爆破拆除塔架式钢烟囱塔架对筒体的影响研究.pdf

第34卷 第4期 2017年12月 爆 破 BLASTING Vol. 34 No. 4 Dec. 2017 doi10. 3963／ j. issn. 1001 －487X. 2017. 04. 020 爆破拆除塔架式钢烟囱塔架对筒体的影响研究 孙 飞 1， 周向阳2， 蒋新忠1， 李广洲1， 唐 毅 1， 高福银3 （1.江苏省核工业二七二地质大队， 南京210003；2.南京市公安局， 南京210000；3.陆军步兵学院， 南昌330103） 摘 要 为了研究塔架式钢结构烟囱在爆破拆除倒塌过程中塔架对烟囱筒体的影响， 以一座120m高塔架 式钢烟囱的爆破拆除工程为背景， 根据该烟囱的结构特点， 对塔架和烟囱筒体的爆破切口分别进行参数设 计， 并运用LS-DYNA有限元分析软件进行建模计算， 分析了数值模拟与实际倒塌过程时间差异的原因。在 此基础上分别对烟囱筒体和塔架式钢烟囱建立模型进行数值求解， 为方便对比分析， 分别在2个模型中1 7段H型钢架临近的筒体处各选取一个监测点（共7个监测点）， 对各监测点的时间-应力曲线进行对比分 析。分析表明 在塔架式钢烟囱在倒塌过程中， 塔架倒塌速度大于筒体， 能够加快筒体倒塌的进程， 且塔架的 助推作用会使筒体在倒塌过程中提前发生下坐现象。 关键词 定向爆破；塔架式钢烟囱；烟囱筒体；数值模拟 中图分类号 TB41 文献标识码 A 文章编号 1001 －487X（2017）04 －0109 －06 Study on Effect of Tower on Chimney Body in Tower Steel Chimney Explosive Demolition SUN Fei1，ZHOU Xiang-yang2，JIANG Xin-zhong1，LI Guang-zhou1，TANG Yi1，GAO Fu-yin3 （1. No. 272 Geological Party of Nuclear Industry，Nanjing 210003，China； 2. Nanjing Public Security Bureau，Nanjing 210000，China； 3. Academy of Army Infantry，Nanchang 330103，China） Abstract In order to study the effect of tower on chimney body in the course of blasting demolition，the blasting demolition project of a 120 m tower type steel chimney is taken as the background，According to the structural char- acteristics of the chimney，According to the structural characteristics of the chimney，the parameters of the blasting o- pening of the tower and chimney body are respectively designed，and modeling using LS-DYNA the finite element a- nalysis software，analyzes the reasons of numerical simulation and actual collapse process time difference. on this ba- sis，the numerical solution of the chimney body and tower steel chimney model analysis，in order to facilitate compari- son，Respectively，in two models 1 to 7 H-steel section adjacent a selected body at each monitoring point（a total of 7 monitoring points） ，monitoring points on the time- stress curves were compared. The analysis shows thatIn the tower steel chimney during the collapse process，Tower collapse speed is greater than the chimney body，can accelerate the process of collapse of the chimney body，and the boosting action of the tower will cause the chimney body to sit down in advance during the collapse. Key words directional blasting；tower steel chimney；chimney body；numerical simulation 收稿日期2017 －10 －08 作者简介孙 飞（1989 －） ， 男，硕士研究生， 助理工程师， 从事爆炸 与毁伤作用机理研究及其应用， （E-mail）1326662880＠ qq. com。 根据钢烟囱组成的形式不同， 可将其分为传统 自立式钢烟囱、 新型自立式钢烟囱和塔架式钢烟囱 三类。而塔架式钢烟囱整体占地面积大、 钢材消耗 量多， 随着现代化技术的高速发展， 此类烟囱将逐渐 万方数据 被淘汰， 其安全有效的拆除将成为爆破拆除行业的 一大难题， 主要针对这一难题进行展开研究。由于 待拆除塔架式钢烟囱的倒塌状态和倒塌过程具有不 可预测和不可重复性， 通过计算机模拟预演再现是 一种很好的研究手段。在数值模拟研究方面大多采 用有限元分析软件ANSYS／ LS-DYNA进行仿真计 算［ 1-3］， 以一座120 m高塔架式钢烟囱爆破拆除工程 实例为研究对象， 通过ANSYS／ LS-DYNA有限元分 析软件对倒塌过程中塔架对筒体的作用进行研究。 1 工程概况 1. 1 结构特点 该塔架式钢烟囱由筒体和塔架组成［ 4］， 总重约 700 t。筒体钢材料为Q235B， 重心高度为53. 97 m， 共由19节钢管通过加强螺栓联接而成， 总高度为 120 m， 筒壁厚度由下至上依次为16 mm、14 mm、 12 mm、10 mm； 外半径均为3. 5 m； 塔架钢材料为 Q345B， 高度为108 m， 其主构件为4根外半径400 mm、 厚度为16 mm的钢管立柱， 钢管立柱之间由钢 连杆加强固定连接［ 4］。该塔架式钢烟囱的立体图 如图1所示。 图1 塔架式钢烟囱现场图 Fig. 1 Scene of the tower steel chimney 1. 2 爆破方案确定 由于该塔架式钢烟囱整体结构复杂， 在倒塌过 程中， 塔架与烟囱筒体之间的相互作用力很难实现 量化， 故在本方案设计中， 将塔架和烟囱筒体分别进 行爆破部位设计， 在满足两者失稳倾倒条件的基础 上， 对不利且非承重构件进行预处理， 从而使钢烟囱 整体按预定方向顺利倾倒。综合考虑其周围环境及 自身结构特点， 决定采用线型聚能切割器对其进行 定向爆破拆除， 塔架与筒体的相对位置以及倒塌方 向见图2。 （1） 筒体爆破切口位置。爆破切口下沿在距筒 体底部4m处开设， 采用常用的正梯形切口形式， 为 避免烟囱筒体倒塌过程中切口下沿对筒体的支撑， 在切口下沿倒塌方向上用气割枪预先开一条垂直于 地面的缝， 如图3中①所示； 另考虑到钢材料抗拉强 度大的特性， 在筒体切口处余留支撑部位安装一条 长约3 m的线型聚能切割器具体尺寸如图3中②所 示。（ 2） 塔架立柱爆破高度。由于塔架由不同尺寸 的钢材料杆件焊接而成， 且上下结构不一， 整体呈不 规则形状， 很难对其进行力学分析， 因其结构形状与 高耸楼房相似， 故可参照楼房立柱爆破高度进行经 验取值。在此拟取钢立柱爆破高度为2. 7 m， 在距 地面2 m处开设， 因立柱爆破切割2. 7 m高度， 塔架 倒塌过程中与地面相连的2 m高未破坏的立柱基本 失去作用， 不会对塔架的倒塌产生不利因素， 故实际 上爆破高度相当于4. 7m。示意图见图4。 （3） 起爆网路。参照传统的钢筋混凝土烟囱的 起爆网路布置情况， 并结合钢结构烟囱的筒体和塔 架各自的结构特点，最终确定采用非电起爆网 路［ 4-6］， 分 MS2、HS5两段时间延期起爆 其中筒体爆 破切口处与支柱1、2采用MS2段毫秒延期雷管； 筒 体保留部分和支柱3、4采用HS5段半秒延期雷管， 如图2所示。 图2 塔架与筒体相对位置图（ 单位m） Fig. 2 The relative position of chimney body and tower（unitm） 2 数值模拟分析 2. 1 有限元模型建立 采用LS-DYNA建立11的有限元模型， 模拟钢 结构烟囱筒体在爆破切口形成后， 在自身重力作用 下的应力应变发展过程及绕支撑部的转动倾倒过 程。为了便于对比研究， 对模型进行了简化， 根据工 011爆 破 2017年12月 万方数据 程的实际经验， 烟囱的基础对烟囱切口以上部分的 倒塌过程影响不大， 建模时可忽略基础的作用， 将烟 囱底部与地面完全固结。 图3 筒体爆破切口展开图（ 单位m） Fig. 3 Blasting cut of chimney body（unitm） 图4 塔架切割部位示意图 Fig. 4 The tower cutting parts 根据钢结构的特性， 烟囱有限元模型的本构关 系选用LS-DYNA中的材料*MAT-PLASTIC-KINE- MATIC模型。为了节省计算时间， 提高计算效率， 在模拟烟囱倒塌过程时， 地面采用刚体材料［ 7］。 模型建立后， 需对其施加重力载荷（即施加重 力加速度g ＝9. 8 10 －3 mm／ ms2） ， 通过向节点组元 施加重力加速度或者在K文件中增加*LOAD＿ BODY＿Y关键字来实现。还需要对烟囱筒体底部和 地面施加固定约束。另由于烟囱倒塌过程模拟中， 单元冲击变形大， 接触复杂， 故采用自动侵蚀接触类 型， 该接触算法能自动搜索接触面， 控制接触的深 度， 即使单元在接触时发生材料失效， 接触依然可以 继续进行。在定义接触时需设定摩擦系数， 模拟时 设定的静摩擦系数为0. 5， 动摩擦系数为0. 4。建立 模型示意图如图5。 2. 2 实际倒塌过程与数值模拟对比分析 K文件修改完以后输入LS-DYNA970求解器进 行求解。最后使用LS-PREPOST后处理程序显示计 算结果的图形和动画， 数值模拟与实际倒塌过程对 比见图6。 图5 塔架式钢烟囱数值模型示意图 Fig. 5 Schematic diagram of numerical model of tower steel chimney 由图6中数值模拟与实际倒塌过程的对比可 知， 数值模拟烟囱倒塌过程总时长为9. 4 s， 实际倒 塌过程总时长为11. 08 s。分析原因有如下两点 （1） 有限元模型建立过程中， 对实际烟囱结构 尺寸进行了简化， 只将烟囱的主体结构进行了建模， 另为了节省CPU时间， 将模型计算过程中的时间步 长设置为0. 9， 使得计算总时长在一定程度上比实 际工程中偏小。 （2） 在有限元建模过程中， 没有考虑烟囱周围 环境对其倒塌过程的影响； 由于烟囱周围环境复杂， 且在烟囱倒塌方向上有一已爆但未清渣处理的钢筋 混凝土烟囱， 在烟囱倒塌后期会对其产生一定的支 撑作用， 阻碍其顺利倾倒， 延长倒塌时间。 由上述分析可知， 利用有限元分析软件LS-DY- NA对该塔架式钢烟囱倒塌过程进行可靠的数值模 拟计算， 模拟结果可对倒塌过程的进一步研究提供 理论参考依据。 2. 3 两种数值模型倒塌过程对比分析 而在工程实际爆破拆除过程中， 烟囱筒体与塔 架是作为一个整体进行倒塌的。将烟囱筒体数值模 111第34卷 第4期 孙 飞， 周向阳， 蒋新忠， 等 爆破拆除塔架式钢烟囱塔架对筒体的影响研究 万方数据 拟结果与实际爆破对比分析可知， 塔架在倒塌过程中对筒体的影响不可忽视。 图6 钢烟囱爆破拆除数值模拟与实际倒塌过程对比图 Fig. 6 Comparison of numerical simulation and actual collapse process of tower steel chimney blasting demolition 塔架主要是为了防止筒体在受到外加荷载的作 用下失稳， 起安全支撑作用， 其与筒体的相对位置见 图7。塔架主要由三种构件组成， 分别是承重支柱、 连杆及H型钢架， 其中H型钢架距离筒体很近， 对 筒体具有约束作用， 因此钢结构烟囱爆破倒塌过程 中塔架对筒体的影响主要是H型钢架对筒体的 作用。 图7 塔架与筒体相对位置图 Fig. 7 The relative position of chimney body and tower 运用有限元分析软件LS-DYNA分别对钢烟囱 建立无塔架（即筒体）和有塔架（塔架式钢烟囱）两 种模型， 由图3可知， 塔架共分9段， 其中1 7段的 顶部均设计有约束筒体的H型钢架， 为了方便对比 分析， 在塔架式钢烟囱的模型中，1 7段H型（ 由上 至下） 钢架临近的筒体上各选取一个监测点采集数 据（ 共7个监测点） ； 在筒体模型中相同位置同样选 取7个监测点采集数据， 如图8所示。运用origin 软件对采集的数据进行分析， 可得各个监测点的时 间-应力曲线， 见图9。 图8 两种数值模型监测点位置图 Fig. 8 Two kinds of numerical model of monitoring sites 从图9（a） 、 （b）中可以看出， 筒体爆破倒塌过 程中， 由于钢材料自身的弹塑性特征， 各监测点受到 的应力均来自于筒体本身， 值小且振幅不大， 能比较 明显地看出在7750 ms以后由于筒体后坐所产生的 211爆 破 2017年12月 万方数据 应力突变； 而塔架式钢烟囱自开始倾倒至触地完成， 各监测点均受到在振幅较大的应力突变。 图9 两种模型各监测点时间-应力曲线对比图 Fig. 9 Two comparison of time and stress curve of each monitoring point 为了方便进一步对比分析， 在图9（a） 、 （b）中 各取两条位于筒体顶部的监测点， 如图9（c） 、 （d） 。 将图9（b） 、 （d）对比可知， 筒体上部监测点受到的 应力较大， 且各监测点受到的应力沿筒体由上自下 逐渐减小， 而应力主要来源于H型钢架的作用。由 此可知在倒塌过程中塔架倒塌的速度大于筒体， 也 是塔架式钢烟囱筒体在倒塌过程中比只有筒体的烟 囱提前发生下坐现象的主要原因。 3 结论 （1） 比较数值模拟结果与实际爆破的效果， 指 出了两者在倒塌过程总时长上出现误差的原因， 两 者吻合度较好， 表明利用有限元分析软件LS-DYNA 可对爆破方案进行可靠的数值模拟， 模拟结果可作 为爆破方案的优化及最终确定的参考依据。 （2） 在数值模拟的基础上， 对烟囱倒塌过程中 塔架对筒体的影响进行了简析， 得出塔架倒塌的速 度大于筒体， 能够加快筒体倒塌的进程。同时也得 出塔架式钢烟囱在倒塌过程中比只有筒体的烟囱提 前发生下坐现象的主要原因是塔架对筒体的助推 作用。 （3） 根据研究可知， 针对塔架式钢烟囱等类似 构筑物， 考虑到整体分析力系复杂， 可将塔架和烟囱 筒体分别进行爆破切口设计。 参考文献（References） ［1］ 杜学良.铜管线型聚能切割器的数值模拟研究［D］.太 原 中北大学，201222-32. ［1］ DU Xue-liang. 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