切口角度对冷却塔爆破拆除影响研究.pdf
第 3 5卷第 1 期 2 0 1 8年 3月 爆破 BLAS Tl NG V0 I . 3 5 No .1 Ma r . 20l 8 d o i 1 0 . 3 9 6 3 / j . i s s n . 1 0 0 1 4 8 7 X . 2 0 1 8 . 0 1 . 0 1 8 切 口角度对冷却塔爆破拆 除影 响研究 术 张宝岗 , 赵明 生 , 余红兵 , 刘方 芳 , 杨 攀 。 1 . 武汉理工大学 资源与环境工程学院, 武汉 4 3 0 0 7 0; 2 . 贵州新联爆破工程集团有限公司, 贵阳 5 5 0 0 0 2 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 A n s y s / L s d y n a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 2 0 0 。 时 , 冷却塔倾 倒较 快, 产 生的塌 落振动较大 ; 切 口角度为 2 4 0 。 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 T U 7 4 6 . 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 8 0 1 0 1 0 9 0 7 S t u d y o n I n flu e n c e o f Cu t An g l e o n Ex p l o s i v e De mo l i t i o n o f Co o l i n g To we r ZHANG Ba o ga n g 一, ZHAO Mi n g s h e n g ,Y U H o n g b i n g , L I U F a n g h n g , Y A N G P a n 1 . S c h o o l o f R e s o u r c e s a n d El wi r o n me n t a l E n g i n e e r i n g , Wu h a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , Wu h a n 4 3 0 0 7 0, C h i n a ; 2 . G u i z h o u Xi n l i a n B l a s t i n g E n g i n e e r i n g C o L t d, Gu i y a n g 5 5 0 0 0 2, C h i n a Ab s t r a c t F il e c u t a n g l e h a s a v e r y i mp o r t a n t i n fl u e n c e t n t h e c o l l a p s e e f f e c t i v e n e s s o f c o o l i n g t o w e r , t h e r e f o r e , t o S O l V e t h i s p r o b l e m . t h e An s y s / 1 s d y n a w a s u s e d t o e s t a b l i s h a c o mmo n n o d e s e p a r a t e mo d e l a n d t o s i mp l y a n a l y z e t h e a ct u a l c ol l a ps e p r o c e s s o f t h e c o o l i n g t o we r . Thr ou g h c h a ng i n g t h e c u t a ng l e, t h e di f f e r e n t s i mu l a t i o n r e s ul t s we r e c o mp a r e d. Th e r e s u l t s s h w t h a t . du e t o t he s p e c i al s t r uc t ur e o f ’ t he c o o l i n g t o we r , t h e s i n k i n g d o wn wa r d v i N’a t i o n wa s c a u s e d 1 y t h e v i b r a t i o n o f t h e i n c i s i o n c l o s u r e a n d t h e t o u c h d o w n v i b r a t i o n o f t h e r i n g b e a m , wh i c h i s g r e a t e r t h a n t h e c o l l a p s e v i br a t i o n; whe n t h e bl a s t i ng c u t pa r a me t e r s i s 2 0 0。, t h e c o o l i ng t o we r i s d ump e d f a s t e r, pr o du c i ng a l a r g e r c o l l a p s e v i b r a t i o n; wh e n t h e b l a s t i n g c u t p a r a me t e r s i s 2 4 0 。 , t h e c o l l a p s e d i r e c t i o n i n t h e c o l l a p s e o f f s e t a n d s i n k i n g do wn wa r d v i br a t i o n a r e l a r g e r . Ke y wor ds e x p l o s i v e d e mo l i t i o nc o o l i n g t o w e r ;b l a s t i n g c u t p a r a me t e r s ;n u me r i c a l s i mu l a t i o n 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 , 出现过一些爆破 事 收稿 日期 2 0 1 71 21 4 作者简介 张宝岗 1 9 9 2一 , 男 , 工 程硕士 , 主要 从事爆破 工程 研究 工作 , E ma i l 6 1 4 4 6 3 8 7 2 q q . c o m 通讯作者 赵 明生 1 9 8 2一 , 男 , 高级工程 师 , 主要从事爆 破方 r口 】 研 究 , E - ma i l m i n g s h e n g z h a o 1 2 6 . c o rn。 基金项 目 中央高校基 本科 研业 务 赞专项 资金 资助 项 目批 准 号 2 01 71 vA 0 4 8 故, 如倒 塌方 向偏 移 、 爆 而未 倒 和反 方 向倒塌 等 等 。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 A n s y s / L s d y n a建 立共节点分离式模 型 , 研究切 口角度大小改变对 冷却塔倒塌效果的影响。 工程概况和爆破方案 以贵州某电厂 8 0 m高冷却塔 为例进行模拟 分 l 1 0 爆破 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 6 0 m, 人字型立柱高 5 . 5 l n , 横截面 尺寸是 0 . 4 m0 . 4 m, 由 C 3 0混凝土浇注而成, 柱 内有 8根 西1 8的竖筋和 西8箍筋 箍筋之间平行间 距 2 0 c m , 共 4 0对人字形柱 , 共计 8 0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 取 6 . 5 m, 人字形立柱高度 圈梁高度 5 . 5 m1 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 2 1 6 。 , 共计 人字形立柱 2 4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 F i g .1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f b l a s t i n g c u t u n i t 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“ MA T P L A S T I C K I N E MA T I C M”来定 义材 料 , 冷却塔和地基采用 S O L I D 1 6 4单元划分网格 , 钢 筋用梁单元 b e a m1 6 l 。对爆破切 口采用“ MA T A D D E R O S I O N ” 关键字定义材料失效 ’ 。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 6 7 。 筒体 , 在支腿上部简体破坏最高 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 P a r t , 采用关键字 l MA T A D D E R O S I O N定义材料失 效, 设定机械预处理与切 口爆破时间间隔为 0 . 0 3 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 F i g .2 Th e s t r e s s c l o u d c h a r t s o f c o o l i n g t o w e r b e f o r e an d a f t e r p r o t r e a t me n t 设定该模拟方案 为模型 , 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 。 1 0 . O -l 0 - 20 一 3 O 一 40 - 50 。 \ 。}。 竺 . \ 一 \ 。 、 0 1 2 3 4 5 6 7 T i re e l s 图 3 冷却塔顶部 节点竖直方向速度一 时问曲线 F i g .3 Cu r v e o f n o d e v e rt i c a l v e l o c i t y V S t i me a t t o p o f c o o l i n g t o wer 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, 简体受到 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 4 5 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 , 简体向预定倒塌方向 倾倒 , 水平方向位移增加 , 在 t 5 . 0 S时, 冷却塔顶 第 3 5苍 1 期 张 岗 , 赵f iJ 】 f , 余红 , 等 【 1 『 『 】 艘 对冷却塔_爆做拆除影响研究 1 1 1 部节点触地 共 节 t 分离式模型由 钢筋混凝土的 共I - ] 1I , 在内部钢筋的拉 作用下, 顶部 点运动 速度迅速减小 , 其水平f 移琏本不 增J J f 1 , 最大值 2 8 . 5 I 1 1 , 爆破宄成后实际的爆堆长发 为 8 5 m, 可 模拟结 j 实际倒土 5 j 过 l卡 f lI 符 、 4 冷却塔肌部 点水 方 化平 j ; 线 g 4 u l Ⅵ 1 f I 1 1 I I h m’i z o n t a l di s p l a { ‘ ㈨ ⋯ 1 【 v s l i me at t op t v o o l i n g t o wt 、 r 通过分析冷却塔顶部 点竖直方向速度时问川 I 线 和水 方向位移 } I I I 线 , 町以看出模拟结 果与实 际 倒塌过 丛本吻合, 爆破仿真效果较 以以上冷 却塔数值模拟分析为琏础. 改变切f I 们度 , 建立两个 冷却塔仃限元模型进 仃对比分析。实际工程 中, 切 口部化埘应的圆心角 多为 2 0 0 。 左 , 模 A和模刑 C切 I J 角度分别选取 2 0 0 。 和 2 4 0 。 , 』 他参数和上 实际情况保持一敛 , 卸 简借 以及泄 商 L ] J 寸大 小 不变 , 随 切 [ 1 角度改 变 改动到 相对 化 改变恢型参数 , 模拟结果随之改变, 结 合模型 从模拟的倒塌过程 、 侧塌偏移 、 倒塌范⋯以及爆破振 动来埘比分析 / f 同切 【 J 伯度下模拟的倒塌效果。 卡 } l 拟 中采用的材料失效不能 好地反映模拟 过程 1 f j 现的挤 扭川 I , 采用较实际火效值略大 的 参数 , 以 对 倒 塌 过 程 中 的挤 压 变 形 仃 直 观 的体 现 为 .r 模拟过程 为直观清晰, 埘比更为明显 , 选取模 模型 B f 1 1 模犁 C的倒塌过程图。 5为各模型 个不同时刻的倒塌情况 冷 却塔 切【 lJ 形成之后, 随颅留人字杜边下坐边倾倒 , 在 1 . 5 s 左右 , 缺 口 合, 在 2 . 6 S 左右冷却塔后部 环梁充成下坐触地由 叮见, 模 因为切口较 小 , 预 支腿较 多, 抗弯能力较大 , 冷却塔简体倾覆 力矩小变 , 下坐趋势较缓 , 简体主要卓 玎 r u 】 缺 啊一侧倾 倒 , 在f 一时刻简体倾斜程度大于模型 和模型 C 、 其简体之问的挤压折 扭转作用更 为叫显 , 简体的 变形扭 曲程 度高于其他模型 . 模 型 C由于切 口较 大, 支撑人字卡 } 减少, 承载能 力降低 , 造成冷却塔 整体下坐 , 前端切口1 后部环梁儿 讨触地 , 其下 坐和 坐 比较 明 显 选取冷却塔倒塌 方 中心线 的简体顶部 点 _ I j 倒塌方向 直的水平方向的位移曲线米研究冷却 塔倒塌办 偏移『 口 J 题 如 6所, J , 模型 / 4 l币 l l 模型 c的顶部 与倒 塌方 向垂 的水平方 向化移略有不 同, 模删 A到模 型 c在水半 方向 f 偏移 的距 离是 逐渐增大的 模 型 c的偏 移距 离 儿 足模 型 偏 移 离 的 3倍 可见切 [ 】 角度较小时 , 预留支腿承载能 力较大 , 住倒 塌过程中, 易 _F 控制倒 塌方向; 切口角度较大时 , 预 留支腿数越减少 , 承载能力有限 , 冷却塔 表现为整体 下坐, 倒塌 偏手 多 也就越火 截取冷却塔顶部节点的速度曲线 7 。 图 7 馍型 A干 “ 模 c的顶部节点r 商方 向 速度曲线 埘比 3模 型 8的顶部节点 方 向 速度曲线 , 以发现各 个模拟方案的} 1 线 走向大致 相同。在 } 』 ] 口形成时, 冷却塔获得加速度 , 速度逐渐 增大 , 在 『 J 14 1 合的瞬间, 因为对地 冲。 作用 , 速度 曲线出现波折 , 速度减小 简体在倾覆 力矩 的作用 下继续倾倒, 速度继续增大 , 卣到倒塌完成 、由图也 可以看} { J , 符模型在切 口闭合前的速度綦本一致 , 但 模 4的 切门角度较小 , 其 支撑 部位承载 力较 大, 住I JJ 口『才 J 合时 , 重力对新 支 一 产牛的的倾覆力矩大 于其他模 , 所以在 【 1 闭合后的其他时刻, 模型 顶部节点 速 大于其他模 , 也 比其他模 更快的 达到速发最 人值 , 因此 模型 / 4的倾 倒 5 i 快。同理, 模型 c 为 切口角度较大 , 支腿失效过怏 , 造 成整 体下坐, 任} J J u 合瞬问, 环 梁与切 口部 位同时触 地 , 对地 冲击 比其 他模 到大 , 所以图 7【 } I 模 型 c的 速 度 变化 比较 H 月显。同 时 在环 梁 触 地 时 , 最 力产 生 的倾覆力矩较 小, 所 以加速度较小 , 模 型 c的倒塌 过程基本足坐塌和定 向倒塌同时进行, 图 8足冷却塔顶部 1 点水平方向化移曲线 。对 比图4和 8 , 可见模型 , 1干 “ 模型 日的运动 曲线基 本一致 , 所以模型 4和模 的倾倒 过程基 本相 似 , 大约住 £ 5 S时冷却塔顶部节点触地 由图可 见模 1的各个时刻 的水半 方向位移均大于其他 模拟方案 , 所以模 _4的冷 却塔倾 倒速度大于各模 拟方案的倾倒速度 j模 c由于切 口较大 , 其倾倒 过程比较特殊 , 其位移 m线 j 其他模拟 方案差别较 大 模型 4和模型 B的他移m 1 线 比较平滑 , 曲线斜 率 为止值 , 昕以模型基本没有产生后 坐。而模型 c 切口闭合时 , 位移曲线 接近水平 , 可 模 c产 生 了明显 r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 } J ] 口闭合时 , 承 力产生 的倾掇力 很小一在爆做拆除过程中, 口过大时, 曝破 冷却塔很可能会 出现坐而不倒的情况 t 4. 0 S a 模 型 倒塌 过程 l a ps e p r o c e s s o f mo d e l A t 4. 0 S b 模 型 B倒塌 过程 Co l l a p s e p r o c e s s o f mo d e l B - -- ■ . , -6 7 c 模型C 倒塌过程 c C o l l a p s e p r o c e s s o f mo d e l C 图 5 冷却塔倒塌过程图 F i g.5 Co l l a ps e p r o e e s s o f c o ol i ng t o we r mod e 从图 8中可以看 出模型 , 4和模型 曰倒塌 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 6 0 I/ 1 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 。 由图 9可以看 出, 传统意义的下坐振动包含两 部分 , 在切 口部分简体和地面接触 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。 l ■J 1 1 4 爆破 2 0 1 8年 3月 O. 1 0 0. 0 5 O - 0. O 5 0. 1 O 一 0. 1 5 I J . I ’ 『 _ _ ● _ _ _ O.05 O -0.05 0. 1 O O. 1 5 一 O. 2 O . I . 1 _ ● _ ● O 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 nm e ] s a 模型 节点 振动 速度 a V i b r a t i o n v e l o c i t y o f n o d e o f mo d e l A T i me / s b 模 型 节 点振动 速度 b V i b r a t i o n v e l o c i t y o f n o d e o f mo d e l B 1 . I r _ _ - _ _ ● ● ● ● _ O l 2 3 4 5 6 7 ree l s c 模型 C 节点振动速度 C Vi b r a t i o n v e l o c i t y o f n o d e o f mo d e l C 图 9 节点振动速度 Fi g.9 Vi b r a t i o n v e l o c i t y o f n o d e a t g r o u n d 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 , 上部简体触地产 生 的振 动有 1 c r r ds 。 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 。 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 2 0 0 。 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 2 4 0 。 时, 产 生的下坐振动较大 , 塌落振动较小。 [ 1 ] [ 1 ] 参考文献 R e f e r e n c e s 赵明生, 池恩安. 2座 1 0 5 m高双曲线冷却塔控制爆破 拆除[ J ] . 爆破, 2 0 1 5 , 3 2 1 1 0 6 1 1 0 , 1 2 0 . Z HAO Mi n g - s h e n g , CHI E n a n . C o n t r o l l e d e x p l o s i v e d e m o l i t i o n o f t w o 1 0 5 m h y p e r b o l i c c o o l i n g t o w e r s [ J ] . 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Nu me r i c al s i mu l a t i o n o f e f f e c t o f c ut p a r a me t e r s o n e x p l o s i v e d e mo l i 一 一 .. ∞.雹 D 7 一 ∞.曰 / 芒 O m 加 O O 0 一 一 一 . .∞.g / . 第 3 5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 1 1 5 上接 第 8 9页 [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 5 ] [ 6 ] 陈俊桦, 李新平 , 张家生. 基于爆破损伤的岩台保护层 开挖爆破参数研究 [ J ] . 岩石力学与工程学报 , 2 0 1 6 , 3 5 1 9 8 1 0 8 . C HEN J u n - h u a , L I Xi n p i n g , Z HANG J i a s h e n g . S t u d y o n b l a s t i n g p a r a me t e r s o f p r o t e c t i v e l a y e r e x c a v a t i o n o f r o c k b e n c h b a s e d o n b l a s t i n g i n d u c e d d a m a g e[ J ] .C h i n e s e J o u r n a l o f Ro c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g ,2 0 1 6, 3 5 1 9 8 1 0 8 . i n C h i n e s e 李鸿, 胡浩川 , 赵明生, 等. 某矿山爆破岩体破裂范 围试验分析[ J ] . 爆破 , 2 0 1 6, 3 3 2 4 5 - 4 8 . L I Ho n g , HU Ha o c h u a n, Z HAO Mi n g - s h e n g , e t a 1 . 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