基于離散單元法的群樓拆除爆破仿真模擬

張 偉

(1.山東交通學院 交通土建工程學院， 濟南 250357； 2.山東省土木工程防災減災重點實驗室， 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.山東交通學院 交通土建工程學院， 濟南 250357； 2.山東省土木工程防災減災重點實驗室， 山東 青島 266590)

基于青島開發區一商場爆破工程，利用顆粒離散元法建立離散元網格實體模型，用多面體離散元法模擬分析拆除爆破中建筑物的倒塌過程。研發的網格實體模型詳細模擬了建筑物從結構局部失穩到整體完全倒塌的整個過程，確定了爆堆輪廓線和爆堆尺寸，直觀給出了爆破設計的效果。觸地振動、沖擊力變化分析結果表明：所給出的爆破方案可達到預期拆除爆破的效果，觸地振動符合《爆破安全規程》要求；該模型可優化爆破設計，指導爆破施工，為建筑物拆除爆破的災害預測與安全評估提供理論依據。

拆除爆破；網格實體模型；離散單元法；爆堆輪廓；觸地振動；仿真模擬

1 引言

目前，隨著城市中大量基礎建設的增加，為節約用地和減少經濟成本，對原有建筑物進行拆除的越來越多。拆除爆破由于其高效、快速等優點，已經被應用到經濟建設的多個領域中。由于絕大多數的拆除爆破均在城市密集區進行，爆破效果和爆破危害直接影響爆區周圍居民的生命財產，關系到爆破工程能否安全順利進行。鑒于此，利用先進的計算機模擬技術，在拆除爆破施工前，對爆破進行仿真模擬，將建筑物從局部構件開裂到整座建筑物倒塌的過程模擬出來，利用模擬的信息優化爆破設計，具有重要的工程應用價值。

由于建筑物結構形式的多樣性、炸藥爆轟的復雜性與結構倒塌的多變性等因素，給拆除爆破預測與控制的研究帶來了許多困難。目前，拆除爆破的理論研究還不能滿足工程實踐的需要。早期，爆破工作者主要是通過實驗或簡化的解析分析對結構的失穩判據進行研究。近年來，爆破工作者在拆除爆破技術方面做了大量工作，通過計算機仿真分析來優化選擇設計參數并對設計結果進行驗證已成為共識。北京礦冶研究總院〔1〕將VCR采礦法、現場實驗與計算機技術有機結合，開發出地下礦山VCR爆破鑿巖計算機模擬模型。賈金河等〔2-3〕，王建宙等〔4〕，趙根等〔5-6〕基于具體工程，運用非連續變形分析法(Discontinous Dfeormation Analysis )對建筑物的爆破倒塌過程進行模擬。

對拆除爆破進行計算機數值模擬，首先按照特定的數學或物理模型，然后需要滿足以下四個方面的要求〔7〕：①可描述結構構件的局部破壞與整體結構的失穩；②可預測拆除爆破的塊度分布、爆堆形態(包括爆堆高度、前沖距離、后座距離)等爆破效果；③可根據模擬結果優化爆破設計；④可預測結構整個倒塌過程等。

基于青島開發區一商場群樓拆除爆破工程，首先利用顆粒離散元法建立離散元網格實體模型，然后采用多面體離散元法對群樓拆除爆破的倒塌過程進行仿真模擬，預測該群樓的失穩倒塌過程，爆堆形態及范圍。該方法可為建筑物拆除爆破的災害預測及安全評估技術研究提供理論依據。

2 倒塌過程的數值模擬

采用離散元法建立網格實體模型。網格實體模型的作用原理：用多面體將研究對象離散，每個塊體單元的相鄰單元通過接觸發現算法來確定，在所有相鄰單元間施加梁(見圖1～圖2)。通過塊體之間 “梁”的變化過程(即從梁的變形到梁的消失)，來描述建筑物倒塌的整個過程。

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

圖2 介質中的“梁”網絡 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

模擬所需及計算控制的主要參數如表1所示。

表1 模擬所需主要參數及計算控制主要參數

數值模擬前，首先計算各單元在自重作用下達到平衡的過程，計算結果如圖3所示。

圖3 單元在自重作用下達到平衡狀態時的應力分布Fig.3 Stress distribution at the state of equilibrium under its own weight

2.2 倒塌過程模擬結果

模擬結果主要為結構倒塌過程(位移變化過程)、結構在地面投影輪廓范圍、單元受力的變化過程，在每個輸出步長，分別輸出相應數據文件，經后處理模塊加工后生成圖片(見圖4)。

圖4 群樓拆除爆破結構倒塌過程的網格實體模型模擬結果Fig.4 Solid lattice model simulation of group buildings in collapsing process

應用該自行研發的網格實體模型程序，確定了爆堆輪廓線和爆堆尺寸，直觀給出了該次爆破設計的效果，詳細描繪了該群樓從結構局部失穩到整體完全倒塌的整個過程(見圖5)。

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

3 觸地沖擊與振動模擬

拆除工程中，建筑物倒塌堆積在地基地面的過程中，會產生動力沖擊響應，該響應的大小與建筑物高度、倒塌物重量、地基的軟硬程度、沖擊時間等密切相關。

為進一步研究建筑物拆除過程中可能造成的沖擊振動，在該群樓倒塌方向設置一監測剖面(見圖6)，在地表布設了12個數值測試點(間距10 m)，并在可能產生的最大振動速度處自上而下每4 m布設一個測點，以分析地面不同深度所承受的沖擊力(見圖7)。

圖6 監測剖面位置Fig.6 Monitoring section location

模擬結果表明，1～2點間主要受主樓拆除爆破倒塌的影響，其豎向振動速度為4～5 cm/s。3點區位置受樓房拆除倒塌旋轉落點的影響，在地面可能產生24 cm/s的局部振動速度，而4～6點區主要受局部倒塌物撞擊影響，振動速度為1～2 cm/s。在3號樓倒塌前方的測點，由于受拆除倒塌多階段影響，其振動持續時間較長，尤其是主樓頂部墜落時，容易產生較大的沖擊力，導致巖土地面產生超過30 cm/s的振動速度。但巖土介質中的振動速度，隨著深度衰減劇烈，8點振動速度為18 cm/s，在地下4 m處，已經衰減為3.8 cm/s，其下各點類同，已經處于彈性波的范圍。根據8、13、14點的豎向應力時程(見圖8)，樓房拆除過程中產生的最大沖擊力振幅約在20 kPa，發生于地表單元(單元中心距地面0.5 m)，振幅自上而下逐步衰減。

圖7 數值計算中的振動監測點位置Fig.7 Vibration monitoring location of numerical calculation

圖8 部分測點位置的豎向應力變化Fig.8 Vertical stress changes of some measuring points

4 仿真模擬與實際爆破效果對比

青島開發區一商場爆破拆除的瞬間過程和實際爆堆情況如圖9所示。

圖9 爆破效果Fig.9 Blasting effect

由圖5和圖9可以發現，仿真模擬結果與實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構局部失穩到整體完全倒塌的整個過程。

5 結論

(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，具有特殊優勢。

(2)網格實體模型程序詳細模擬了建筑物從結構局部失穩到整體完全倒塌的整個過程，確定了爆堆輪廓線和爆堆尺寸，直觀給出了爆破設計的效果，克服了使用有限元法分析時無法模擬材料破壞后碎塊的運動狀態。

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

(4)基于離散元框架的網格實體模型程序可優化爆破設計，指導爆破施工，為建筑物拆除爆破的災害預測與安全評估提供理論依據。

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JIA Jin-he, YU Ya-lun. Study on numerical simulation method of building demolition blasting[J]. Engineering Blasting， 1999, 5(1): 47-51.

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〔6〕 趙根,王秀杰,吳新霞，等. 三峽三期RCC圍堰拆除爆破傾倒效果DDA模擬[J]. 固體力學學報, 2006, 27(S1): 148-153.

ZHAO Gen, WANG Xiu-jie, WU Xin-xia, et al. Effect of DDA simulation on the demolition blasting of RCC cofferdam in the Three Gorges Three Phase[J]. Journal of Solid Mechanics, 2006, 27(S1): 148-153.

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JIA Yong-sheng. Continuous simulation of collapse process of large scale demolition blasting[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2010: 67-90.

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

山東交通學院科研基金資助項目(Z201502)；山東交通學院博士科研啟動基金資助項目；山東省土木工程防災減災重點實驗室開放課題基金資助項目(CDPM2014KF04)

張 偉(1979-)，女，博士，高級實驗師，從事爆破力學與工程方面的教學與研究。E-mail:zhangwei333518@126.com

TD235

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.06.002