钢筋混凝土框架结构厂房爆破拆除的有限元分析

钢筋混凝土框架结构厂房爆破拆除的有限元分析

1分重构件的解体按建筑主体结构的分类钢筋混凝土结构的爆炸和拆除主要基于失稳定原则，即破坏建筑物的局部或大部分承载能力，使建筑物失去承载能力，导致整个建筑失去平衡，在重量的作用下定向坍塌或坍塌，以达到解体和拆除的目的。对于框架结构楼房的定向倾塌问题而言,要达到定向的目的,关键问题就是如何把握好框架结构楼房的重心外移和倾覆力矩问题。2结构房屋的定向坍塌2.1天然钢筋混凝土结构的定向倾塌作用对于高层框架楼房,当楼房四周的某一方向有一较为开阔的空地,即有(1.0～1.2)H(H为楼房高度)时,就可以采用定向倾塌的爆破方案。爆破时,只需炸毁最底层倒塌方向一侧的墙、柱,建筑物便在自重的作用下定向倾塌。此时,在倾塌的反方向一侧的承重墙、柱对整个楼房按预定方向倾塌起着定向支撑作用。而对于钢筋混凝土结构,当承重立柱破坏到一定程度时,以形成铰链达到定向倾塌的目的。从力学的角度看框架楼房的定向倾塌问题,当炸毁了楼房的承重部件时,首先会导致楼房的重心外移,使其在自重的作用之下形成一倾覆力矩。任何倾塌方案,都是建立在爆破过程中能创造足够大的倾覆力矩之上的。2.2余留截面的确立对于框架结构楼房,当临界炸毁高度确定以后,只需要考虑炸毁区的钢筋能否在上部荷载的作用下受压变形,使楼房重心偏移产生倾斜运动。此时,余留截面的受力状态分为前部的压区和后部的拉区。随着框架体的倾斜,余留截面的受力有两个特征:一是压区的材料被压碎而逐渐退出工作;二是拉区至楼房中轴部分地区在倾倒运动中是逐渐向后移动。当爆破后,框架结构体能否沿预定方向倾倒的基本条件是:式中,NR为框架结构体余留支撑面的极限抗压承载力;WP为临界炸毁高度以上的框架结构体的总重;MR为余留支撑截面极限抗弯力矩;MP为由框架结构体自重、风力等引起的截面弯矩值。式(1)中前式保证框架结构体倾塌时,余留支撑截面不至受压破坏而使框架结构体“下坐”,导致支撑截面的塑性铰转动能力丧失;后式则保证有足够大的倾覆力矩以克服截面的塑性抵抗矩,从而使框架结构体在压碎炸毁区以后绕后部承重立柱铰转动,开始倾塌。2.3临界破裂高度炸高是确保结构失稳倾倒,破碎充分的必要条件。对于框架结构,其部分立柱的炸高可由下式确定:式中,H为炸高;d为钢筋直径。对于钢筋混凝土框架结构,其承重立柱的失稳,是整个框架倒塌的关键。应用爆破法炸毁立柱,为了减少飞石,一般仅把立柱中的混凝土炸碎,使之脱离钢筋骨架。这样,上部建筑物在自重的压力作用下使钢筋失稳。这也是力学中所说的压杆稳定问题。对于钢筋混凝土立柱,当其中一部分混凝土被炸毁脱离钢筋后,钢筋两端仍是深深的插在混凝土中,失稳时如同两端固定的压杆。此时,框架结构体的临界炸毁高度可用下式计算:式中,P为单筋所受压力;Hlj为临界炸毁高度;E为钢筋的弹性模量;I为钢筋横截面惯性矩,对于圆形钢筋,。3框架结构楼爆破破坏机理有限单元法的基本思想是将问题的求解域划分为一系列单元,单元之间仅靠节点边接。单元内部点的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值求得。由于单元形状简单,易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式,然后将各个单元方程“组集”在一起而形成总体代数方程组,计入边界条件后即可对方程组求解。随着计算机技术的发展,有限元法进行结构动力学分析计算已经得到广泛地应用,相应开发的大型有限元分析软件,可进行线性、非线性结构静力分析,为科研工作者广泛使用。城市拆除爆破应该走出过分依赖经验的旧路,将现代先进的技术手段应用于研究中,以便使城市高耸建筑物拆除爆破朝更为科学、可控、准确的方向发展。现以三跨五层钢筋混凝土框架结构楼房爆破拆除为模型,应用ALGORFEAS通用有限元分析软件,对涉及到倾覆力矩问题的炸高以及重心外移问题进行了考虑,对混凝土、具体到混凝土中的每根钢筋都进行了数值模拟。在数值模拟的基础上进行定量计算和理论分析,为框架结构建筑物的拆除爆破的设计提供依据和建议。模拟图形如图1所示,它模拟的是一个长宽高尺寸分别为18m×7.2m×17m的框架结构楼房。对于楼房中的柱、梁、板混凝土,根据其不同的受力状态,分别赋予不同的材料和力学参数。混凝土柱中具体模拟到每一根钢筋,用以分析炸毁下部柱以后钢筋的受力状态。模型共有22658个单元,29004个节点。Z方向表示垂直方向,X、Y方向分别表示水平面的两个方向。模型的边界条件分别约束三个转动自由度和垂直方向的平移自由度。模型的各项材料参数及力学参数如表1所示:框架结构楼房的炸高由式(2)确定,后部炸高取为0.3m,前部炸高取2.1m。考虑了两个不同情况下的框架结构模型,一种是当框架结构爆破拆除前,整个结构处于稳定状态,此时,由有限元应力计算结果图可得,整个框架结构各根柱、梁以及板都处于均匀受压状态。当把框架结构下部需要炸毁的立柱混凝土赋予空气的材料和力学参数时,上部框架结构体的受力状态没有什么根本性的变化,而承重柱却处于从下至上延伸的受力状态,应力分布如图2、图3所示。由图2、图3可知,当炸毁底部承重柱时,其中部处于受拉状态;柱周边从外向内压应力逐渐减小。其最大拉应力达到了139.97MPa,并没有达到钢筋的极限抗拉强度,而压应力则分别在421.9MPa到3231.3MPa之间,远远超过了钢筋的极限抗压强度,说明在框架楼房的爆破拆除中,立柱的破坏是由钢筋的受压破坏造成的。另外,对于所述模型,当分别分析与倾倒方向垂直的三排立柱时,发现前排立柱不存在剪切破坏,而中间以及后排立柱均存在剪切破坏,如图4所示。对于框架楼房定向倾倒问题,后坐是产生剪切力的直接原因,剪切破坏的存在可以确保框架结构破坏更完全,定向更加准确可靠。所以,当爆破环境允许时,适当增大框架结构后部炸高将更加有利于框架结构体重心外移,达到定向倾塌的目的。4结构等效刚度当高层建筑的高宽比H/B≥5时,宜验算其稳定性,此时可以近似将高层建筑作为竖向悬臂受压杆,如图5所示。按照《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》的规定,其整体稳定可按下式验算:式中,Gtc为框架结构顶端等效重力荷载的设计值;H为建筑总高度;Hi为第i层高度;Gi为第i层的重力荷载设计值;Gi=1.2Gki+1.4Qki;Gki为框架结构体各层重量标准值,也可以将其乘以1.25而得出第i层的重力荷载设计值;∑EcIeq为验算方向抗侧力矩结构等效刚度之和。当对框架结构采用倒三角形荷载或均布荷载计算结构顶点水平位移时,可按下式折算其等效刚度:对于三角形荷载,当知道其基底剪应力Q0时,采用倒三角形荷载法可以求得:将qmax和结构顶点水平位移代入式(7),即可得到框架结构体的等效刚度∑EcIeq,并将此值代入式(4),就可验算结构的整体稳定性。对于高层结构,当其在水平荷载和水平作用力之下时,受到很大的倾覆力矩,当它超过结构的稳定力矩时,结构将会发生倾覆。对于爆破产生的倾覆力矩,主要是由框架结构体的重心外移而产生,此时的稳定力矩计算,可以只考虑楼层取恒载。相互比较倾覆力矩与结构的稳定力矩即可以验算框架结构体的倾覆问题。5框架结构楼的临界破裂高度(1)对于爆破环境复杂的框架结构体爆破,如果采用有限元数值模拟将有利于框架结构楼房准确定向;并且,如果知道框架结构楼房的原始建筑资料,有限元数值模拟可以模拟到每根钢筋,对钢筋的极限抗压强度及炸毁后裸露段长度进行考虑分析,可以精确地确定框架结构楼房的临界炸毁高度;(2)框架结构体的