卸荷槽对冷却塔拆除爆破的数值模拟研究.pdf

第37卷第3期 2020年9月 Vol. 37 No. 3 Sep. 2020 bMg do i 10. 3963/j. issn . 1001 -487X. 2020.03.021 卸荷槽对冷却塔拆除爆破的数值模拟研究* 张建舉謔瞬潢贴,周文涛2,姜婷虬罗余帶 1.武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉430070 ； ；2,北方爆破科技有限公司，北京100089 摘要为了研究卸荷槽对冷却塔拆除爆破的作用及影响。以黔北某发电厂冷却塔为背景,根据冷却塔双 曲线薄壁型的结构特点，从力学角度分析冷却塔的倒塌条件和倒塌机理，运用ANSYA/LS-DYNA数值模拟的 方法研究卸荷槽在冷却塔拆除爆破过程中所起的作用。分析不同数目却荷槽下冷却塔的切口形成、闭合、扭 曲变形、触底破碎的整个过程，以及不同宽度、不同高度的卸荷槽对冷却塔的倒塌位移、倒塌速度、塌落振动、 爆堆宽度的影响。研究结果表明不同宽度卸荷槽不会改变冷却塔运动趋势;适量的卸荷槽数目和高度能够 改变冷却塔倒塌中的运动状态、促进塔体解体、缩短倒塌时间以及降低爆破振动所造成的危害，有效地提高 冷却塔的爆破效果。 关键词拆除爆破；双曲线冷却塔；卸荷槽；数值模拟 中图分类号TU746.5 文献标识码A 文章编号1001 -487X202003 - 0122 - 07 Numerical Simulation Study on the I nfluence of Unloading Tank for Cooling Tower Blasting Demolition ZHANG J ian-hua1, CHEN Biao1,HUANG Gang,ZHOU Wen-tad2,, J IANG Ting-ting1 ,L UO Yu-xiangl 1. Sch o o l o f Reso u r ces a n d En vir o n men t a l En gin eer in g, Wu h a n Un iver sit y o f Tech n o l o gy, Wu h a n 430070, Ch in a ；2. No r t h er n Bl a st in g Tech n o l o gy Co . ,Lt d. , Beijin g 100089, Ch in a Abstract I n order to study the effect and influence of the unloading tank on the demolition blasting of the cool ing tower, the collapse condition and mechanism are analyzed from the mechanical point of view based on the struc tural characteristics of the hyperbolic thin wall in a cooling tower of a power plant in northern Guizhou Province. U- sing ANSYS/LS-DYNA numerical simulation to study the role of unloading tank in the process of demolition blasting of cooling tower, the whole process of ing, closing, twisting, and touching g round failure of the cooling tower會 incision was analyzed with different numbers of unloading tanks, as well as the influence of the unloading tank of different widths and heig hts on the collapse displacement, collapse speed, collapse vibration and explosion width of the cooling tower. The results show that the unloading tanks of different widths will not chang e the movement trend of the cooling tower ； ； the appropriate number and heig ht of the unloading tanks can chang e the movement state of the cooling tower collapse, promote the disinteg ration of the tower body, shorten the collapse time, reduce the blasting vi bration hazard, and effectively improve the blasting effect of the cooling tower. Key words demolition blasting； ； hyperbolic cooling tower； ； unloading tank； ； numerical simulation 收稿日期收稿日期 2020-03-03 作者简介张建华1963 - ，男，博士、教授，从事采矿、爆破、安全等 方面教学研究,E-mail zjhwut sina. como 通讯作通讯作者黄 冈11986-,男，博士研究生、副教授,主要从事矿产 资源开采、尾矿初料齐面的研究工作，E-mail huang- gan弹016 whut. edu. cno 基金项目基金项目青年自然科学基金NO. 51804235；；国家重点研发计划 NO. 2018YFC0808405；中央高校基本科研业务费专项 资金资助批准号 2019IBV033 随着时代的变化、科技的进步，城市的建设发展 也越来越成为国家发展的重点工程。在城市发展建 设过程中一些较为老化且有一定危险性的工厂、楼 房、冷却塔等需要重建，对这些建筑物进行人工或机 械拆除,不仅速度较慢且会对人员或设备造成一定 第37卷第3期张建华，谨 彪，黄 刚，等 卸荷槽对冷却塔拆除爆破的数值模拟研究123 的影响,因此选择爆破拆除技术是一个很好拆除方 法⑴2］。该技术因其高效、安全、经济及环保的优势 得到快速发展⑶。近年来，在高危建筑物拆除方面 爆破拆除技术得到广泛使用，且完成了多起高危楼 房、烟囱、冷却塔的拆除工作，也为拆除爆破技术提 供了丰富的经验。然而我国许多高危楼在拆除爆破 时由于技术理论不足，依靠爆破师的多年工作经验 及总结公式来施工⑷创，有时也不一定准确而造成 爆破建筑物倒塌方向不对、飞石没有得到很好控制 等爆破事故。因此，将数值模拟合理运用到工程实 例中进行拆除爆破预演，进行试验得到合理的参数 为爆破拆除提供有力依据使爆破拆除效果达到最大 化,减少不必要的爆破事故发生。 国内大量研究学者在拆除爆破上做了很多研 究。如徐轩⑺、王宁⑻、张文龙⑼、高文乐3、贾永 胜［⑴、林谋金等人在爆破施工前运用数值模拟软件 对需拆除的构筑物进行数值模拟分析［⑵，实现拆除 爆破的预演,将数值分析结果与实际进行比较,发现 较为吻合。为研究卸荷槽对冷却塔拆除爆破的作 用［⑶，结合工程实例从力学角度分析冷却塔的倒塌 条件及机理,并运用ANSYS/LS-DYNA数值模拟的 方法分析卸荷槽在冷却塔倒塌过程中的作用,及不 同宽度、不同高度的卸荷槽对冷却塔的倒塌位移、倒 塌速度以及塌落振动和爆堆宽度的影响。 1工程概况 11工程简介工程简介 黔北某电厂冷却塔为钢筋混凝土结构，高 105.25叫塔底径长80叫 塔顶径长51.26叫 喉部 径长45.58 m。该塔由40对人字柱支撑，高7.3 m, 其截面长0.6m。圈梁壁厚为0.7 m,其厚度由塔底 向塔顶逐渐缩小，通风筒的底部厚为0.7 m,筒体最 薄的壁厚0. 16 mo 12周边环境周边环境 该冷却塔处在黔北某发电厂内，除东侧外其余 三侧被围墙围绕，生活用水位于北侧25 m处，西侧 30 m处是几排居民房，东侧是办公区、材料间、配电 室等。周边环境较为复杂，如图1所示。 2冷却塔爆破拆除倒塌机理分析 21冷却塔的结构特点冷却塔的结构特点 结构材料在建筑物拆除爆破中起重要作用;以 下对双曲线冷却塔结构材料进行描述该冷却塔属 于钢筋混凝土结构，厚高细比大约为1. 18 -1.13, 塔高约为75〜150 m；由于双曲线冷却塔筒身上下 直径不同,底部直径最大接着持续减小,到腰部直径 为最小,至顶部继续增大但小于底部直径，从而导致 塔身的重心偏低不同于普通的高耸建筑物。 _____________________________________________ L 公 路 生活 水池 图1冷却塔现场图（单位m） Fig . 1 Cooling tower site map 由上述原因影响,冷却塔整体配筋率比较高,所 以表现为塔身整体质量大、结构完整具有良好的塑 性体现。 2.2冷却塔倒塌分析冷却塔倒塌分析 2.2.1 应力分析 在缺口形成后在重力的条件下由于冷却塔背部 分受到拉应力的作用，当拉应力达到材料的极限抗 拉强度时则会发生破坏,混凝土抗压性好抗拉性差, 钢筋抗拉性好抗压性差所以对应的表现为冷却塔塔 身出现裂缝混凝土开裂。见图2。 如图2所示，取某段塔壁进行受力分析，根据拉 应力公式 呃戸晋 ⑴ 124爆破2020年9月 式中为爆破切口处的最大拉应力,Pa決为 爆破切口处外半径,m ； €为偏心距,m ； MgM为重力 倾覆力矩,kN/m；/偏心距,kN/m；A为冷却塔结构 配筋率等参数。 缺口形成后预留支腿受压区的最大压应力应当 小于混凝土极限抗压强度以避免支腿受压破坏提前 下座。即 ma x W f c ⑵ 3 4 2.2.2 弯矩分析 冷却塔顺利倒塌弯矩条件缺口形成后冷却塔 在重力的情况下产生的倾覆弯矩必须大于结构自身 的抵抗弯矩，即“ 1 拉应力区混凝土的极限弯矩 Mx 2jf [7 co s 0 一 e]ftR8dO/R - e 2ftR8[R sin 0 - e/3]/R - e 2 拉应力区钢筋的极限弯矩 M2 pfyM“ 3 压应力区混凝土的极限弯矩 严0 M3 2fuR8j [e - R co s ]2d/ [e - R co s 0a 0] 4 压应力区钢筋的极限弯矩 畋二 pfyM./fu 总弯矩和为 mum1m2 m3 式中沁为结构体的厚度,m； ft为混凝土的抗 拉强度,MPa；A为混凝土的抗压强度,MPa；0为拉 应力区圆心角的一半g为拉应力区两侧对应圆心 角；F为钢筋极限屈服强度,MPao ⑸ 6 3卸荷槽下冷却塔的模拟分析 3.1数值模型建立数值模型建立 为和实际工程实例进行对比,以黔北某电厂冷 却塔爆破拆除为例进行建模计算，如图3所示。 图3数值模型 Fig . 3 Numerical model 3.2不同数量卸荷槽对冷却塔拆除爆破的影响不同数量卸荷槽对冷却塔拆除爆破的影响 3.2.1 数值模拟方案 在数值模拟的过程中，根据工程实际情况对卸 荷槽进行数值模拟研究,在卸荷数目的研究中只改 变卸荷槽的数目其他参数都不发生变化,根据此原 则一共设置四个方案，具体方案如下表1所示。 Table 1 Number of different unloading tanks 表1不同卸荷槽数目 方案缺口角度卸荷槽数目 方案一220无 方案二2201 方案三2203 方案四2205 3.2.2 数值计算结果及分析 1数值模拟方案一 图4为方案一中的倒塌过程。力二0.5 s时，爆 破切口形成，冷却塔发生倾倒汀二1. 5 s时,冷却塔 倒塌开始接触地面，但倒塌速度较缓慢;t3 s时, 冷却塔缺口上方受剪破坏消失对应的表现为冷却塔 此处混凝土破碎，而冷却塔上部整体完整性较好并 未有大的扭曲变形。之后的整个过程表现为原地坐 塔而不是倾倒。 0.5 s t3 s 1.5 s 图4方案一中冷却塔倒塌模型 Fig . 4 Cooling tower collapse model in scenario 1 t5 s 2数值模拟方案二 开设了一个卸荷槽，弱化了冷却塔切口处上方的刚 上图5为第二方案的倒塌过程，在0.5 s时缺 度,切口闭合后应力集中在卸荷槽上方，从而导致切 口形成汀二1.5 s时冷却塔切口闭合。由于方案二 口处率先破碎，且切口闭合后冷却塔上部分开始出 第37卷第3期张建华，谨 彪，黄 冈y,等 卸荷槽对冷却塔拆除爆破的数值模拟研究125 现明显的扭曲变形。随后冷却塔在重力的条件下继 续倾覆撕裂倒塌。对比发现方案二和方案一两者的 运动趋势基本保持一致，并未发生太大的变化。 /1.5 s 图5方案二中冷却塔倒塌模型 Fig . 5 Cooling tower collapse model in scenario 2 3数值模拟方案三 如图6可以看出，当卸荷槽增加到3个时，冷却 塔缺口依然在0.5 s时形成，缺口形成的一瞬间应 力主要集中于预留支腿上方和切口上方。随后在重 力的作用下切口在1.5 s时闭合，卸荷槽作为新支 撑点率先破碎,接着冷却塔背部受拉腹部受剪,冷却 塔腹部产生新的裂隙开始扭曲撕裂变形，且随着冷 却塔的倾倒上部扭曲程度略大于方案二，整体运动 趋势也基本保持不变。 0.5 s t3 s 1.5 s 图6方案三中冷却塔倒塌模型 Fig . 6 Cooling tower collapse model in scenario 3 4数值模拟方案四 从图7中可以看出，当卸荷槽为5个时,与上述 方案相同,缺口在0.5 s时形成，此时应力集中与上 述方案一致位于预留支腿上方和卸荷槽上方，随后 冷却塔开始在重力弯矩的作用下开始倾覆，应力集 中发生转移,此时主要位于缺口与预留支腿交界处 预留支腿的上方且斜向上延伸。1.5 s时切口闭 合,先触地的卸荷槽率充当新的支撑点，后背部分冷 却塔在重力的作用下继续向前倾覆,从而使得冷却 塔两侧受剪部分受剪应力，而混凝土抗剪应力较差 所以在此处表现为混凝土破碎形成一道裂缝,在重 力下冷却塔发生倾覆而导致裂缝继续发育,继而在 冷却塔腹部产生新的裂缝,在应力的作用下裂缝产 生，形成塔腹凹陷区，进而塔腹被压碎,表现为塔体 的倒塌过程。可明显看到。随后冷却塔上部也开始 发生扭曲变形，且变形程度明显大于上述方案。 通过不同方案的模拟计算分析过程发现冷却 塔在倒塌过程中受卸荷槽的影响还是比较明显，当 不设卸荷槽的时候，在冷却塔倒塌过程中由于刚度 较好加上塔体本身破碎消耗太多能量，是倒塌速度 减慢。塔的上部整体完整性较好未有大的变形，在 随后也均未发生大的变形过程，整个过程表现为原 地坐塔而不是倾倒。随着卸荷槽的增加冷却塔的刚 性也随之减弱，而这就导致了在切口闭合后冷却塔 126爆破2020年9月 腹部受压破碎程度和倒塌速度发生了一定的变化, 随着卸荷槽数量的增加冷却塔的倒塌速度和破碎程 度也随之增加。但当卸荷槽数量增加到一定的数量 时冷却塔腹部的刚性大大降低，导致冷却塔在爆破 前发生失稳提前坍塌造成事故。 通过在对倒塌过程的模拟计算可以分析出适 量的卸荷槽可以减弱冷却塔的刚性，提高冷却塔的 倒塌速度和破碎程度,有效促进冷却塔的解体破碎。 冷却塔的数值模拟可以有效的还原塔的倒塌过程。 3.3不同宽度卸荷槽对冷却塔拆除爆破的影响不同宽度卸荷槽对冷却塔拆除爆破的影响 3.3.1数值模拟计算 在此次模拟过程中只改变卸荷槽的宽度,其他 参数皆与工程设计方案相同。方案一卸荷槽宽 1 m；方案二卸荷槽宽2 m；方案三卸荷槽宽3 mo 方案如图8所示。 a 卸荷槽宽1 m a Un l o a din g t a n k widt h 1 m c卸荷槽宽3 m c Un l o a din g t a n k widt h 3 m b卸荷槽宽2 m b Un l o a din g t a n k widt h 2 m 图8数值模拟方案计算 Fig . 8Numerical simulation scheme calculation 3.3.2 槽宽对倒塌位移的计算 选取模型中轴线方向冷却塔顶端单元点来计算 冷却塔的倒塌位移,该单元点的时间位移曲线图如 图9所示。 时间/s a 水平位移曲线 a Ho r izo n t a l displ a cemen t cu r veb No de y -dir ect io n vibr a t io n vel o cit y a t 60 m 图9不同宽度卸荷槽的位移、速度曲线 Fig . 9 Displacement and velocity curves of unloading tanks of different widths 通过上图9a 对比可得,卸荷槽的宽度不同时 运动趋势基本一致,冷却塔的倒塌速率和倒塌位移 基本没有发生变化，所以改变卸荷槽的宽度对冷却 塔的运动趋势基本不会造成影响。 3.4不同高度卸荷槽对冷却塔拆除爆破的影响不同高度卸荷槽对冷却塔拆除爆破的影响 通过改变卸荷槽的高度来研究槽高对冷却塔拆 除爆破的影响，方案一卸荷槽高3 m；方案二卸荷 槽高5 m；方案三卸荷槽高7 m,其他参数均不改 变，方案如图10所示。 通过对比三个不同高度卸荷槽的顶端单元点的 时间位移曲线图、地面60 m处单元点的y方向时间 速度曲线图、以及爆堆宽度来研究不同高度卸荷槽 对冷却塔拆除爆破的影响。具体对比如图11、图12 所示。 根据图11a .11b可以发现卸荷槽高7 m时 的倒塌位移和塌落振动最小，卸荷槽高5 m时的次 之，这表明增加卸荷槽高度可以缩短倒塌位移降低 爆破振动,而从图12中发现爆堆宽度三者并未有明 显的变化。 第37卷第3期张建华，谨 彪，黄 刚，等 卸荷槽对冷却塔拆除爆破的数值模拟研究127 a 高3 m卸荷槽 a 3 m h igh u n l o a din g t a n k b高5 m卸荷槽 b 5 m h igh u n l o a din g t a n k c高7 m卸荷槽 c 7 m h igh u n l o a din g t a n k 图10不同方案数值计算模型 Fig . 10 Numerical calculation model for different scenarios 0.015 0.010 0.005 卸荷槽宽3m ] 卸荷槽宽5 m片 0.000 -0.005 -0.010 -0.015 -0.020 1 2 3 4 5 6 7 时间/s 旦、矍 a 水平位移曲线 a Ho r izo n t a l displ a cemen t cu r ve b 60 m处节点丫向振速 b No de K-dir ect io n vibr a t io n vel o cit y a t 60 m 图11不同高度卸荷槽的位移、速度曲线 Fig . 11 Displacement and velocity curves of unloading tanks of different heig hts a 高3 m时爆堆 a Expl o sio n a t 3 m h igh b高5 m时爆堆 b Expl o sio n a t 5 m h igh c高7 m时爆堆 c Expl o sio n a t 7 m h igh 图12不同高度卸荷槽下的爆堆 Fig . 12 Explosion piles under different heig ht unloading tanks 所以根据以上卸荷槽高对塔的倒塌位移和振速 以及爆堆宽度可以分析出，一定高度的卸荷槽可以 使塔的倒塌动态发生变化,促进解体进而提高倒塌 速度，但对爆堆宽度并无明显影响。 4结论 1 当塔体不设卸荷槽时冷却塔整体刚性比较 完整，切口触底闭合后需要大量能量来破碎圈梁以 及塔体，因此产生的阻力比较大导致冷却塔上部分 基本未发生形变可能发生坐而不倒的情况,随着卸 荷槽开设数量的增加冷却塔腹部的刚性得到一定弱 化，在切口闭合后对冷却塔倾倒阻力减小有利于加 速冷却塔的倒塌和破坏。 2 改变卸荷槽的宽度对冷却塔的运动趋势不 会造成太大影响，同时对冷却塔倒塌产生的爆破振 动影响也不大，但宽卸荷槽可以提高破冷却塔的破 碎程度。 3通过对改变卸荷槽的高度可以看出,随着卸 荷槽高的增加冷却塔的顶端触地时间减少，即高卸荷 槽可以有效缩短冷却塔倒塌时间,减小水平位移量和 降低爆破振动，但对爆堆的宽度并无明显的影响。 参考文献参考文献References [1] 汪旭光爆破手册[M].北京.冶金工业出版社,2010731. 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