切口角度对冷却塔爆破拆除影响研究(1).pdf
第 35 卷 第 1 期 2018 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 1 ▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂ Mar. 2018 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2018. 01. 018 切口角度对冷却塔爆破拆除影响研究* 张宝岗 1, 2, 赵明生2, 余红兵2, 刘方芳1, 杨 攀1 (1. 武汉理工大学 资源与环境工程学院, 武汉 430070; 2. 贵州新联爆破工程集团有限公司, 贵阳 550002 摘 要 切口角度大小对冷却塔爆破拆除倒塌效果具有极其重要的影响, 为了研究切口角度对冷却塔的拆 除爆破影响, 利用 Ansys/ Ls-dyna 建立共节点分离式模型, 对冷却塔的倒塌过程进行了简要分析。改变切口 角度, 对比不同切口角度下的模拟结果, 结果表明 由于冷却塔结构的特殊性, 其产生的下坐振动包括切口闭 合产生的振动和环梁触地振动, 且下坐振动大于塌落振动; 切口角度为 200时, 冷却塔倾倒较快, 产生的塌 落振动较大; 切口角度为 240时, 倒塌过程中的倒塌方向偏移较大, 产生的下坐振动较大。 关键词 爆破拆除;冷却塔;切口角度;数值模拟 中图分类号 TU746. 5 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X 2018 01 -0109 -07 Study on Influence of Cut Angle on Explosive Demolition of Cooling Tower ZHANG Bao-gang1, 2, ZHAO Ming-sheng2, YU Hong-bing2, LIU Fang-fang1, YANG Pan1 (1. School of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2. Guizhou Xinlian Blasting Engineering Co Ltd, Guiyang 550002, China Abstract The cut angle has a very important influence on the collapse effectiveness of cooling tower, therefore, to solve this problem, the Ansys/ Ls-dyna was used to establish a common node separate model and to simply analyze the actual collapse process of the cooling tower. Through changing the cut angle, the different simulation results were compared. The results show that, due to the special structure of the cooling tower, the sinking downward vibration was caused by the vibration of the incision closure and the touchdown vibration of the ring beam, which is greater than the collapse vibration; when the blasting cut parameters is 200, the cooling tower is dumped faster, producing a larger collapse vibration; when the blasting cut parameters is 240, the collapse direction in the collapse offset and sinking downward vibration are larger. Key words explosive demolition;cooling tower;blasting cut parameters;numerical simulation 收稿日期 2017 -12 -14 作者简介 张宝岗 (1992 - , 男, 工程硕士, 主要从事爆破工程研究 工作,(E-mail 614463872 qq. com。 通讯作者 赵明生 (1982 - , 男, 高级工程师, 主要从事爆破方向研 究,(E-mail mingshengzhao126. com。 基金项目 中央高校基本科研业务费专项资金资助 (项目批准号 2017IVA048 爆破拆除技术由于其安全经济快速的施工方 法, 在工程中得到了广泛的应用和发展, 也暴露出很 大的问题。爆破拆除理论研究滞后于实践, 设计施 工主要还是凭借工程经验 [1, 2], 出现过一些爆破事 故, 如倒塌方向偏移、 爆而未倒和反方向倒塌等 等 [3, 4]。因此, 爆破拆除的理论急待完善和发展。 爆破拆除数值模拟研究表明, 将数值模拟技术应用 到爆破方案设计中可以提高爆破拆除设计水平, 预 测倒塌效果。以冷却塔为例, 采用 Ansys/ Ls-dyna 建 立共节点分离式模型 [5], 研究切口角度大小改变对 冷却塔倒塌效果的影响。 1 工程概况和爆破方案 以贵州某电厂 80 m 高冷却塔为例进行模拟分 万方数据 析。冷却塔为薄壁双曲线型钢筋混凝土结构, 冷却 塔底部直径为 60 m, 人字型立柱高 5. 5 m, 横截面 尺寸是 0. 4 m 0. 4 m, 由 C30 混凝土浇注而成, 柱 内有 8 根 φ 18 的竖筋和 φ 8 箍筋 (箍筋之间平行间 距 20 cm , 共 40 对人字形柱, 共计 80 根立柱; 人字 柱上部是高 1 m、 厚 0. 5 m 的钢筋混凝土圈梁。爆 破切口形状采用正梯形, 爆破高度 H 取 6. 5 m, H 人字形立柱高度 圈梁高度 5. 5 m 1 m 6. 5 m。 切口长度取其底部圈梁周长的 0. 6 倍, 切口的圆角 为 216, 共计人字形立柱 24 对。为确保冷却塔的 顺利倒塌及充分解体, 在爆破切口上方的塔壁上开 设 5 个减荷槽, 其位置和参数见图 1。为了降低冷 却塔倒塌塔内压缩空气冲击的危害, 在倒塌方向反 方向中心线上距离地面 6. 5 m 处 (圈梁上方 , 开一 个 2 m 4 m 的泄压窗口。 图 1 切口尺寸示意图 (单位 m Fig. 1 Schematic diagram of blasting cut (unit m 2 冷却塔爆破拆除数值模拟 采用共节点分离式建模方式, 应用模拟混凝土 最多的 “MAT PLASTIC KINEMATICM” 来定义材 料, 冷却塔和地基采用 SOLID164 单元划分网格, 钢 筋用梁单元 beam161。对爆破切口采用 “MAT ADD EROSION” 关键字定义材料失效 [6, 7]。该冷却塔前 期预采用机械拆除, 后经论证不可行, 但机械冷拆除 已经将冷却塔部分承重结构拆除, 破坏了 67筒体, 在支腿上部筒体破坏最高为 8. 5 m, 现已成高危建 筑, 且冷却塔拆除爆破前期进行机械预处理, 在爆破 切口上方的筒壁上开设5 个减荷槽, 所以首先模拟验 证机械预处理前后冷却塔的稳定性。在建模的过程 中, 分别在卸荷槽以及泄压窗口的位置建立相应的 Part, 采用关键字*MAT ADD EROSION 定义材料失 效, 设定机械预处理与切口爆破时间间隔为 0. 03 s, 进行动态求解, 即显式分析。显式求解如图2。 如图 2, 可以看出在机械预处理前后, 冷却塔始 终保持着良好的稳定性, 机械拆除和机械预处理对 冷却塔整体稳定性影响不大。机械预处理后应力云 图整体发生了变化, 应力进行了重新分布, 但从预处 理前后冷却塔整体的应力云图可以看出机械预处理 并没有对冷却塔的稳定性产生明显的影响。且由图 3 冷却塔顶部节点竖直方向上速度与时间曲线可以 看出, 在预处理以后切口形成之前, 顶部节点速度曲 线是水平的, 所以该爆破方案的机械预处理虽然在 一定程度上对冷却塔的应力分布产生影响, 产生一 定的扰动, 但并不影响冷却塔整体的稳定性。 图 2 冷却塔预处理前后应力图 Fig. 2 The stress cloud charts of cooling tower before and after pro-treatment 设定该模拟方案为模型 B, 做出冷却塔倒塌方 向中心线上顶部节点竖直方向速度曲线和水平位 移, 通过对比分析冷却塔的倒塌过程 [8, 9]。 图 3 冷却塔顶部节点竖直方向速度-时间曲线 Fig. 3 Curve of node vertical velocity vs time at top of cooling tower 由图 3 可以看出, 在爆破缺口形成的瞬间, 冷却 塔顶部节点获得加速度, 直到倒塌完成, 速度不断增 大。在倒塌过程中速度时间曲线整体比较平滑, 仅 在缺口闭合时, 因缺口部分环梁冲击地面, 筒体受到 地面很大的反向冲击力, 速度曲线出现波折, 节点速 度减小, 随即继续增大; 在 t 5 s 时冷却塔顶部前端 点着地, 速度骤减, 最大速度达到 45 m/ s。整个过 程速度变化与实际监测摄影记录结果一致。 选取冷却塔倒塌方向上顶部节点, 输出该节点 单元在倒塌方向上的水平位移曲线。模拟结果如 图 4。 从图 4 可以看出在爆破缺口形成后, 冷却塔重 心发生偏移, 预留人字柱受压, 筒体向预定倒塌方向 倾倒, 水平方向位移增加, 在 t 5. 0 s 时, 冷却塔顶 011爆 破 2018 年 3 月 万方数据 部节点触地。共节点分离式模型由于钢筋混凝土的 共同作用, 在内部钢筋的拉力作用下, 顶部节点运动 速度迅速减小, 其水平位移基本不再增加, 最大值为 28.5 m, 爆破完成后实际的爆堆长度为 85 m, 可见 模拟结果与实际倒塌过程相符。 图 4 冷却塔顶部节点水平方向位移曲线 Fig. 4 Curve of node horizontal displacement vs time at top of cooling tower 通过分析冷却塔顶部节点竖直方向速度时间曲 线和水平方向位移曲线, 可以看出模拟结果与实际 倒塌过程基本吻合, 爆破仿真效果较好。以以上冷 却塔数值模拟分析为基础, 改变切口角度, 建立两个 冷却塔有限元模型进行对比分析。实际工程中, 切 口部位对应的圆心角多为 200左右, 模型 A 和模型 C 切口角度分别选取 200和 240, 其他参数和工程 实际情况保持一致, 卸荷槽以及泄压窗口尺寸大小 不变, 随切口角度改变改动到相对位置。 改变模型参数, 模拟结果随之改变, 结合模型 B 从模拟的倒塌过程、 倒塌偏移、 倒塌范围以及爆破振 动来对比分析不同切口角度下模拟的倒塌效果。 在模拟中采用的材料失效不能很好地反映模拟 过程中出现的挤压扭曲, 采用较实际失效值略大的 参数, 以对倒塌过程中的挤压变形有直观的体 现 [10, 11]。 为了模拟过程图更为直观清晰, 对比更为明显, 选取模型 A、 模型 B 和模型 C 的倒塌过程图。 如图 5 为各模型三个不同时刻的倒塌情况。冷 却塔在切口形成之后, 随预留人字柱边下坐边倾倒, 在 1. 5 s 左右, 缺口闭合, 在 2. 6 s 左右冷却塔后部 环梁完成下坐触地。由图可见, 模型 A 因为切口较 小, 预留支腿较多, 抗弯能力较大, 冷却塔筒体倾覆 力矩不变, 下坐趋势较缓, 筒体主要朝向缺口一侧倾 倒, 在同一时刻筒体倾斜程度大于模型 B 和模型 C。 其筒体之间的挤压折叠扭转作用更为明显, 筒体的 变形扭曲程度高于其他模型。模型 C 由于切口较 大, 支撑人字柱减少, 其承载能力降低, 造成冷却塔 整体下坐, 前端切口与后部环梁几乎同时触地, 其下 坐和后坐比较明显。 选取冷却塔倒塌方向中心线上的筒体顶部节点 与倒塌方向垂直的水平方向的位移曲线来研究冷却 塔倒塌方向偏移问题。 如图 6 所示, 模型 A 和模型 C 的顶部节点与倒 塌方向垂直的水平方向位移略有不同, 模型 A 到模 型 C 在水平方向上偏移的距离是逐渐增大的。模 型 C 的偏移距离几乎是模型 A 偏移距离的 3 倍。 可见切口角度较小时, 预留支腿承载能力较大, 在倒 塌过程中, 易于控制倒塌方向; 切口角度较大时, 预 留支腿数量减少, 承载能力有限, 冷却塔表现为整体 下坐, 倒塌偏移也就越大。 截取冷却塔顶部节点的速度曲线图 7。 图 7 为模型 A 和模型 C 的顶部节点竖直方向 速度曲线。对比图 3 模型 B 的顶部节点竖直方向 速度曲线, 可以发现各个模拟方案的曲线走向大致 相同。在切口形成时, 冷却塔获得加速度, 速度逐渐 增大, 在切口闭合的瞬间, 因为对地冲击作用, 速度 曲线出现波折, 速度减小。筒体在倾覆力矩的作用 下继续倾倒, 速度继续增大, 直到倒塌完成。由图也 可以看出, 各模型在切口闭合前的速度基本一致, 但 模型 A 的切口角度较小, 其支撑部位承载力较大, 在切口闭合时, 重力对新支点产生的的倾覆力矩大 于其他模型, 所以在切口闭合后的其他时刻, 模型 A 顶部节点速度大于其他模型, 也比其他模型更快的 达到速度最大值, 因此模型 A 的倾倒更快。同理, 模型 C 因为切口角度较大, 支腿失效过快, 造成整 体下坐, 在切口闭合瞬间, 环梁与切口部位同时触 地, 对地冲击比其他模型大, 所以图 7 中模型 C 的 速度变化比较明显。同时在环梁触地时, 重力产生 的倾覆力矩较小, 所以加速度较小, 模型 C 的倒塌 过程基本是坐塌和定向倒塌同时进行。 图 8 是冷却塔顶部节点水平方向位移曲线。对 比图 4 和图 8, 可见模型 A 和模型 B 的运动曲线基 本一致, 所以模型 A 和模型 B 的倾倒过程基本相 似, 大约在 t 5 s 时冷却塔顶部节点触地。由图可 见模型 A 的各个时刻的水平方向位移均大于其他 模拟方案, 所以模型 A 的冷却塔倾倒速度大于各模 拟方案的倾倒速度。模型 C 由于切口较大, 其倾倒 过程比较特殊, 其位移曲线与其他模拟方案差别较 大。模型 A 和模型 B 的位移曲线比较平滑, 曲线斜 率为正值, 所以模型基本没有产生后坐。而模型 C 在切口闭合时, 位移曲线接近水平, 可见模型 C 产 生了明显了后坐。在 2 3 s 时间段内, 冷却塔的水 平位移很小, 所以模型 C 在切口闭合时, 重力产生 的倾覆力矩很小。在爆破拆除过程中, 切口过大时, 111第 35 卷 第 1 期 张宝岗, 赵明生, 余红兵, 等 切口角度对冷却塔爆破拆除影响研究 万方数据 冷却塔很可能会出现坐而不倒的情况。 图 5 冷却塔倒塌过程图 Fig. 5 Collapse process of cooling tower model 从图 8 中可以看出模型 A 和模型 B 倒塌范围 基本一样, 只是模型 C 的倒塌范围较小。以上模拟 结果可以看出, 切口角度变小对冷却塔的倒塌范围 影响不大。只是当切口过大, 支腿强度不够时, 冷却 塔会出现整体下坐的现象, 产生严重的后坐, 提前下 坐很可能会产生坐而不倒的情况。 选取倒塌中心线上距离冷却塔中心 60 m 处的 节点的振动速度曲线如图 9。模拟方案采用的材料 失效定义缺口形成, 因此模拟方案的振动只包含下 坐振动和塌落振动。在实际工程中, 爆破振动较小, 研究下坐振动和塌落振动可以达到我们的研究 目的 [12]。 由图 9 可以看出, 传统意义的下坐振动包含两 部分, 在切口部分筒体和地面接触的瞬间产生了第 一次下坐振动峰值, 冷却塔继续倾倒, 支腿全部失 效, 环梁触地产生第二次下坐振动峰值。由模拟结 果可以看出第二次振动比第一次振动更强烈。 211爆 破 2018 年 3 月 万方数据 图 6 顶部节点水平方向位移曲线 Fig. 6 Horizontal displacement and time curve of node at top of cooling tower 图 7 顶部节点竖直方向速度-时间曲线 Fig. 7 Vertical velocity and time curve of node at top of cooling tower 图 8 冷却塔顶部节点水平方向位移图 Fig. 8 Horizontal displacement and time curve of node at top of cooling tower 模型 A 的切口角度达到了 200, 在切口闭合 时, 支腿对筒体承载能力较模型 B 大, 造成的下坐 振动小于模型 B。同理, 在环梁触地时, 由于倾倒程 度更大, 产生的第二次下坐振动仍小于模型 B。在 冷却塔触地时, 模型 A 的倾倒速度大于模型 B, 其产 生的触地振动明显大于模型 B。 模型 B 在 1. 5 s 切口闭合, 环梁触地, 产生下坐 振动, 大约在 2. 2 s 冷却塔后部筒体触地产生振动, 可以看出后部筒体触地产生的下坐振动大于切口闭 合振动和塌落振动 [13]。 311第 35 卷 第 1 期 张宝岗, 赵明生, 余红兵, 等 切口角度对冷却塔爆破拆除影响研究 万方数据 图 9 节点振动速度 Fig. 9 Vibration velocity of node at ground 模型 C 由于切口角度较大, 预留人字柱破坏较 严重, 切口上部筒体与失效预留人字柱部位的环梁 几乎同时触地, 所以下坐振动比模型 A 和模型 B 大, 由倾倒过程图可以看出, 冷却塔倾倒比较勉强, 所以其产生的塌落触地振动很小, 上部筒体触地产 生的振动有 1 cm/ s。 数值模拟是一种理想的状态, 受周围实际情况 及环境的影响, 且振动大小与材料密切相关, 模拟得 到的振动峰值与实际有一定的差异 [10]。 3 结论 (1 共节点分离式模型由于分别考虑钢筋和混 凝土的性能和相互作用, 模拟结果更符合工程实际 情况。 (2 冷却塔倾倒过程产生的下坐振动包括切口 闭合振动和后部环梁触地振动, 且由于冷却塔的特 殊形态, 其产生的下坐振动大于塌落振动。 (3 切口角度为 200时, 冷却塔倾倒速度较大, 其产生的触地振动也较大; 切口角度为 240时, 产 生的下坐振动较大, 塌落振动较小。 参考文献 References [1] 赵明生, 池恩安. 2 座 105 m 高双曲线冷却塔控制爆破 拆除 [J] . 爆破, 2015, 32 (1 106-110, 120. 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