维普资讯 http://www.cqvip.com 工程地质计算机应用 ２００６年第２期 总４２期 拆除爆破计算机模拟技术分析 魏德（青海格尔木青海盐湖工业集团有限公司格尔木８／６０００） 【摘要】本文扼要地论述了拆除爆破的现状，介绍了拆除爆破在计算机模拟方面所取得的成绩， 并指出了目前拆除爆破理论方面的不足，对拆除爆破模拟技术的进一步发展方向做出了分析。 【关键词】拆除爆破计算机模拟切口高度 拆除爆破由于高效、经济、安全等特点，在我国城市改造和土木工程中得到了广泛应用。 然而，对于一个爆破工程，为了寻求最优爆破方案，我们必须能对爆破效果和爆破危害等做 出合理预测。目前，为了对爆破效果和爆破危害做出预测，普遍采用在实验室或现场做大量 模拟实验，这要耗费大量人力和物力。而拆除爆破的计算机模拟则只需将已知参数输入计算 机，就能对爆破效果和爆破危害做出预测，进而选择最经济、安全的方案。因而，随着计算 机仿真技术的飞速发展，拆除爆破的计算机模拟技术也开始发展起来了。 １拆除爆破的理论现状 拆除爆破模拟技术的发展依赖于爆破模型的准确建立，而爆破模型的准确建立又依赖于 拆除爆破理论的发展。而目前拆除爆破进行的理论研究工作却远远不够，介质爆破机理很不 完善，还没有一个精确而统一的理论。长期以来，大多数爆破工作者都是借助一定的理论计 算，同时辅以大量的实践经验去进行爆破设计和分析的。例如，在采用“定向倒塌”方式拆 除烟囱或水塔时，爆破切口高度和爆破切口长度一般分别按以下公式…选取。 ＝Ｉ１．５～２．Ｏ （１） ，，’ 、 工＝ｌ二一二ｌ３ ４ 死Ｄ （２） 式中： 为爆破切口最小高度； 为爆破部位壁厚；Ｄ为爆破部位筒壁的外直径；工为爆破 切口长度。 式（１）和（２）中系数的选取没有统一标准，往往凭借个人的实践经验取值。当然，也 有许多学者推导了一些很有价值的公式 “ ，但仍然是基于很多的假设，与工程实际仍有一 定的差距。 建（构）筑物的拆除爆破是一个极其复杂的过程，不仅涉及大量关于爆破方面的知识， 而且也涉及大量关于钢筋混凝土和砖石结构的知识以及理论力学和材料力学方面的知识。例 如，框架结构或烟囱的定向倒塌，就是破坏其刚度使其失稳：拆除建筑物的逐段解体延迟时 间的确定，应由前排解体框架运动对未解体框架作用力的大小和方向来确定：高耸构筑物的 整体倾倒的倾角和时间的关系，要用动能定理来计算；烟囱或水塔倾倒时的后坐力需要动力 平衡方程来求解等。但它们又不单纯属于一般的力学问题，而必须结合在冲击载荷作用下的 爆炸动力学综合加以考虑，这就使得问题的复杂性大大提高。所以，要准确建立建（构）筑 物等的拆除爆破模型，实现拆除爆破的计算机模拟，必须具有丰富的知识，充分了解建（构） 维普资讯 http://www.cqvip.com 工程地质计算机应用 ２００６年第２期 总４２期 ２１ 筑物等的爆破倒塌过程，深入细致地研究有关结构的受力条件。由于目前爆破理论的不完善 以及拆除爆破的复杂性，使得我们对建（构）筑物等爆破倒塌过程认识不足，因而建立的爆 破模型不够准确，这严重阻碍着计算机模拟技术的发展。 ２拆除爆破模拟技术所取得的进展 由于建（构）筑物等的拆除多处于人口稠密、建筑群相对集中的闹市地段，对拆除的安 全性和高效性要求很高。为了选取安全、经济的拆除方案，往往是在实验室或现场做大量的 模拟试验。试验一方面浪费人力和物力，另一方面，若试验因子选取不当或各部分比尺不一 致，往往会造成模拟爆破失真Ｈ 。因而，拆除爆破仿真技术的发展就被提上了日程。 计算机模拟爆破首先被应用于矿山控制爆破工程中。在二十世纪五十年代，美国加利福 尼亚大学劳伦斯辐射实验室根据塑性流动的应力波理论，首先提出了一维和二维计算机模拟 程序 ；加拿大皇家军事学院教授Ｒｏｇｅｒ Ｆａｖｒｅａｕ于１９８０年开发了被称为ＢＬＡＳＰＡ的实用爆 破优化系统 ；美国桑迪亚国家实验室于１９８７年开发了“ＣＡＲＯＭ”计算机模拟程序 ：澳大 利亚布罗肯希尔有限公司于１９８４年以二维动态有限元模型为基础建立了可以确定爆破块度、 岩体应力、质点速度、预测爆堆形状和爆破震动模型 ；英国ＩＣＩ公司于１９８７年推出了一种 新的爆破计算模型ＳＡＢＲＥＸ”儿 ；加利福尼亚大学洛斯阿拉莫斯实验室于二十世纪八十年代研 制出了二维和三维波传播计算机程序ＳＨＡＬＥ和ＳＡＨＡＬＥ－３０饽 ；加拿大诺兰达技术中心开发出 来了三维计算机辅助地下矿爆破设计系统ＢＬＡＳＴＣＡＤ “ｍ… ；北京矿冶研究总院结合ＶＣＲ采矿 法的试验研究，研制了地下矿山ＶＣＲ采矿法凿岩爆破计算机模拟模型 ；长沙矿山研究院与 南芬露天矿合作于１９９１年建立了露天矿爆破参数优化系统 ；马鞍山矿山研究院邹定祥于 １９８２年根据自己提出的爆破破岩过程的三维数学模型编制了ＢＭＭＣ程序“副等。总之，计算机 模拟矿山控制爆破工程已经取得了长足的进步。 但是，计算机模拟技术用于拆除爆破方面的研究工作起步较晚。瑞典人Ｃｏｎｎｙ ＳｊｏＢｅｒｇ 和Ｕｎｏ Ｄｅｌｌｇａｒ利用高速摄影机对高层建筑爆破拆除的倒塌过程进行了研究“ ；日本人 Ｇｕｉｃｈｅｎ Ｍ Ａ和Ａｔｓｕｍｉ Ｍｉｙａｋｅ等则利用不连续变形分析方法（ＤＤＡ）对一个仓库的爆破拆 除进行了数值模拟ｎ ；日本大学的Ｎ．Ｔｏｓａｋａ和Ｙ．Ｋａｓａｉ等采用结构力学中直接刚度矩阵法 对单层和双层钢筋混凝土楼房坍塌过程进行了计算机模拟“ ；德国鲁尔大学Ｓｔａｎｇｅｎｂｅｒｇ和 Ｆｒｉｅｄｈｅｌｍ通过对实际工程中烟囱倒塌过程有关数据的分析，整理并建立起来的钢筋混凝土 烟囱爆破拆除计算机模型，在现场进行ｌ：ｌ试验和实验室的小比例实验，证明该模型可以用 于解决实际工程中的具体问题，解释发生的某些现象，并准备在此基础上发展成为能够进行 烟囱爆破倒塌过程模拟的专家系统“ 。在国内，孙军威、黄小平和毕佳（音译）等人对控制 爆破拆除钢筋混凝土框架结构过程进行数值模拟的原理和方法进行了探讨，利用非线性动力 学有限元法建立了框架单元断裂模型，并对爆破后单元刚度和运动方程数值解法进行了研 究，同时，认为对砖承重结构的数值模拟应采用离散元法“ ；韩秋善、叶序双等利用计算机， 采用运动学、动力学原理，对钢筋混凝土烟囱拆除爆破全过程进行了数值模拟研究并对实际 烟囱拆除爆破进行了现场测试分析，提出了分析计算预留支撑筒受力情况的新方法，并编制 了相应的计算机程序“ 。因而，尽管对于拆除爆破的计算机模拟所做的研究工作还远远不够， 但仍然取得了一定的进展。 维普资讯 http://www.cqvip.com ２２ 工程地质计算机应用 ２００６年第２期 总４２期 ３拆除爆破模拟技术的发展方向 虽然拆除爆破的计算机模拟已经取得了一定进展，但由于拆除爆破的计算机模拟依赖于 拆除爆破理论的发展和对拆除爆破过程的认识，目前的爆破理论还很不完善，我们对介质爆 破机理的认识还欠清楚，建立的模型还欠准确，因而还有很多工作要做。就拿已经建立起来 的模型来说，存在许多假设条件和经验系数，对于一些公式系数的选取，缺乏一套完整的理 论指导。同时，对于一些公式，例如烟囱倒塌过程中转动角度和时间的关系“ ，就目前的数 学知识，还很难求出其解析解，只能得到数值解。所有这些都影响到拆除爆破模型的准确建 立，尚有待理论的发展和我们对爆破过程的深入认识。 随着近代数学（包括数理统计，模糊数学、计算方法、离散数学等）、近代力学（如爆 炸动力学、弹性力学、塑性力学、材料力学、断裂力学等）、现代理论（包括相似理论、控 制理论、决策理论、模型理论、人工智能等）以及测试手段“ （超动态光弹方法、超动态云 纹方法、超动态量测方法和超高速摄影方法等）等的进一步发展和完善，关于爆破机理的研 究将会更加深入，对于建（构）筑物的爆破倒塌过程的认识将会更加深刻，在此基础上建立 起来的爆破模型将会更加符合工程实际。 三维软件逐渐在工程建设中得以应用，我们可以借助３Ｄ技术，绘制建（构）筑物的三 维图像并采用三维动态模拟其倒塌过程，从而预见倒塌过程、观察倒塌效果（包括倒塌方向、 倒塌范围、爆破块度和爆堆形状等）和爆破危害（如爆破震动 噪音、空气冲击波等），进 行多方案对比分析，选取安全、经济的方案。 利用多媒体集成系统，交互式综合处理文本、图形、图像和声音等信息，在各种信息之 间建立逻辑连接“引，可以使爆破工作者很容易地完成爆破设计工作。 总之，拆除爆破的计算机模拟，不仅可以免去在实验室或现场做大量的试验工作，节约 大量人力物力，而且可以再现倒塌过程，预见倒塌效果，并通过多方案的对比分析，选取最 优方案。因此，实现拆除爆破的计算机模拟是拆除爆破总的发展趋势。展望未来，计算机模 拟技术必将普及到拆除爆破的设计和研究中。 （收稿日期：２００６—０３－３０；Ｅｍａｉ ｌ：ｑｈｙｈｗｄ＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ） 参考文献 ［１］冯叔瑜。吕毅，杨杰昌等．城市控制爆破［Ｍ］，北京：中国铁道出版社，１９８７． ［２］李守巨，刘玉晶．爆破拆除砖烟囱爆破切口范围的计算［Ｊ］，工程爆破，１９９９，５（２）：ｌ～４． ［３］刘毅．烟囱水塔定向倾倒动力分析［Ｊ］．爆破，１９９０，ｌ：１９￣２４． ［４］汪传松．模拟爆破失真的原因［Ｊ］．爆破，１９９８，１５（４）：５～８． ［５］尤浩生，台阶爆破的计算机模拟［Ｄ］．北京科技大学博士论文。１９９７， ［６］于亚伦，论计算机模拟爆破的新进展［Ｊ］．唐山工程技术学院学报，１９９１。４：４２￣４９． ［７］美国世界采矿设备编辑部．模拟爆破［Ｊ］．国外金属矿采矿，１９８７，１０：５４． ［８］６．Ｋ，乔根森．露天和地下爆破的ＳＡＢＲＥＸ模型模拟［Ｊ］．国外金属矿采矿，１９８８，４：４９￣５４． ［９］张云鹏，于亚伦．计算机模拟爆破发展综述［Ｊ］，中国矿业，１９９５，４（５）：６９￣７３． （编者注：其他参考文献请见本刊网站：ｈｐｐｔ：／／ｇｅｏｃｏｍ，ｈｈｃｃ．ｎｅｔ，ｃｎ超文本版） ‘
