高耸建(构)筑物倒塌引起地面振动的数值模拟的研究.pdfVIP

高耸建(构)筑物倒塌引起地面振动的数值模拟研究 ·93l 高耸建(构)筑物倒塌引起地面振动 的数值模拟研究 唐春海1 赵明特2 于亚伦3 (1广西大学，广西南宁530004；2广西工程爆破协会 广西南宁530023；3北京科技大学，北京100083) 摘要本文采用数值模拟的方法，应用动力有限元程序ANSYS／LS—DYNA5．7，建立 了建(构)筑物倒塌冲击地面的数学模型，对倒塌所引起的周围地面质点振动规律进 行的研究。通过对地面质点振动参数的拟合分析，结果表明地面质点振速随着距振源距 离的增大呈指数减少，并得出了振速的计算方法。此公式可应用于预测高度为25—80m 的构筑物倒塌冲击所引起的周围地面质点振动速度。 关键词 数值模拟 地面振动 高耸建筑物 1 前言 拆除爆破中，炸药爆炸和建(构)筑物倒塌冲击地面都能引起地震动。拆除爆破的爆破工 点大多位于城区，周围的建(构)筑物多、距离爆区近，地震波易对它们形成危害，因而地震 效应一直是拆除爆破的安全技术中主要的问题。近年来大量工程的测试和实践表明：拆除爆破 中，尤其是高耸构筑物的拆除中，爆炸地震波的危害并不一定是关键因素，起决定作用的往往是 构筑物倒塌冲击引起的振动对周围环境的影响。因此，构筑物倒塌撞击地面的过程、地震波的组 成及传播、如何预测构筑物撞击引起的振动，建立一套振动强度的预测方法和预防措施，是一个 有待解决的问题。本文应用动力有限元程序ANSYS／LS—DYNA，建立了构筑物倒塌冲击引起的地 面质点振动的计算模型，在此基础上，研究地震动的传播规律，得出地震动强度的预测方法。 2有限元模型的建立 2．1 波动有限元问题的求解策略 21．1 波动有限元中的人I边界 用有限元求解在无限域中的波动问题，首先必须从无限域中截取出研究区域，设置人工边 界，以吸收到达边界处的应力波。若人工边界设置得不合理，将会在人工边界上产生波的反射， 使计算结果与实际情况不符。ANSYS／LS—DYNA5．7提供了新的功能，即可使用非反射边界条件 来表示无限域。非反射边界阻止应力波从模型的边界反射。使用非反射边界，可以使计算模型相 对缩小，减少计算的工作量。 21．2有限单元网格尺寸 从物理意义上说，连续体离散化后将引起两种不利的效应，一种称为“低通效应”，另一种 称为“频散效应”，它们都将使波的传播性质发生变化。但是，理论和实践证明，当划分的网格 尺寸足够小时，用有限元离散模型代替连续介质模型求解引起的误差通常可忽略不计。二维和三 维离散模型中波的传播问题，除了～维离散模型中的频散、截止频率外，随着维数的增加还将引 入新的问题，因此，分析瞬态波传播问题时，应使单元网格尺寸划分得足够小，据ANSYS资料 932 爆破振动与安全技术 介绍，单元网格尺寸h≤(1／20)A…(A为波长)时，用有限元离散模型代替连续介质模型分 析动力问题引起的误差通常可忽略不计。 2．1．3人I体积黏性 高速碰撞结构中产生冲击波，形成压力、密度、质点速度和能量的跳跃，给动力学微分方程 组的求解带来了困难。1950年Von 项，使应力波的强间断模糊成在相当狭窄区域内急剧变化但却是连续变化的。在DYNA3D中采 用如下算法 s¨1(QIf 8n0 『p11 8k。+Q：c) … ‘ ‘0 ％≥0 式中p——密度； f——单元体积的立方根； c——材料声速。 06。 无量纲常数Q．=15，Q：=0 2．14时间步长控制 根据稳定性条件，DYNA3D取变时步长法。先计算单元的极限时间步长为： At。=0．9V．／{[Q+(Q2+c2)。“]A…} (2) 其中 Q=Q：C+Q，匕慨。l／A…