張 偉

(1.山東交通學(xué)院 交通土建工程學(xué)院， 濟(jì)南 250357； 2.山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266590)

基于離散單元法的群樓拆除爆破仿真模擬

張 偉

(1.山東交通學(xué)院 交通土建工程學(xué)院， 濟(jì)南 250357； 2.山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266590)

基于青島開發(fā)區(qū)一商場(chǎng)爆破工程，利用顆粒離散元法建立離散元網(wǎng)格實(shí)體模型，用多面體離散元法模擬分析拆除爆破中建筑物的倒塌過(guò)程。研發(fā)的網(wǎng)格實(shí)體模型詳細(xì)模擬了建筑物從結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)到整體完全倒塌的整個(gè)過(guò)程，確定了爆堆輪廓線和爆堆尺寸，直觀給出了爆破設(shè)計(jì)的效果。觸地振動(dòng)、沖擊力變化分析結(jié)果表明：所給出的爆破方案可達(dá)到預(yù)期拆除爆破的效果，觸地振動(dòng)符合《爆破安全規(guī)程》要求；該模型可優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)，指導(dǎo)爆破施工，為建筑物拆除爆破的災(zāi)害預(yù)測(cè)與安全評(píng)估提供理論依據(jù)。

拆除爆破；網(wǎng)格實(shí)體模型；離散單元法；爆堆輪廓；觸地振動(dòng)；仿真模擬

1 引言

目前，隨著城市中大量基礎(chǔ)建設(shè)的增加，為節(jié)約用地和減少經(jīng)濟(jì)成本，對(duì)原有建筑物進(jìn)行拆除的越來(lái)越多。拆除爆破由于其高效、快速等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被應(yīng)用到經(jīng)濟(jì)建設(shè)的多個(gè)領(lǐng)域中。由于絕大多數(shù)的拆除爆破均在城市密集區(qū)進(jìn)行，爆破效果和爆破危害直接影響爆區(qū)周圍居民的生命財(cái)產(chǎn)，關(guān)系到爆破工程能否安全順利進(jìn)行。鑒于此，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，在拆除爆破施工前，對(duì)爆破進(jìn)行仿真模擬，將建筑物從局部構(gòu)件開裂到整座建筑物倒塌的過(guò)程模擬出來(lái)，利用模擬的信息優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

由于建筑物結(jié)構(gòu)形式的多樣性、炸藥爆轟的復(fù)雜性與結(jié)構(gòu)倒塌的多變性等因素，給拆除爆破預(yù)測(cè)與控制的研究帶來(lái)了許多困難。目前，拆除爆破的理論研究還不能滿足工程實(shí)踐的需要。早期，爆破工作者主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)或簡(jiǎn)化的解析分析對(duì)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)判據(jù)進(jìn)行研究。近年來(lái)，爆破工作者在拆除爆破技術(shù)方面做了大量工作，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真分析來(lái)優(yōu)化選擇設(shè)計(jì)參數(shù)并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證已成為共識(shí)。北京礦冶研究總院〔1〕將VCR采礦法、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，開發(fā)出地下礦山VCR爆破鑿巖計(jì)算機(jī)模擬模型。賈金河等〔2-3〕，王建宙等〔4〕，趙根等〔5-6〕基于具體工程，運(yùn)用非連續(xù)變形分析法(Discontinous Dfeormation Analysis )對(duì)建筑物的爆破倒塌過(guò)程進(jìn)行模擬。

對(duì)拆除爆破進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，首先按照特定的數(shù)學(xué)或物理模型，然后需要滿足以下四個(gè)方面的要求〔7〕：①可描述結(jié)構(gòu)構(gòu)件的局部破壞與整體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)；②可預(yù)測(cè)拆除爆破的塊度分布、爆堆形態(tài)(包括爆堆高度、前沖距離、后座距離)等爆破效果；③可根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)；④可預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)整個(gè)倒塌過(guò)程等。

基于青島開發(fā)區(qū)一商場(chǎng)群樓拆除爆破工程，首先利用顆粒離散元法建立離散元網(wǎng)格實(shí)體模型，然后采用多面體離散元法對(duì)群樓拆除爆破的倒塌過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，預(yù)測(cè)該群樓的失穩(wěn)倒塌過(guò)程，爆堆形態(tài)及范圍。該方法可為建筑物拆除爆破的災(zāi)害預(yù)測(cè)及安全評(píng)估技術(shù)研究提供理論依據(jù)。

2 倒塌過(guò)程的數(shù)值模擬

采用離散元法建立網(wǎng)格實(shí)體模型。網(wǎng)格實(shí)體模型的作用原理：用多面體將研究對(duì)象離散，每個(gè)塊體單元的相鄰單元通過(guò)接觸發(fā)現(xiàn)算法來(lái)確定，在所有相鄰單元間施加梁(見圖1～圖2)。通過(guò)塊體之間 “梁”的變化過(guò)程(即從梁的變形到梁的消失)，來(lái)描述建筑物倒塌的整個(gè)過(guò)程。

圖1 兩個(gè)接觸中的顆粒單元 (以多邊形單元為例)Fig.1 Two contact particle elements (taking polygon unit as an example)

圖2 介質(zhì)中的“梁”網(wǎng)絡(luò) 以多邊形單元為例)Fig.2 The “beam”network in medium (taking polygon unit as an example)

2.1 模型的建立

模擬所需及計(jì)算控制的主要參數(shù)如表1所示。

表1 模擬所需主要參數(shù)及計(jì)算控制主要參數(shù)

數(shù)值模擬前，首先計(jì)算各單元在自重作用下達(dá)到平衡的過(guò)程，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 單元在自重作用下達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力分布Fig.3 Stress distribution at the state of equilibrium under its own weight

2.2 倒塌過(guò)程模擬結(jié)果

模擬結(jié)果主要為結(jié)構(gòu)倒塌過(guò)程(位移變化過(guò)程)、結(jié)構(gòu)在地面投影輪廓范圍、單元受力的變化過(guò)程，在每個(gè)輸出步長(zhǎng)，分別輸出相應(yīng)數(shù)據(jù)文件，經(jīng)后處理模塊加工后生成圖片(見圖4)。

圖4 群樓拆除爆破結(jié)構(gòu)倒塌過(guò)程的網(wǎng)格實(shí)體模型模擬結(jié)果Fig.4 Solid lattice model simulation of group buildings in collapsing process

應(yīng)用該自行研發(fā)的網(wǎng)格實(shí)體模型程序，確定了爆堆輪廓線和爆堆尺寸，直觀給出了該次爆破設(shè)計(jì)的效果，詳細(xì)描繪了該群樓從結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)到整體完全倒塌的整個(gè)過(guò)程(見圖5)。

圖5 爆堆輪廓Fig.5 Blasting muck pile profile

3 觸地沖擊與振動(dòng)模擬

拆除工程中，建筑物倒塌堆積在地基地面的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力沖擊響應(yīng)，該響應(yīng)的大小與建筑物高度、倒塌物重量、地基的軟硬程度、沖擊時(shí)間等密切相關(guān)。

為進(jìn)一步研究建筑物拆除過(guò)程中可能造成的沖擊振動(dòng)，在該群樓倒塌方向設(shè)置一監(jiān)測(cè)剖面(見圖6)，在地表布設(shè)了12個(gè)數(shù)值測(cè)試點(diǎn)(間距10 m)，并在可能產(chǎn)生的最大振動(dòng)速度處自上而下每4 m布設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，以分析地面不同深度所承受的沖擊力(見圖7)。

圖6 監(jiān)測(cè)剖面位置Fig.6 Monitoring section location

模擬結(jié)果表明，1～2點(diǎn)間主要受主樓拆除爆破倒塌的影響，其豎向振動(dòng)速度為4～5 cm/s。3點(diǎn)區(qū)位置受樓房拆除倒塌旋轉(zhuǎn)落點(diǎn)的影響，在地面可能產(chǎn)生24 cm/s的局部振動(dòng)速度，而4～6點(diǎn)區(qū)主要受局部倒塌物撞擊影響，振動(dòng)速度為1～2 cm/s。在3號(hào)樓倒塌前方的測(cè)點(diǎn)，由于受拆除倒塌多階段影響，其振動(dòng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，尤其是主樓頂部墜落時(shí)，容易產(chǎn)生較大的沖擊力，導(dǎo)致巖土地面產(chǎn)生超過(guò)30 cm/s的振動(dòng)速度。但巖土介質(zhì)中的振動(dòng)速度，隨著深度衰減劇烈，8點(diǎn)振動(dòng)速度為18 cm/s，在地下4 m處，已經(jīng)衰減為3.8 cm/s，其下各點(diǎn)類同，已經(jīng)處于彈性波的范圍。根據(jù)8、13、14點(diǎn)的豎向應(yīng)力時(shí)程(見圖8)，樓房拆除過(guò)程中產(chǎn)生的最大沖擊力振幅約在20 kPa，發(fā)生于地表單元(單元中心距地面0.5 m)，振幅自上而下逐步衰減。

圖7 數(shù)值計(jì)算中的振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置Fig.7 Vibration monitoring location of numerical calculation

圖8 部分測(cè)點(diǎn)位置的豎向應(yīng)力變化Fig.8 Vertical stress changes of some measuring points

4 仿真模擬與實(shí)際爆破效果對(duì)比

青島開發(fā)區(qū)一商場(chǎng)爆破拆除的瞬間過(guò)程和實(shí)際爆堆情況如圖9所示。

圖9 爆破效果Fig.9 Blasting effect

由圖5和圖9可以發(fā)現(xiàn)，仿真模擬結(jié)果與實(shí)際工程拆除爆破效果很接近，相似度很高，并且仿真模擬程序描述了該群樓從結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)到整體完全倒塌的整個(gè)過(guò)程。

5 結(jié)論

(1)使用的顆粒離散元方法可模擬大變形，不受變形量的限制，在研究拆除爆破方面可綜合考慮各方面因素，具有特殊優(yōu)勢(shì)。

(2)網(wǎng)格實(shí)體模型程序詳細(xì)模擬了建筑物從結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)到整體完全倒塌的整個(gè)過(guò)程，確定了爆堆輪廓線和爆堆尺寸，直觀給出了爆破設(shè)計(jì)的效果，克服了使用有限元法分析時(shí)無(wú)法模擬材料破壞后碎塊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

(3)觸地振動(dòng)、沖擊力變化分析結(jié)果表明：所給出的爆破方案可以達(dá)到預(yù)期拆除爆破效果。

(4)基于離散元框架的網(wǎng)格實(shí)體模型程序可優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)，指導(dǎo)爆破施工，為建筑物拆除爆破的災(zāi)害預(yù)測(cè)與安全評(píng)估提供理論依據(jù)。

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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

山東交通學(xué)院科研基金資助項(xiàng)目(Z201502)；山東交通學(xué)院博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目；山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金資助項(xiàng)目(CDPM2014KF04)

張 偉(1979-)，女，博士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，從事爆破力學(xué)與工程方面的教學(xué)與研究。E-mail:zhangwei333518@126.com

TD235

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10.3969/j.issn.1006-7051.2016.06.002