鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)廠房爆破拆除的有限元分析

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)廠房爆破拆除的有限元分析

1分重構(gòu)件的解體按建筑主體結(jié)構(gòu)的分類鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的爆炸和拆除主要基于失穩(wěn)定原則，即破壞建筑物的局部或大部分承載能力，使建筑物失去承載能力，導(dǎo)致整個(gè)建筑失去平衡，在重量的作用下定向坍塌或坍塌，以達(dá)到解體和拆除的目的。對(duì)于框架結(jié)構(gòu)樓房的定向傾塌問題而言,要達(dá)到定向的目的,關(guān)鍵問題就是如何把握好框架結(jié)構(gòu)樓房的重心外移和傾覆力矩問題。2結(jié)構(gòu)房屋的定向坍塌2.1天然鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的定向傾塌作用對(duì)于高層框架樓房,當(dāng)樓房四周的某一方向有一較為開闊的空地,即有(1.0～1.2)H(H為樓房高度)時(shí),就可以采用定向傾塌的爆破方案。爆破時(shí),只需炸毀最底層倒塌方向一側(cè)的墻、柱,建筑物便在自重的作用下定向傾塌。此時(shí),在傾塌的反方向一側(cè)的承重墻、柱對(duì)整個(gè)樓房按預(yù)定方向傾塌起著定向支撐作用。而對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),當(dāng)承重立柱破壞到一定程度時(shí),以形成鉸鏈達(dá)到定向傾塌的目的。從力學(xué)的角度看框架樓房的定向傾塌問題,當(dāng)炸毀了樓房的承重部件時(shí),首先會(huì)導(dǎo)致樓房的重心外移,使其在自重的作用之下形成一傾覆力矩。任何傾塌方案,都是建立在爆破過程中能創(chuàng)造足夠大的傾覆力矩之上的。2.2余留截面的確立對(duì)于框架結(jié)構(gòu)樓房,當(dāng)臨界炸毀高度確定以后,只需要考慮炸毀區(qū)的鋼筋能否在上部荷載的作用下受壓變形,使樓房重心偏移產(chǎn)生傾斜運(yùn)動(dòng)。此時(shí),余留截面的受力狀態(tài)分為前部的壓區(qū)和后部的拉區(qū)。隨著框架體的傾斜,余留截面的受力有兩個(gè)特征:一是壓區(qū)的材料被壓碎而逐漸退出工作;二是拉區(qū)至樓房中軸部分地區(qū)在傾倒運(yùn)動(dòng)中是逐漸向后移動(dòng)。當(dāng)爆破后,框架結(jié)構(gòu)體能否沿預(yù)定方向傾倒的基本條件是:式中,NR為框架結(jié)構(gòu)體余留支撐面的極限抗壓承載力;WP為臨界炸毀高度以上的框架結(jié)構(gòu)體的總重;MR為余留支撐截面極限抗彎力矩;MP為由框架結(jié)構(gòu)體自重、風(fēng)力等引起的截面彎矩值。式(1)中前式保證框架結(jié)構(gòu)體傾塌時(shí),余留支撐截面不至受壓破壞而使框架結(jié)構(gòu)體“下坐”,導(dǎo)致支撐截面的塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)能力喪失;后式則保證有足夠大的傾覆力矩以克服截面的塑性抵抗矩,從而使框架結(jié)構(gòu)體在壓碎炸毀區(qū)以后繞后部承重立柱鉸轉(zhuǎn)動(dòng),開始傾塌。2.3臨界破裂高度炸高是確保結(jié)構(gòu)失穩(wěn)傾倒,破碎充分的必要條件。對(duì)于框架結(jié)構(gòu),其部分立柱的炸高可由下式確定:式中,H為炸高;d為鋼筋直徑。對(duì)于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),其承重立柱的失穩(wěn),是整個(gè)框架倒塌的關(guān)鍵。應(yīng)用爆破法炸毀立柱,為了減少飛石,一般僅把立柱中的混凝土炸碎,使之脫離鋼筋骨架。這樣,上部建筑物在自重的壓力作用下使鋼筋失穩(wěn)。這也是力學(xué)中所說的壓桿穩(wěn)定問題。對(duì)于鋼筋混凝土立柱,當(dāng)其中一部分混凝土被炸毀脫離鋼筋后,鋼筋兩端仍是深深的插在混凝土中,失穩(wěn)時(shí)如同兩端固定的壓桿。此時(shí),框架結(jié)構(gòu)體的臨界炸毀高度可用下式計(jì)算:式中,P為單筋所受壓力;Hlj為臨界炸毀高度;E為鋼筋的彈性模量;I為鋼筋橫截面慣性矩,對(duì)于圓形鋼筋,。3框架結(jié)構(gòu)樓爆破破壞機(jī)理有限單元法的基本思想是將問題的求解域劃分為一系列單元,單元之間僅靠節(jié)點(diǎn)邊接。單元內(nèi)部點(diǎn)的待求量可由單元節(jié)點(diǎn)量通過選定的函數(shù)關(guān)系插值求得。由于單元形狀簡單,易于由平衡關(guān)系或能量關(guān)系建立節(jié)點(diǎn)量之間的方程式,然后將各個(gè)單元方程“組集”在一起而形成總體代數(shù)方程組,計(jì)入邊界條件后即可對(duì)方程組求解。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算已經(jīng)得到廣泛地應(yīng)用,相應(yīng)開發(fā)的大型有限元分析軟件,可進(jìn)行線性、非線性結(jié)構(gòu)靜力分析,為科研工作者廣泛使用。城市拆除爆破應(yīng)該走出過分依賴經(jīng)驗(yàn)的舊路,將現(xiàn)代先進(jìn)的技術(shù)手段應(yīng)用于研究中,以便使城市高聳建筑物拆除爆破朝更為科學(xué)、可控、準(zhǔn)確的方向發(fā)展?，F(xiàn)以三跨五層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)樓房爆破拆除為模型,應(yīng)用ALGORFEAS通用有限元分析軟件,對(duì)涉及到傾覆力矩問題的炸高以及重心外移問題進(jìn)行了考慮,對(duì)混凝土、具體到混凝土中的每根鋼筋都進(jìn)行了數(shù)值模擬。在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行定量計(jì)算和理論分析,為框架結(jié)構(gòu)建筑物的拆除爆破的設(shè)計(jì)提供依據(jù)和建議。模擬圖形如圖1所示,它模擬的是一個(gè)長寬高尺寸分別為18m×7.2m×17m的框架結(jié)構(gòu)樓房。對(duì)于樓房中的柱、梁、板混凝土,根據(jù)其不同的受力狀態(tài),分別賦予不同的材料和力學(xué)參數(shù)。混凝土柱中具體模擬到每一根鋼筋,用以分析炸毀下部柱以后鋼筋的受力狀態(tài)。模型共有22658個(gè)單元,29004個(gè)節(jié)點(diǎn)。Z方向表示垂直方向,X、Y方向分別表示水平面的兩個(gè)方向。模型的邊界條件分別約束三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和垂直方向的平移自由度。模型的各項(xiàng)材料參數(shù)及力學(xué)參數(shù)如表1所示:框架結(jié)構(gòu)樓房的炸高由式(2)確定,后部炸高取為0.3m,前部炸高取2.1m。考慮了兩個(gè)不同情況下的框架結(jié)構(gòu)模型,一種是當(dāng)框架結(jié)構(gòu)爆破拆除前,整個(gè)結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài),此時(shí),由有限元應(yīng)力計(jì)算結(jié)果圖可得,整個(gè)框架結(jié)構(gòu)各根柱、梁以及板都處于均勻受壓狀態(tài)。當(dāng)把框架結(jié)構(gòu)下部需要炸毀的立柱混凝土賦予空氣的材料和力學(xué)參數(shù)時(shí),上部框架結(jié)構(gòu)體的受力狀態(tài)沒有什么根本性的變化,而承重柱卻處于從下至上延伸的受力狀態(tài),應(yīng)力分布如圖2、圖3所示。由圖2、圖3可知,當(dāng)炸毀底部承重柱時(shí),其中部處于受拉狀態(tài);柱周邊從外向內(nèi)壓應(yīng)力逐漸減小。其最大拉應(yīng)力達(dá)到了139.97MPa,并沒有達(dá)到鋼筋的極限抗拉強(qiáng)度,而壓應(yīng)力則分別在421.9MPa到3231.3MPa之間,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了鋼筋的極限抗壓強(qiáng)度,說明在框架樓房的爆破拆除中,立柱的破壞是由鋼筋的受壓破壞造成的。另外,對(duì)于所述模型,當(dāng)分別分析與傾倒方向垂直的三排立柱時(shí),發(fā)現(xiàn)前排立柱不存在剪切破壞,而中間以及后排立柱均存在剪切破壞,如圖4所示。對(duì)于框架樓房定向傾倒問題,后坐是產(chǎn)生剪切力的直接原因,剪切破壞的存在可以確保框架結(jié)構(gòu)破壞更完全,定向更加準(zhǔn)確可靠。所以,當(dāng)爆破環(huán)境允許時(shí),適當(dāng)增大框架結(jié)構(gòu)后部炸高將更加有利于框架結(jié)構(gòu)體重心外移,達(dá)到定向傾塌的目的。4結(jié)構(gòu)等效剛度當(dāng)高層建筑的高寬比H/B≥5時(shí),宜驗(yàn)算其穩(wěn)定性,此時(shí)可以近似將高層建筑作為豎向懸臂受壓桿,如圖5所示。按照《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》的規(guī)定,其整體穩(wěn)定可按下式驗(yàn)算:式中,Gtc為框架結(jié)構(gòu)頂端等效重力荷載的設(shè)計(jì)值;H為建筑總高度;Hi為第i層高度;Gi為第i層的重力荷載設(shè)計(jì)值;Gi=1.2Gki+1.4Qki;Gki為框架結(jié)構(gòu)體各層重量標(biāo)準(zhǔn)值,也可以將其乘以1.25而得出第i層的重力荷載設(shè)計(jì)值;∑EcIeq為驗(yàn)算方向抗側(cè)力矩結(jié)構(gòu)等效剛度之和。當(dāng)對(duì)框架結(jié)構(gòu)采用倒三角形荷載或均布荷載計(jì)算結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)水平位移時(shí),可按下式折算其等效剛度:對(duì)于三角形荷載,當(dāng)知道其基底剪應(yīng)力Q0時(shí),采用倒三角形荷載法可以求得:將qmax和結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)水平位移代入式(7),即可得到框架結(jié)構(gòu)體的等效剛度∑EcIeq,并將此值代入式(4),就可驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。對(duì)于高層結(jié)構(gòu),當(dāng)其在水平荷載和水平作用力之下時(shí),受到很大的傾覆力矩,當(dāng)它超過結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定力矩時(shí),結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生傾覆。對(duì)于爆破產(chǎn)生的傾覆力矩,主要是由框架結(jié)構(gòu)體的重心外移而產(chǎn)生,此時(shí)的穩(wěn)定力矩計(jì)算,可以只考慮樓層取恒載。相互比較傾覆力矩與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定力矩即可以驗(yàn)算框架結(jié)構(gòu)體的傾覆問題。5框架結(jié)構(gòu)樓的臨界破裂高度(1)對(duì)于爆破環(huán)境復(fù)雜的框架結(jié)構(gòu)體爆破,如果采用有限元數(shù)值模擬將有利于框架結(jié)構(gòu)樓房準(zhǔn)確定向;并且,如果知道框架結(jié)構(gòu)樓房的原始建筑資料,有限元數(shù)值模擬可以模擬到每根鋼筋,對(duì)鋼筋的極限抗壓強(qiáng)度及炸毀后裸露段長度進(jìn)行考慮分析,可以精確地確定框架結(jié)構(gòu)樓房的臨界炸毀高度;(2)框架結(jié)構(gòu)體的