过有限元计算可以看出，由于结构的层高较小，仅靠结构下座冲量来使上部结构散体不太现实，可以考虑增加上部结构的局部破坏来使结构倒塌充分。

4. 结论
   4. 1由上述模拟图形可以看出，从结构失稳到触地堆积，这个过程和实际观察到的结构倒塌过程基本吻合。
   4. 2从不同爆破缺口的模拟计算可以看出，爆破缺口的合理设计对结构的倒塌型式有着重要的影响，工程中必须根据现场需要以及建筑自身的结构特点来设计更加合理的爆破缺口。

        综上所述，用有限元能较好地对结构物的倒塌过程进行模拟，研究其力学本质。进行数值模拟不仅是为了预演或再现倒塌过程，更重要的是通过倾倒模拟选取合适的爆破型式和参数，优化爆破方案，降低工程成本和风险。