3 拆除爆破数值模拟技术的研究现状

3.1 综述

拆除爆破属于比较特殊的一种爆破技术，拆除对象千差万别，作业环境又大多在城市闹市区，所以要达到的特定爆破效果与常规的以破碎岩土介质为目的的爆破技术有着本质上的区别，除了要遵循一般常规爆破的爆轰原理、介质破碎机制外，还需要分析结构倒塌机制、倒塌的复杂动力学过程以及爆破与触地振动效应等问题。所以拆除爆破技术比一般爆破技术复杂得多。虽然拆除爆破技术复杂、风险高，但是在工程技术人员的不懈努力与长期工程实践积累中已经摸索出一套以实践经验为主、理论分析为辅、以相关国家标准为指导的、相对成熟的施工方法。

但是，由于理论发展的滞后，目前，进行拆除爆破设计主要是依靠设计工程师的经验和在实验基础上通过统计分析而来的经验公式，如钢筋混凝土框架结构楼房爆破拆除主要采用不等爆高和等爆高两种方式使楼房失稳，立柱爆高的选取并没有从结构的空中解体，构件塌落和爆炸堆积范围以及结构落地造成对地表的冲击振动等方面来综合考虑。设计参数的选取还没有成熟的理论依据，而只能以经验公式为基础。实际工程中往往靠爆破工程师的实践经验进行设计。但是具有这种较高的专业知识和丰富实践经验的工程师人数满足不了实际需要，这就造成了爆破设计的从业人员业务素质参差不齐，从而导致在爆破的设计和施工过程中出现了许多问题，爆破事故频频发生：如拆除物危立不倒，爆破碎石乱飞，甚至出现建筑物反向倾倒，引起人员伤亡并对周围建筑造成重大损害等事故。因而在进行爆破设计时，必须综合考虑建筑物倒塌方向和距离、爆破后堆积物高度、触地振动、建筑物解体形式以及有害效应等多方面的因素，要想在理论上把这些因素完全分析清楚是很困难的。近年来，我国爆破工作者在拆除爆破技术方面做了大量工作，但是对于建筑物的倾倒、解体形式和触地振动等技术问题的理论研究还处于探索阶段，在理论上有待于进一步完善，而通过计算机仿真分析来优化选择设计参数并对设计结果进行验证，无疑是一个经济有效的方法[58]。因此，运用计算机模拟手段对结构倒塌的复杂动力学过程进行模拟越来越受到重视。

拆除爆破的数值模拟是按照特定的数学或物理模型，利用计算机进行过程模拟的研究方法，拆除爆破的数值模拟应该满足以下几个方面的要求：①可以描述结构构件的局部破坏与整体结构的失稳；②可以预测爆破效果，对于拆除爆破，主要是预测爆破块度分布、爆堆形态（包括爆堆高度、前冲距离、后座距离等）； ③可以根据模拟结果优化爆破设计；④模拟和再现结构倒塌过程。

因此，将计算机模拟技术应用于建筑物拆除爆破，不仅可以了解问题的结果，而且可连续地、动态地、重复地描述事物的发展规律，了解结构整体倒塌与局部断裂破坏的详细过程。同时，还可以把模拟结果中反映的信息反馈给爆破设计，可以修正、完善爆破设计方案，因而拆除爆破仿真模拟技术的研究具有重要的工程应用价值。

由于建（构）筑物爆破拆除破坏过程涉及的力学问题十分复杂，研究中必然要用到数值分析方法。各种数值分析方法在不同的领域内取得的效果是不一样的，数值分析方法的选择是否恰当，将直接关系到研究结果的好坏，因而在研究前对各种数值分析方法进行比较与分析是十分必要的。

在计算机技术飞快发展的今天，完全有可能在计算机上对爆破过程进行详细模拟分析。因此，促进了各种数值方法的诞生和发展。在爆破数值模拟及结构倒塌数值模拟方面主要有以下几种数值方法：平面杆系结构有限元法、数值流形法（manifold method, MM）、有限单元中的节理单元法（Joint element, Je）、非连续变形分析（discontinuous deformation analysis, DDA）、离散单元法（discrete element method, DEM）、块体理论（block theory, BT）、快速拉格朗日法（fast lagrangian analysis of continua, FLAC）、静力同步松弛离散单元法（又称块体弹簧元法，BSM）以及无网络伽辽金法（element free galerkin method, EFGM）等[59][60][61][62]。

在爆破理论研究中应用较多的数值分析方法是：平面杆系结构有限单元法、离散单元法以及块体系统的不连续变形分析等。