鋼筋混凝土框架結構廠房爆破拆除的有限元分析

鋼筋混凝土框架結構廠房爆破拆除的有限元分析

1分重構件的解體按建筑主體結構的分類鋼筋混凝土結構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，導致整個建筑失去平衡，在重量的作用下定向坍塌或坍塌，以達到解體和拆除的目的。對于框架結構樓房的定向傾塌問題而言,要達到定向的目的,關鍵問題就是如何把握好框架結構樓房的重心外移和傾覆力矩問題。2結構房屋的定向坍塌2.1天然鋼筋混凝土結構的定向傾塌作用對于高層框架樓房,當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,就可以采用定向傾塌的爆破方案。爆破時,只需炸毀最底層倒塌方向一側的墻、柱,建筑物便在自重的作用下定向傾塌。此時,在傾塌的反方向一側的承重墻、柱對整個樓房按預定方向傾塌起著定向支撐作用。而對于鋼筋混凝土結構,當承重立柱破壞到一定程度時,以形成鉸鏈達到定向傾塌的目的。從力學的角度看框架樓房的定向傾塌問題,當炸毀了樓房的承重部件時,首先會導致樓房的重心外移,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余留截面的確立對于框架結構樓房,當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)生傾斜運動。此時,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)在傾倒運動中是逐漸向后移動。當爆破后,框架結構體能否沿預定方向傾倒的基本條件是:式中,NR為框架結構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構體的總重;MR為余留支撐截面極限抗彎力矩;MP為由框架結構體自重、風力等引起的截面彎矩值。式(1)中前式保證框架結構體傾塌時,余留支撐截面不至受壓破壞而使框架結構體“下坐”,導致支撐截面的塑性鉸轉動能力喪失;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,從而使框架結構體在壓碎炸毀區(qū)以后繞后部承重立柱鉸轉動,開始傾塌。2.3臨界破裂高度炸高是確保結構失穩(wěn)傾倒,破碎充分的必要條件。對于框架結構,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。對于鋼筋混凝土框架結構,其承重立柱的失穩(wěn),是整個框架倒塌的關鍵。應用爆破法炸毀立柱,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)。這也是力學中所說的壓桿穩(wěn)定問題。對于鋼筋混凝土立柱,當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)時如同兩端固定的壓桿。此時,框架結構體的臨界炸毀高度可用下式計算: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,對于圓形鋼筋,。3框架結構樓爆破破壞機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)點邊接。單元內(nèi)部點的待求量可由單元節(jié)點量通過選定的函數(shù)關系插值求得。由于單元形狀簡單,易于由平衡關系或能量關系建立節(jié)點量之間的方程式,然后將各個單元方程“組集”在一起而形成總體代數(shù)方程組,計入邊界條件后即可對方程組求解。隨著計算機技術的發(fā)展,有限元法進行結構動力學分析計算已經(jīng)得到廣泛地應用,相應開發(fā)的大型有限元分析軟件,可進行線性、非線性結構靜力分析,為科研工作者廣泛使用。城市拆除爆破應該走出過分依賴經(jīng)驗的舊路,將現(xiàn)代先進的技術手段應用于研究中,以便使城市高聳建筑物拆除爆破朝更為科學、可控、準確的方向發(fā)展。現(xiàn)以三跨五層鋼筋混凝土框架結構樓房爆破拆除為模型,應用ALGORFEAS通用有限元分析軟件,對涉及到傾覆力矩問題的炸高以及重心外移問題進行了考慮,對混凝土、具體到混凝土中的每根鋼筋都進行了數(shù)值模擬。在數(shù)值模擬的基礎上進行定量計算和理論分析,為框架結構建筑物的拆除爆破的設計提供依據(jù)和建議。模擬圖形如圖1所示,它模擬的是一個長寬高尺寸分別為18m×7.2m×17m的框架結構樓房。對于樓房中的柱、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個單元,29004個節(jié)點。Z方向表示垂直方向,X、Y方向分別表示水平面的兩個方向。模型的邊界條件分別約束三個轉動自由度和垂直方向的平移自由度。模型的各項材料參數(shù)及力學參數(shù)如表1所示:框架結構樓房的炸高由式(2)確定,后部炸高取為0.3m,前部炸高取2.1m?？紤]了兩個不同情況下的框架結構模型,一種是當框架結構爆破拆除前,整個結構處于穩(wěn)定狀態(tài),此時,由有限元應力計算結果圖可得,整個框架結構各根柱、梁以及板都處于均勻受壓狀態(tài)。當把框架結構下部需要炸毀的立柱混凝土賦予空氣的材料和力學參數(shù)時,上部框架結構體的受力狀態(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),應力分布如圖2、圖3所示。由圖2、圖3可知,當炸毀底部承重柱時,其中部處于受拉狀態(tài);柱周邊從外向內(nèi)壓應力逐漸減小。其最大拉應力達到了139.97MPa,并沒有達到鋼筋的極限抗拉強度,而壓應力則分別在421.9MPa到3231.3MPa之間,遠遠超過了鋼筋的極限抗壓強度,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,對于所述模型,當分別分析與傾倒方向垂直的三排立柱時,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?？蚣芙Y構破壞更完全,定向更加準確可靠。所以,當爆破環(huán)境允許時,適當增大框架結構后部炸高將更加有利于框架結構體重心外移,達到定向傾塌的目的。4結構等效剛度當高層建筑的高寬比H/B≥5時,宜驗算其穩(wěn)定性,此時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構設計與施工規(guī)程》的規(guī)定,其整體穩(wěn)定可按下式驗算:式中,Gtc為框架結構頂端等效重力荷載的設計值;H為建筑總高度;Hi為第i層高度;Gi為第i層的重力荷載設計值;Gi=1.2Gki+1.4Qki;Gki為框架結構體各層重量標準值,也可以將其乘以1.25而得出第i層的重力荷載設計值;∑EcIeq為驗算方向抗側力矩結構等效剛度之和。當對框架結構采用倒三角形荷載或均布荷載計算結構頂點水平位移時,可按下式折算其等效剛度:對于三角形荷載,當知道其基底剪應力Q0時,采用倒三角形荷載法可以求得:將qmax和結構頂點水平位移代入式(7),即可得到框架結構體的等效剛度∑EcIeq,并將此值代入式(4),就可驗算結構的整體穩(wěn)定性。對于高層結構,當其在水平荷載和水平作用力之下時,受到很大的傾覆力矩,當它超過結構的穩(wěn)定力矩時,結構將會發(fā)生傾覆。對于爆破產(chǎn)生的傾覆力矩,主要是由框架結構體的重心外移而產(chǎn)生,此時的穩(wěn)定力矩計算,可以只考慮樓層取恒載。相互比較傾覆力矩與結構的穩(wěn)定力矩即可以驗算框架結構體的傾覆問題。5框架結構樓的臨界破裂高度(1)對于爆破環(huán)境復雜的框架結構體爆破,如果采用有限元數(shù)值模擬將有利于框架結構樓房準確定向;并且,如果知道框架結構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,對鋼筋的極限抗壓強度及炸毀后裸露段長度進行考慮分析,可以精確地確定框架結構樓房的臨界炸毀高度;(2)框架結構體的