延期时间对冷却塔爆破倒塌效果影响的研究.pdf

第35卷 第3期 2018年9月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 3 Sep. 2018 doi10. 3963／ j. issn. 1001 -487X. 2018. 03. 018 延期时间对冷却塔爆破倒塌效果影响的研究 张龙飞 1， 张超逸2， 费鸿禄2， 张建平1 （1.内蒙古宏大爆破工程有限责任公司， 包头014010；2.辽宁工程技术大学爆破技术研究院， 阜新123000） 摘 要 为研究延期时间对冷却塔爆破倒塌效果的影响。首先利用弹塑性理论对冷却塔第三区起爆前后 的倾覆条件与圈梁及人字柱截面的强度进行校核。然后利用ANSYS／ LS-DYNA有限元分析软件对三种不同 的延期时间下冷却塔爆破倒塌进行数值模拟， 并对三种条件下冷却塔的倒塌效果进行对比分析。研究结果 表明 增加第三区的延期时间， 有利于减少爆破切口形成瞬间塔身的重力势能， 降低触地时塔身动能， 从而减 少了由于冷却塔倒塌而诱发的塌落振动； 另外， 倒塌后的爆堆长度在一定程度上随延期时间增加而减少最终 保持稳定。 关键词 冷却塔；爆破拆除；延期时间；数值模拟；塌落振动 中图分类号 TU746. 5 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X（2018）03 -0108 -06 Study on Effect of Delay Time on Blasting Collapse of Cooling Tower ZHANG Long-fei1，ZHANG Chao-yi2，FEI Hong-lu2，ZHANG Jian-ping1 （1. Neimenggu Hongda Blasting Engineering Co Ltd，Baotou 014010，China； 2. Blasting Technology Research Institute，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China） Abstract In order to study the effect of delay time on blasting collapse of cooling tower，the overturning condi- tion of cooling tower and the supporting strength of the remaining herringbone columns were analyzed firstly based on the elasto-plasticity theory. Then，the collapse of a cooling tower under three different kinds of blasting delay time conditions was simulated by the ANSYS／ LS-DYNA finite element analysis software . Besides，the collapse effects of cooling towers under three conditions were compared and analyzed. The results show that the of delay time increasing was conducive to reduce the gravitational potential energy of the tower at the moment of blasting incision. The reduced kinetic energy of the tower at touchdown can reduce the collapse vibration induced by the collapsing of the cooling tow- er. In addition，the collapsed pile length decreased as delay time increasing，and remained stable eventually. Key words cooling tower；blasting demolition；delay time；numerical simulation；collapse vibration 收稿日期2018 -08 -27 作者简介张龙飞（1988 -） ， 男， 内蒙古宏大爆破工程有限责任公司 工程师， 硕士研究生， 主要从事城市拆除爆破技术与建筑 物塌落触地振动特性研究， （E-mail）longfei0211＠ qq. com。 通讯作者张超逸（1992 -） ， 男， 辽宁工程技术大学硕士研究生， 主 要从事地下工程方面的研究， （E-mail）738927620＠ qq. com。 1 工程概况 焦作市华润电厂内有一座5500 m2的冷却塔需 要拆除。冷却塔为钢筋混凝土结构， 由环形基础、 人 字形柱、 环形梁和通风筒四部分构成， 冷却塔总高度 125 m。人字柱横截面尺寸是直径0. 65 m的圆形， 共计40对人字柱。冷却塔筒壁混凝土体积 5892. 61 m3， 筒壁自重14731. 5 t。筒壁设计为双曲 线形， 底部半径为42. 746 m， 最顶部半径27. 56 m， 中间位于高程91. 847 m处圆周位于双曲线的顶点， 该处半径最小， 中心半径是25. 365 m。通风筒的底 部圈梁厚度是0. 7 m， 自底部至高程＋26. 815 m渐 变至0. 18 m，自此处以上的通风筒壁厚均为 0. 18 m。 详见图1。 万方数据 图1 冷却塔立面图（ 单位m） Fig. 1 Elevation view of cooling tower（unitm） 冷却塔位于华润电厂内， 冷却塔东南侧17 m是 2 m高砖围墙， 围墙外是深5 m的河槽， 河槽东侧是 3栋住宅楼， 住宅楼最近距冷却塔47 m； 冷却塔南侧 23 m是2 m高砖围墙， 围墙外5 m是电厂医院楼， 电厂医院楼距冷却塔28 m； 冷却塔东侧103 m是汽 轮机厂房； 冷却塔西北侧58. 5 m是无电的高压电 塔， 北侧27 m是2 m高砖围墙， 围墙外是电厂铁路， 铁路专为煤矿供煤， 平时没有火车通过。冷却塔计 划倾倒方向为北偏西45。冷却塔的周围环境见示 意图2。 2 冷却塔定向倾倒爆破方案设计 根据施工方案及周边环境情况， 冷却塔西北侧 有足够的安全场地， 故最终确定冷却塔向北偏西 45方向倒塌。本次爆破采用复合型切口， 只对人字 柱进行爆破的切口形式， 切口高度24 m， 圆心角为 216对应需爆破的人字柱为24对。为确保筒体实 现连续倒塌、 保证切口高度、 减小筒体塌落触底振 动， 在冷却塔倾倒正面塔身上增设高减荷槽。高减 荷槽开设在倾倒中心线中间向两侧对称分布， 两侧 高度依次是15. 7 m、14 m、12 m、10 m、8 m、6 m， 底 部宽度均为2 m。 图2 冷却塔周围环境示意图（ 单位m） Fig. 2 Schematic diagram of surroundings（unitm） 本方案采用非电复式起爆网路， 冷却塔爆破切 口炮孔分3响起爆， 采用孔内延期分区微差爆破技 术，从第一区到第三区依次选用MS2、MS4、 MS6／ MS10／ MS14段非电导爆管雷管， 孔外瞬发非 电导爆管雷管连线， 爆破切口与爆破分区布置如图 3所示。 图3 冷却塔爆破切口展开及爆破分区示意图 Fig. 3 Schematic diagram of blasting opening of cooling tower 901第35卷 第3期 张龙飞， 张超逸， 费鸿禄， 等 延期时间对冷却塔爆破倒塌效果影响的研究 万方数据 3 第三区爆破前冷却塔塔身状态分析 第一区起爆后到第二区起爆前的时间段内， 余 下人字柱截面偏心距很小， 倾覆力矩趋近于零， 则假 设在第二区起爆瞬间， 塔身正直， 未发生任何偏转。 第三区起爆前， 为判断塔身是否在圈梁处发生解体， 首先对圈梁截面进行强度校核； 其次为防止人字柱 承担不了垂直方向的荷载而发生剪切破坏， 导致冷 却塔下坐[ 1]， 因此有必要对保留区人字柱支撑强度 进行校核。 3. 1 大偏心受压状态下截面应力分布 3. 1. 1 圈梁截面应力分布 根据材料力学， 截面偏心受压应力公式为 σmax＝ - mg A ＋ mgel1 Ix σmin＝ - mg A ＋ mgel2 Ix （1） 式中Ix为截面形心轴惯性矩Ix＝∫y2dA；m为 塔身质量14 731. 5 t；σmax、σmin分别表示倾覆力矩产 生的最大拉应力与最大压应力， 拉为正， 压为负； 圈 梁截面计算简图如图4所示。根据冷却塔尺寸求得 第三区起爆前，承受倾覆力矩的圈梁面积为 100.038 m2。 圈梁截面形心轴惯性矩Ix＝20 967.51 m4， l1、l2分别表示最大拉应力与最大压应力处质点到 形心轴距离， 根据几何原理求得l1＝ 17. 55 m，l2＝ 28. 874 m，带入式（1）中求得σmax＝ 1. 594 MPa， σmin＝ - 6. 65 MPa。塔身中钢筋的抗拉强度为 335 MPa， 纵筋配筋率为0. 5％， 塔身圈梁中的钢筋 可提供最大拉应力为1. 675 MPa， 混凝土抗压强度 为20 MPa。故最大拉应力不会使塔身在圈梁处发 生解体破坏， 受压区最大压应力小于混凝土的抗压 强度， 不会使其出现压缩破坏。 图4 圈梁截面计算简图 Fig. 4 The calculation of beam cross section 3. 1. 2 人字柱支撑部位截面形心轴惯性矩计算 根据设计方案第三区起爆前余下的人字柱对应 的圆心角为191， 对应的人字柱为22对， 其截面偏 心距为24. 87 m， 其截面面积为21. 56 m2。计算简 图如图5所示， 因为人字柱与塔身底部接触面是非 连续的， 所以需要对截面的形心轴惯性矩公式进行 修正。修正后的形心轴惯性矩公式如下 I′ x＝∫y 2dA - A e2 1＝2∑ 11 i ＝1∫ βi αi 1 2 （R ＋ t） 2 - 1 2 R [] 2 R ＋ 1 2 2 cos2θ dθ - A e2 1 ＝ 2∑ 11 i ＝1∫ βi αi R ＋ 1 2 t 3 cos2θ dθ - A e2 1 （2） 式中R为塔身底部内径， 取42. 764 m；t为底 部塔壁厚度， 取0. 7 m；A为人字柱截面面积；αi、βi 为每对人字柱截面对应的角度；e1为人字柱截面形 心到塔身质心水平距离24. 87 m。经过计算人字柱 截面的形心轴惯性矩I′ x＝5248. 057 m 4。 图5 人字柱截面及冷却塔计算简图 Fig. 5 Calculation sketch of cross section of herringbone column and cooling tower 3. 1. 3 人字柱截面应力分布 经上述计算可知， 冷却塔不会在圈梁处发生解 体破坏， 故倾覆力矩会传递给人字柱， 为判断人字柱 截面是否发生破坏， 需要对其截面应力分布进行计 算。根据几何原理求得l′ 1＝18. 493 m， l′ 2＝28. 977 m 带入式（1）中， 计算得到 σ′ max＝ 6. 421 MPa， σ′ min＝ -26. 719 MPa。人字柱中钢筋的抗拉强度为 335 MPa， 纵筋配筋率为1. 8％， 混凝土抗压强度为 20 MPa， 抗拉强度为1. 3 MPa， 钢筋混凝土可提供最 大的拉应力为7. 33 MPa。故人字柱截面承受的最 大拉应力不会对其产生破坏， 受压区最大压应力大 于钢筋混凝土的极限抗压强度， 使其出现压缩破坏。 根据几何关系求得塔身质心到中性轴的距离为e2＝ 38. 273 m。此时人字柱受压区面积为8. 645 m2； 则 人字柱的垂直支持力为1. 729 108N。 经上述两方面截面应力计算可知， 在第三区起 爆前， 塔身未发生解体破坏， 而在倒塌方向上最前端 的人字柱发生破碎， 进而塔身出现局部下沉现象。 011爆 破 2018年9月 万方数据 但人字柱破碎范围较小， 压缩时间与冷却塔整体倒 塌时间相比很小， 故判断塔身是否会发生整体下坐， 需要对人字柱的整体支撑强度进行校核。 3. 2 作用在人字柱上的荷载计算 冷却塔具有一定坡度， 作用在支撑部位的垂直 压力并不等于重力， 作用在人字柱上的垂直压力计 算公式为[ 1] FV＝ mg - m2a2g sinθ0／ J（3） 式中a为人字柱截面质心到塔身质心的距离 a ＝e2 2＋ h 2 ＝ 59. 757m；h为塔体重心到人字柱支 撑面的垂直距离45. 892 m；J为塔身对于转动轴的 转动惯量，J ＝6 1010kgm2；θ0为塔身质心与中性轴 中心的连线与竖直方向的夹角θ0＝ arctan e2 h ＝ 39. 83。 则在第二区起爆瞬间，垂直压力为FV＝ 0. 943 108N。所以当爆破第二区起爆瞬间， 忽略 炸药起爆对于塔身的影响， 作用在人字柱上的垂直 压力小于人字柱能提供的垂向支持力， 故此时， 冷却 塔不会发生整体下坐现象。 3. 3 倾覆条件校核 为判断当第三区人字柱起爆前冷却塔是否发生 倾覆， 有必要对冷却塔倾覆条件进行校核。根据弹 塑性假设[ 2]， 当倾覆力矩大于结构极限力矩时， 倾 覆力矩产生的最大拉应力与最大压应力大于混凝土 和钢筋的破坏极限， 冷却塔即会发生倾倒。反之， 则 需要起爆第三区， 冷却塔发生整体倾覆。 因为人字柱与塔身的接触面为离散的， 且忽略 混凝土抗拉强度[ 3]， 则结构的极限弯矩计算公式为 M ＝ M1＋ M2＋ M3 M1＝ 2∑ 8 i ＝1 fuA l2 i l2 M2＝ 2∑ 8 i ＝1 ρf ′ YA′ l2 i l2 M3＝ 2∑ 3 i ＝1 ρf ′ YA′ l2 i l2 （4） 式中M1、M2、M3分别表示为受压区混凝土、 钢 筋和受拉区钢筋提供的极限力矩；fu为混凝土抗压 强度，20 MPa，f ′ Y为钢筋抗压强度， 335 MPa；fY为钢 筋抗拉强度，335 MPa；A′为每对人字柱截面面积 1. 032 m2；li为每个截面到中性轴的距离；l1、l2分别 表示最大拉应力与最大压应力处质点到形心轴的距 离l1＝ 18. 493 m，l2＝ 28. 977 m；ρ为纵筋配筋率， 1. 8％。 计算得M ＝ M1＋ M2＋ M3＝8. 625 109Nm。 倾覆力矩M′ ＝5. 638 109Nm， 证明当第三区人 字柱起爆前， 塔身不会发生倾覆。 4 第三区爆破瞬间塔身状态分析 为判定爆破切口角度设计合理性， 则需要分析 当第三区起爆后塔身的应力状态， 判断爆破切口形 成瞬间塔身是否会发生解体， 倾覆与下坐等现象。 计算过程与上述过程相同。经上述计算表明， 当第 二区起爆后， 塔身会发生局部下沉， 因下沉过程时间 很小且下沉位移在水平方向上分量趋近于零， 故不 考虑塔身倾覆力矩的变化。 4. 1 爆破切口形成瞬间截面强度计算 4. 1. 1 圈梁截面应力分布 爆破切口形成瞬间， 承受倾覆力矩的圈梁面积 为71.606 m2， 截面形心轴惯性矩Ix＝4790. 3847 m4。 此时偏心距为e ＝ 33. 6687 m， 带入式（1）中得到， σmax＝8. 069 MPa，σmin＝ -20. 342 MPa。 4. 1. 2 人字柱截面应力分布 第三区爆破瞬间， 承受倾覆力矩的人字柱截面面 积为16.692 m2， 截面形心轴惯性矩Ix＝1343.902 m4， 偏心距为e ＝ 32. 5529 m， 带入式（1）中得到，σmax＝ 29.677 MPa，σmin＝ - 69. 13 MPa。此时截面中性轴 距截面受压区最大压应力处的距离为19. 3733 m， 此时人字柱截面受压区面积为6. 87 m2。 经上述计算可知， 人字柱截面受到的最大拉应 力远大于圈梁截面的最大拉应力， 而实际情况是当 人字柱截面最大拉应力达到钢筋混凝土的抗拉极限 而破坏时， 塔身在圈梁截面处并未发生破坏， 由此证 明爆破切口形成瞬间， 塔身完好。根据材料力学可 知， 截面应力分布为两个相似三角形， 再根据几何原 理， 当人字柱截面最大拉应力达到钢筋混凝土的抗 拉极限瞬间， 相应的受压区最大压应力小于混凝土 抗压强度， 说明在爆破切口形成瞬间， 受拉区最后一 排人字柱首先破坏， 而后受压区第一排人字柱才被 压缩破坏。 4. 2 作用在人字柱上的荷载计算 爆破切口形成瞬间， 塔身重心到人字柱截面中性 轴的水平距离为35. 0233 m， 此时塔身质心与中性轴 中心的连线与竖直方向的夹角θ0＝ arctan e2 h ＝ 37. 35， 转动惯量J ＝5. 649 1010Kgm2， 带入式（3） 得到爆破切口形成瞬间垂直压力为FV＝ 1. 299 108N。而人字柱受压区可提供最大支撑力为1.374 108N， 故在爆破切口形成瞬间， 塔身不会发生整体 下坐。 111第35卷 第3期 张龙飞， 张超逸， 费鸿禄， 等 延期时间对冷却塔爆破倒塌效果影响的研究 万方数据 4. 3 倾覆条件校核 为判断在爆破切口形成瞬间， 塔身是否能够发 生倾覆， 对此时塔身倾覆条件进行校核。当第三区 起爆瞬间新的倾覆力矩M′ ＝ 4. 796 109Nm， 根 据式（3）此时人字柱极限力矩为M ＝ 1. 309 109Nm。 由此可以判断当爆破切口形成瞬间， 塔身 产生的倾覆力矩大于人字柱提供的极限力矩， 证明 此时， 冷却塔会发生倾倒但不会发生整体下坐的 现象。 5 延期时间对塌落振动的影响 分析冷却塔拆除爆破对周围环境产生的振动影 响， 首先， 根据以往拆除爆破工程实践表明， 建筑物 拆除时塌落振动往往比爆破振动大[ 4]， 且塌落振动 的主频率低于爆破振动的主频率， 与建筑物自振频 率相接近[ 5]。其次， 在三次模拟中只改变了爆破第 三区的延期时间， 并未改变单段最大药量， 因此三次 模拟中的爆破振动相同。基于以上两点， 只对基于 不同的延期时间下冷却塔爆破对其塌落振动的影响 进行分析。 第一区人字柱起爆后， 剩余人字柱与塔身底部 截面的质心位置变化很小， 由此造成的倾覆力矩趋 近于零， 此外， 第一区与第二区的延期时间相差很 小， 则人字柱截面上的最大压应力未对混凝土造成 压缩破坏， 则在第一区起爆后， 塔身不发生局部下 沉。当第二区起爆之后， 第三区延期时间增大， 则在 此期间， 人字柱截面上的最大压应力达到了混凝土 的抗压强度， 且对倒塌方向上最前端的人字柱混凝 土造成压缩破坏。破坏范围与作用时间随第三区延 期时间增大而增大， 造成塔身的局部下沉幅度随延 期时间的增大而增大。则在这个过程中， 随着第三 区延期时间增大， 塔身消耗的重力势能增加[ 6]。由 于塔身的局部下沉缓慢， 速度趋近于零， 故忽略第三 区起爆瞬间塔身的动能， 认为在这个阶段中重力做 功全部用于破碎人字柱的混凝土。由此可以认为， 在第三区起爆瞬间， 塔身重力势能随着延期时间增 加而减少， 根据能量守恒， 在塔身前端触地瞬间， 塔 身动能也随之减少。而冷却塔撞击地面的触地动能 是引起塌落振动的根源[ 7]。则可以证明， 增加第三 区的延期时间， 有利于冷却塔触地时的动能， 从而减 少冷却塔触地时的塌落振动。 6 数值模拟与结果分析 为了分析第三区不同的爆破延期时间对冷却塔 倒塌效果的影响， 利用动力有限元软件ANSYS／ LS- DYNA分别对三种不同延期时间下冷却塔倒塌过程 进行仿真模拟。冷却塔采用SOLID164单元进行整 体式建模[ 8]。同时为减少网格数量， 避免由于自由 划分网格造成网格畸形而引起负体积错误， 便于求 解， 将底部人字柱简化为抗压强度大致相等的矩形 立柱[ 9]。忽略钢筋与混凝土这两种材料的力学性 能差异， 视钢筋混凝土材料为单质均匀材料[ 10]， 并 定义为MAT_BRITTLE_DAMAGE脆性材料[ 11]。地 面选用刚体材料。采用关键字MAT_ADD_ERO- SION控制材料失效 爆破区人字柱采用时间失效准 则[ 12]； 保留区人字柱及塔体采用压应力失效准则。 在冷却塔倒塌过程中， 由于塔体倒塌过程中各处碰 撞表面不可预知， 因此模拟过程中采用自动单面接 触算法[ 13]。 在三种延期时间爆破情况下冷却塔塔身动能时 程曲线与塔身在倒塌方向上的水平位移时程曲线如 图6、 图7所示。 图6 塔身动能时程曲线 Fig. 6 Time history curve of kinetic energy 图7 塔身在倒塌方向上的水平位移时程曲线 Fig. 7 Time history curve of displacement 分析塔身动能时程曲线可知， 塔身动能首先随 着时间推移逐渐增大， 然后遇到拐点动能减少， 而后 随着时间推移继续增大。分析冷却塔倒塌过程可以 判定， 当动能达到第一个拐点时， 为塔身前端触地 211爆 破 2018年9月 万方数据 时， 塔身受到地面向上的支持力减缓塔身动能。而 后塔身在最薄弱处破碎解体， 继续绕中性轴转动， 塔 身继续倾倒， 其动能继续增加。当曲线达到第二个 拐点时所对应的时刻， 为塔身解体后塔身上部触底 时刻。观察动能时程曲线， 随着延期时间的增加， 曲 线拐点对应的时间增加， 说明增加第三区延期时间， 推迟了冷却塔触地时间， 以及塔体解体后上部倒塌 触地的时间。在整个倒塌过程中， 延期时间越大， 动 能曲线在两个拐点处的极值越小， 说明增加第三区 延期时间， 有利于减少冷却塔的触地时的动能从而 减少塌落振动， 结果与理论分析得出结论一致。观 察塔身在倒塌方向上的水平位移时程曲线， 塔身的 水平位移随着延期时间增大而减少， 并且延期时间 为MS10时塔身倒塌结束后的位移值与MS14时的 位移值相近， 与MS6时的位移值相差较大， 故认为 爆堆长度在一定程度上随延期时间增加而减少最终 保持稳定。 7 结论 （1） 通过对圈梁及人字柱截面强度计算与冷却 塔的倾覆条件进行校核可知， 在第三区起爆前， 冷却 塔塔身完好不会发生倾覆与整体下坐现象。但在大 偏心受压状态下， 人字柱截面最大压应力超过了钢 筋混凝土的最大抗压强度， 造成在倒塌方向上最前 端的人字柱发生局部破碎， 从而造成塔身在该处发 生局部下沉， 下沉幅度随延期时间增加而增加。而 当第三区起爆瞬间， 冷却塔在倾覆力矩作用下前倾， 但不会发生下坐现象。 （2） 从理论推导与数值模拟两方面证明 增大 第三区的延期时间， 降低了爆破切口形成时， 塔身的 重力势能， 有利于减少塔身的动能， 从而减少塔身在 整个塌落过程中产生的塌落振动效应， 降低对周围 建筑的危害。 （3） 分析数值模拟计算结果， 冷却塔前端触地 时间随第三区延期时间增大而增大。冷却塔塔身在 倒塌过程中的水平方向位移首先随延期时间增加而 减少， 而后随着延期时间增大位移值逐渐保持稳定， 从而判定爆堆长度在一定程度上随延期时间增加而 减少最终保持稳定。 参考文献（References） [1] 李守巨， 费鸿禄， 张立国， 等.爆破拆除冷却塔倾倒过 程的研究[J].爆炸与冲击，1995（3） 282-288. 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