数值模拟在拆除建筑物中的应用

研究生学位论文开题报告课题名称数值模拟在拆除建筑物中的应用研究生姓名导师姓名所在院（系）学科专业年级攻读学位级别论文工作的起止时间大学研究生院制2011年12月20日填写填表需知一、填写本表前，研究生应根据本表各部分要求写出初稿，由各硕士点研究生指导教师小组组织，在硕士点（教研室、重点实验室、研究所等）内公开作学位论文工作的开题报告。

二、参照指导教师小组意见修改初稿后正式填写本表，所填内容一经确定，一般不随意变动。

三、本表各部分如不够填写，可自行加页。

四、本表一式三份，研究生本人一份，指导教师一份，所在学院一份。

五、请于第三学期结束前完成本表的填写并交所在培养单位存档。

一、课题来源课题来源导师项目“0000000000000000000000000”二、选题的国内外研究现状及水平、研究目标及意义（包括应用前景、科学意义、理论价值）以及主要参考文献国内外研究现状及水平国外研究现状瑞典的ConnySjobegr利用高速摄影机对高层建筑物爆破的倒塌过程进行了研究。

研究对象是位于瑞典歌德堡的混凝土框架结构建筑物。

爆破前，在建筑物上设置许多标点，利用摄影机以每秒64幅的速度摄制建筑物的倒塌过程，共摄得500幅照片。

用数字化仪将摄得的标点位置信息输入计算机，通过计算机分析绘制成时间-位置，时间-速度图，可以计算出结构的势能、动能、总能量、建筑物切口上部反作用力和塌落荷载。

瑞士苏黎士建筑静力学和建设学院从1977年开始对罗特巴赫桥的爆破拆除进行了广泛的理论和实验研究，旨在寻找一种最优化的爆破拆除方案。

在该项研究中采用了有限元数值法来模拟在爆破后发生坠落的情况。

根据介质的对称性，只模拟桥一侧的坠落情况。

将桥划分为23个单元，借助有限元程序进行计算，该程序可以计算非线性变形状态。

同时借助应变仪对不同位置的钢筋拉伸进行测试，并用高速摄影机对下落过程进行拍摄，以便比较有限元数值方法的计算结果与实际的下落过程的吻合情况。

Guichen M A和Atsumi Myake等利用不连续变形分析方法对一个仓库的爆破拆除进行了数值模拟，并把结果同高速摄影机获得的一手资料进行了比较，结果表明数值模拟与实际爆破拆除结果吻合良好。

阿根廷的B.M.Luccioni等用AuToDYN对一个钢筋混凝土结构室内发生炸药爆炸的恐怖袭击进行了模拟，利用ALE再现了从引爆到结构毁坏的全过程，其中包括了爆炸冲击波的传播及其与结构的相互作用，并与实际破坏的照片比较，验证了计算机模拟方法的有效性。

国内研究现状冯叔瑜等学者、铁科院和工程兵学院依据结构稳定理论对钢筋混凝土框架和厂房爆破拆除进行了工程研究，得到了立柱爆破的最小高度。

中国科学院力学所1988年爆破拆除北京华侨大厦时，首先运用计算机对结构受力状况作模拟计算，优化爆破设计方案，取得了满意的爆破效果。

清华大学的陆新征采用ANSYS/LS-DYNA动力有限元软件对“9·11”事件中世贸大厦倒塌过程进行了仿真模拟。

虽然不属于爆破拆除范畴，但对结构的倒塌仿真研究具有借鉴意义。

罗德丕使用ANSYS/LS-DYNA对两座85m钢筋混凝土烟囱交叉折叠倒塌爆破进行了模拟。

刘伟采用ANSYS/Structure对一框架结构的爆破方案进行了静力分析，采用ANSYS/LS一DYNA分别对一座九层框架结构楼房和一座双曲线冷却塔的倒塌过程进行了模拟，模拟效果与实际工程较为接近。

贾金河、于亚伦等提出了应用有限元和DDA两种方法模拟建筑物爆破拆除，并模拟了一座七层框架结构其失稳与倒塌过程。

骆利锋使用ANSYS/LS-DYNA对一座45m砖烟囱定向爆破和一座50m混凝土双向折叠爆破进行了模拟。

同济大学的李承用离散单元法对钢筋混凝土框架结构爆破拆除进行了计算机仿真分析。

根据钢筋和混凝土两种材料的本构关系以及他们的共同工作机理，同时考虑到框架结构的实际受力变形特点，提出了基于多刚体--弹簧理论的离散元分析模型。

该模型采用非线性的弹簧模型和以极限变形为基础的各方向祸合的弹簧破坏准则，并且反映了钢筋与混凝土之间的粘结滑移作用;与弹簧刚度相对应，单元阻尼也是随时间变化的，兼顾结构耗能作用和保证数值计算结构的收敛性两方面的要求。

采用该理论模型编制了较完整的计算机仿真软件，能进行从结构前处理、结构倒塌反应的数值模拟到最后图形仿真的全过程分析。

通过上海市市区中心一座高层钢筋混凝土框架结构的仿真计算结果与实际爆破拆除过程资料的对比，表明其研究结果是比较合理和实用的。

孙金山和卢文波等应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。

该技术有助于提高拆除爆破设计方案的安全性和可靠性。

1、研究目标及意义当代，被拆建筑物高度越来越大，结构形式越来越复杂，且被拆高层建筑物大多处于人口密集、建筑物相对集中的地带，致使拆除的难度日益增大。

相对人工拆除和机械化拆除，控制爆破拆除高耸建筑物具有迅速、经济、实用、安全等优点，因此只要条件允许，国内外均用爆破拆除。

但拆除爆破目前研究还不够深入，主要依靠工程经验，如何完善拆除爆破拆除理论成了当务之急。

而且每个建筑物往往只有一次爆破拆除的机会，一旦失败就会造成严重的后果，因此在爆前检验爆破方案的可行性，借助与计算机模拟技术则能成功解决这一难题。

计算机模拟技术的发展为研究高层建筑物爆破拆除提供了新的方法和手段。

计算机模拟不仅可以直观地显示目前还不易观测到的或难以解释的一些现象，而且还可以显示任何试验都无法看到的发生在结构内部的一些物理现象。

另外，计算机模拟还能降低爆破拆除的试验成本，加速理论、试验研究的进程。

针对目前高层建筑物拆除爆破理论落后于实践这一现象，本课题研究的目标：运用动力学原理分析框架结构建筑物拆除爆破的倒塌机理，利用有限元ANSYS/LS-DYNA，用BEAM161和SOILD164单元建立三维有限元模型，采用共节点分离式钢筋混凝土模型对建筑物倒塌过程进行数值模拟，通过数值模拟仿真，研究折叠爆破不同爆破缺口高度和延时时间对倒塌范围和爆堆高度的影响；通过对不同拆除爆破方案进行模拟，得出符合业主要求的爆高和倒塌范围的最优爆破方案；最后，通过对混凝土和钢筋单元应力-时程曲线的分析，指出共用节点分离式模型能够较好地反映钢筋和混凝土两种材料的力学性能差异。

意义：用ANSYS/LS-DYNA模拟软件对建筑物倒塌进行数值模拟仿真，模拟建筑物的倒塌过程，提取爆高和倒塌长度，验证爆破方案的可行性，优化爆破方案，使其趋于合理；推动安全技术的发展，更好的服务于我国的现代化建设。

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