框架结构建筑物拆除爆破模拟技术研究.doc

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框架结构建筑物拆除爆破模拟技术研究 　　 　　摘要：本文提出了采用有限单元法和多刚体动力学数值仿真方法相结合的仿真技术对框架结构建筑物拆除爆破进行模拟的方法。
该技术可对结构的失稳、解体、倒塌运动过程、堆积范围等问题进行预测或再现，有助于提高拆除爆破设计方案的安全性和可靠性。
　　 　　关键词：框架结构建筑物拆除爆破数值模拟有限单元法多刚体动力学1引言随着我国城市化进程的加快，采用爆破方法快速拆除建(构)筑物日益受到重视并被广泛采用。
然而在当前的爆破设计中，仍主要依靠工程师的工程经验来预测结构的倒塌过程，倒塌范围也仅能采用经验公式进行估算。
在遇到结构复杂的建筑物或爆破方案较为复杂的情况时，工程经验及经验公式便难以满足需要。
随着计算机技术的发展，采用数值仿真的方式对建筑物拆除爆破进行模拟已经可以实现。
　　 　　建筑物拆除爆破的模拟是一个非常复杂的问题，必须依赖于的复杂的数值计算方法以及实验等其它非数值手段来解决。
近年来国内外学者普遍采用的数值计算方法主要有理论力学法、有限单元法、DDA(DiscontinuousDeformationAnalysis)方法、离散单元法、个别元素法等，非数值计算方法主要有爆破专家系统等，取得了一些重要成果。
本文尝试运用有限单元法和多刚体动力学数值仿真方法相结合的数值仿真技术对框架结构建筑物拆除爆破的模拟进行了研究。
2有限元法与多刚体动力学仿真技术建筑物拆除爆破是通过破坏建筑物的关键承重部位使其失去承载能力，使建筑物在自重作用下失稳倒塌，这个过程可视为结构由静力平衡系统转化为多刚体动力系统的过程，使采用多刚体动力学数值仿真方法和平面杆系结构有限元法对建筑物爆破拆除过程的模拟成为可能，其仿真流程如图1所示。
平面杆系结构有限元法是建筑结构设计中应用最为广泛的一种方法。
建筑物拆除爆破涉及的对象是建筑结构，因此在建筑物拆除爆破设计中，可以运用平面杆系结构有限元法，对拆除过程中不同阶段的结构内力(轴力、剪力和弯矩)进行分析，以便为拆除爆破设计提供准确的依据，提高拆除爆破设计的可靠性和准确性。
　　 　　多刚体动力学是经典力学的基础上产生的新学科分支，在复杂机构的动力分析中的应用非常广泛。
以多刚体动力学为理论基础的数值仿真方法将现实世界中的复杂机构系统概化为由约束机构联结若干刚体而成的树状结构，并自动形成系统的数学模型，运用计算机可视化技术对其求解结果进行可视化，以预测或再现机构系统的运动过程。
　　 　　在该多刚体动力学仿真系统中可定义的刚体的质量、密度、体积、形状、质心、位置、速度与角速度以及刚体间碰撞的能量损失率与摩擦系数等，并且可以定义铰链等约束的摩擦系数等以便模拟整个多刚体系统在倒塌运动过程中的能量损失。
该仿真技术采用较先进的变分方法建立刚体运动数学模型，运用Kutta-Merson积分方法对其求解，可精确计算刚体的运动路径和刚体间彼此的穿透和碰撞行为。
3建筑物拆除爆破机理模