基于ansysls-dyna的钢筋混凝土结构爆破拆除倒塌过程数值模拟

基于ansysls-dyna的钢筋混凝土结构爆破拆除倒塌过程数值模拟

1爆破过程分析的传统方法在城市现代化转型过程中，爆炸拆除被广泛应用，但爆炸拆除理论的发展低于实践，爆炸拆除设计仍以经验公式为主。同时，拆除对象的结构及其环境变得越来越复杂，各方都在要求拆除爆炸。因此，爆炸拆除应朝着正确、可控的方向发展。计算机技术的进步为解决复杂的工程问题开辟了新的途径,计算机辅助工程(CAE)已在工程领域崭露头角并发挥着越来越重要的作用,在拆除爆破领域同样可以采用CAE方法进行辅助设计。目前,拆除爆破数值分析的方法主要有离散元法(DEM)、不连续变形分析(DDA)以及有限元方法(FEM)等。就其发展和使用范围而言,有限元方法颇具优势,国内外学者采用动力有限元方法均较好地模拟了建筑物的倒塌过程。本文采用动力有限元方法结合ANSYS/LS-DYNA软件,对建筑物爆破拆除的倒塌过程进行分析。2仿真模型的建立本文以钢筋混凝土框架结构楼房为研究对象。框架结构通常由众多梁柱及楼板组成,人们以往较多采用杆系有限元建立由梁、柱组成的二维框架结构模型进行分析。本文为了考虑框架结构失稳倒塌过程中结构的空间作用,在ANSYS/LS-DYNA程序中建立由梁、柱(BEAM单元)以及楼板(SHELL单元)构成的三维框架结构模型。楼房结构爆破拆除的基本原理是用炸药破坏结构的主要承重构件,使结构在重力作用下按预定方案倒塌。本文研究的重点是炸药爆破切口形成后建筑物在重力作用下的失稳、倒塌,而不考虑炸药爆炸的过程。因此,在仿真分析中均可做出下列一些基本假设:(1)不考虑炸药产生的空气冲击波对结构的影响;(2)忽略爆破产生的应力在结构内扩散的“波效应”;(3)不考虑布置药包时的钻孔形式对结构构件的影响。3本构关系的材料模型结构失稳倒塌过程计算机分析的准确性很大程度依赖于材料模型的合理性,钢筋混凝土本构关系十分复杂,各国学者提出了多种多样的模型,但由于缺乏足够的实验基础,至今没有一种公认的论理或模型可以广泛应用于各种条件下的混凝土结构分析。本文将钢筋混凝土看作单一均匀介质,采用约束混凝土本构关系,考虑材料刚度退化及负刚度的影响,本构关系由上升段和下降段组成:上升段:ε≤0.002Kσ=Kfc[2ε0.002K−(ε0.002K)2]ε≤0.002Κσ=Κfc[2ε0.002Κ-(ε0.002Κ)2](1)下降段:ε>0.002Kσ=Kfc[1-Z(ε-0.002K)](2)式中:K为矩形箍筋约束下混凝土强度提高系数,K=1+ρvfyh/fc,这里ρv、fyh、fc分别为箍筋体积配筋率、箍筋强度、素混凝土抗压强度;Z为下降段的坡度,决定于体积配筋率、箍筋间距、素混凝土强度等。这里采用LS-DYNA程序中的Material24,MatPiecewiseLinearPlasticity材料模型定义本构关系。为方便程序使用,将本构关系曲线简化成折线形式,如图1所示。图中fcc、εcc分别表示约束混凝土抗压强度及对应的应变。爆破切口形成后,结构将在重力作用下发生变形、断裂、解体,这里材料失效应变取钢筋的极限延伸率,Ⅰ级钢0.25、Ⅱ级钢0.16。4工程实例4.1高生态混凝土驳岸拟采用爆破方法拆除某商场,其为9层框架结构。长66m、宽29m、最高标尺47.55m;底层立柱尺寸有550mm×600mm、550mm×550mm、550mm×400mm、750mm×1000mm等几种;楼板为厚10cm现浇板,混凝土标号为C30。商场结构平面图如图2所示。4.2该项目的内部设计采用定向倾倒爆破方案,上、下两个切口示意图如图3所示。4.3lagrange算法的程序控制方程采用BEAM161单元建立梁、柱,SHELL163单元建立楼板单元,梁、柱以及楼板通过共用节点方式建立组成三维框架结构。由于爆破前各楼层的大部分隔墙被人工拆除,不再建立隔墙单元。地面假设为刚体,采用SOLID164单元建模,在框架结构底部施加固定约束,地面由于采用刚体单元建模,在质心施加固定约束。对整个模型施加9.8kg/m2重力。建模、施加约束与加载均在ANSYS/LS-DYNA程序中完成。ANSYS/LS-DYNA程序是功能齐全的几何非线性、材料非线性和接触非线性程序,它以Lagrange算法为主,本文模型亦是采用此算法。Lagrange型程序跟踪固定质量元运动,其主要特点是它能精确地跟踪材料边界和界面,在界面处的材料被认为是从动的和主动的,用这种算法建立的程序允许主动和从动界面之间接触、分离、滑动,或有无摩擦。Lagrange网格随材料流动面变形,一旦网格畸变严重,就会引起数值计算的困难,甚至程序终止运算,必须在旧网格上重叠一新网格才能计算下去。下面对Lagrange算法的程序控制方程作一简单介绍。取初始时刻的质点坐标为Xi(i=1,2,3)。在任意时刻t,该质点坐标为xi(i=1,2,3)。这个质点的运动方程是:xi=xi(Xi,t)i=1,2,3在t=0时,初始条件为:xi=xi(Xi,t)=Xix˙i(Xi,0)=vi(Xi,0)xi=xi(Xi,t)=Xix˙i(Xi,0)=vi(Xi,0)式中vi为初始速度。(1)动量方程:σij,j+ρfi=ρx¨iσij,j+ρfi=ρx¨i(3)式中:σij为柯西应力,i=1,2,3;j=1,2,3;fi为单位质量体积力;x¨x¨i为加速度。(2)质量守恒:ρ=Jρ0(4)式中:ρ为当前质量密度;ρ0为初始质量密度;J为雅克比行列式。(3)能量方程:E˙=VSijε˙ij−(p+q)VE˙=VSijε˙ij-(p+q)V(5)用于状态方程计算和总的能量平衡。式中:V为现时构形的体积;ε˙ε˙ij为应变率张量;q为体积黏性阻力;偏应力Sij=σij+(p+q)σij(6)压力p=-(1/3)σkk-q;σkk为球应力,k=1,2,3。(7)(4)边界条件①面力边界条件:σijnj=ti(t)(8)式中:nj为现时构形边界的外法线方向余弦,j=1,2,3;ti(t)为面力荷载函数,i=1,2,3。②位移边界条件:xi(Xj,t)=Ki(t)(9)式中,Ki(t)是给定位移函数,i=1,2,3。③滑动接触面间断处的跳跃条件:(σ+ij-σ-ij)nj=0当x+j=x-j接触时沿接触边界S0(10)伽辽金法形式平衡方程为∫V(ρx¨i−σij,j−ρfj)δxidV+∫S0(σ+ij−σ−ij)njδxidS+∫S1(σijnj−ti)δxidS=0(11)∫V(ρx¨i-σij,j-ρfj)δxidV+∫S0(σij+-σij-)njδxidS+∫S1(σijnj-ti)δxidS=0(11)其中,δxi在S2边界上满足位移边界条件。5爆破切口接触的模拟起爆后,大楼按预定方向倒塌,历时6s,解体充分。倒塌过程中出现了后坐,后坐距离约10m,倒塌长度约40m。大楼爆破倒塌过程模拟计算:建筑物倒塌过程分为自由下落、转体倾倒、空间解体、倒塌堆积四个阶段,在这一过程中,构件之间、构件与地面之间均会发生接触与碰撞,因此采用ANSYS/LS-DYNA程序提供的AutomaticSingleFace自动单面接触计算模型,该接触计算模型可以自动搜索接触面,判断接触。接触摩擦系数统一设定为:静摩擦系数0.5,动摩擦系数0.4。爆破切口的形成,采用改变爆破切口处材料的强度和刚度的办法予以实现,即将切口处材料的抗压强度和弹性模量降低至一个很低的水平(相当于材料失效),并赋予一个较小的失效塑性应变。在程序中通过*DEFORMABLE_TO_RIGID_AUTOMATIC材料转换关键字实现,根据材料转换时间的不同,逐次形成爆破切口。计算求解时间10s,步长0.1s,计算结果如图4所示。模拟结果同真实情形非常接近:倒塌时间6s,最大后坐距离11m,倒塌长度38m;模拟结果与实际爆破最大误差不超过10%。6材料模型的不足及展望(1)从计算的结果来看,本文采用的分析方法和本构关系模型,可以计算模拟结构从爆破切口形成到整体倒塌的全过程,结构失稳、解体、碰撞、断裂等现象均可考虑在内。采用此种方法对拆除爆破进行辅助设计对减少拆除爆破风险、增加设计的可靠性、解决现有设计方法不足具有积极意义。(2)本模型亦有不足:①模型中的失效单元会被自动删除,因而对爆破堆积高度模拟不足;②ANSYS/LS-DYNA本身自