前置定向窗对冷却塔倒塌效果的数值模拟研究.pdf

第 33 卷 第 1 期 2016 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol 33 No 1 Mar 2016 doi 10 3963/ j issn 1001 -487X 2016 01 020 前置定向窗对冷却塔倒塌效果的数值模拟研究* 胡浩川， 李 鸿， 余红兵 （贵州新联爆破工程集团有限公司， 贵阳 550000） 摘 要 前置定向窗的开设是冷却塔能够扭曲倒塌的关键。通过高速摄影观测贵阳电厂冷却塔倒塌过程 中因未开设前置定向窗从而导致倒塌长度超过预计范围。为了研究前置定向窗开设对冷却塔倒塌效果的影 响， 模拟了开设不同规格前置定向窗条件下的冷却塔在自重作用下的触地、 扭曲变形、 扭转撕裂、 完全落地各 阶段的时间和倒塌面积。模拟结果表明 前置定向窗切口越高， 冷却塔扭曲撕裂过程越早， 倒塌宽度越小， 有 助于控制塔身坍塌面积； 定向窗宽度对冷却塔倒塌效果不明显； 不同规格定向窗对冷却塔整体倒塌时间影响 不大。 关键词 冷却塔；前置定向窗；数值模拟；扭转撕裂；倒塌效果 中图分类号 TU746 5 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2016） 01 -0100 -05 Numerical Simulation Study of Collapse Effect of Cooling Tower Blasting with Front Directional Windows HU Hao-chuan， LI Hong， YU Hong-bing （Guizhou Xinlian Blasting Engineering Group Co Ltd， Guiyang 550000， China） Abstract The open of front directional windows is the key to the cooling tower twist to collapse The length of collapse of cooling tower without pre directional window in Guiyang power plant exceeds the expected range by the high speed camera observed In order to study the influence of directional front windowon on the cooling tower col- lapse effect， the time of touchdown， distortion， torsion tear， fully landed of cooling tower and its collapse range were simulated with different specifications of cooling tower under the action of gravity The simulation results show that the higher pre directional window cutting， the more early cooling tower distortion tearing process， and the smaller width， which helps to control tower collapse area； The influence of width of directional window on cooling tower col- lapse effect is not obvious The influence of different specification directional window on collapse time is also lesser Key words cooling tower；front directional window；numerical simulation；torsional tear；collapse effect 收稿日期 2015 -12 -18 作者简介 胡浩川 （1972 - ） ， 男， 硕士研究生、 高级工程师， 贵州新联 爆破工程集团有限公司， 从事工程爆破工作，（E-mail） 602574716 qq com。 基金项目 黔科合重大专项字 ［2015］ 6003； 黔科合高 G 字 ［2015］ 4004； 贵州省工业和信息化发展专项基金计划 （2015030） 冷却塔为薄壁钢筋混凝土结构， 在爆破过程中， 塔壁发生扭转撕裂， 是导致冷却塔顺利坍塌的重要 步骤， 是冷却塔爆破成功的重要标志。爆破切口是 使得冷却塔坍塌过程中产生扭转的关键部位。蒋 超， 郭子如等对此冷却塔模型在另外 3 种爆破切口 下的倒塌效果进行了模拟， 得到不同切口定向窗形 式下的适用范围和优缺点 ［1］； 李洪伟、 赵明生等通 过数值模拟和冷却塔工程实例相结合， 提出了数值 模拟的可靠性研究以及爆破切口对冷却塔倒塌范围 的影响 ［2-4］。徐鹏飞， 褚怀保［5， 6］等以能量理论、 数 值计算结果和现场振动测试结果证明了高卸荷槽复 式切口能有效调控塔体应力状态， 有效改变冷却塔 倒塌状态。本研究以贵阳电厂冷却塔爆破拆除为实 例， 未开设前置定向窗导致倒塌面积超出预测倒塌 长度， 在此基础上利用 ANSYS 数值模拟不同前置定 向窗规格工况下对冷却塔的倒塌效果的影响。 1 工程实例分析 1 1 工程概况 贵阳电厂 2冷却塔底部直径 60 m， 高 86 m， 周围环境复杂， 四周都 有 民 房 分 布， 最 近 距 离 21 m， 东南方向附近有铁路高架桥通过， 最近距离 60 m。前期采用机械拆除方案， 将冷却塔部分承 重结构拆除， 导致其结构整体性被破坏， 成为高危 建筑。机械拆除情况包括 拆除 15 根人字形立 柱， 对应的圈梁部分已被拆除、 塔壁也有部分进行 了破坏， 拆除的最大高度为 8 5 m， 见图 1。为防 止抢险过程中机械辅助工序引发其它次生意外事 故， 只能按照原机械拆除方案设计的倒塌方向采 用定向爆破拆除方案。 图 1 冷却塔示意图 （单位 m） Fig 1 Schematic diagram of cooling tower （unit m） 1 2 爆破施工方案 在现场施工过程中， 为保证高危建筑在机械预 处理的安全稳定和定向倾倒的准确性， 通过参考类 似相关工程实例和冷却塔爆破拆除倒塌机理 ［7-9］， 在爆破切口内沿中心线向两侧对称开 2 个减荷槽 （2 m 6 m） ， 2 个定位窗 （2 m 2 m） ， 倾倒方向反 方向开1 个2 m 4 m 泄压窗， 各爆破切口底部高度 距离地面 10 m， 为保证施工安全， 在已破坏圈梁处 取消前置定向窗的开凿， 防止施工过程中冷却塔塔 身失稳。切口示意如图 2 所示。爆破冷却塔底部半 径为 30 m， 冷却塔爆破高度 H 取 6 5 m， 切口的圆 角为 220， 爆破拆除人字形立柱共计 18 对， 见图 3。 1 3 爆破效果评价 爆破部位按设计目标破碎解体， 冷却塔整体朝 向设计方位扭曲倒塌， 不同建构筑物均未受到爆破 危害损伤。通过高速摄影得到不同时间下的爆破效 果如图 4 所示。 图 2 爆破切口角度示意图 Fig 2 Sketch of the angle of blasting cut 图 3 爆破切口示意图 （单位 m） Fig 3 Schematic diagram of blasting cut （unit m） 从图中可以看出， 起爆后 2 5 s 时冷却塔在自 重作用下开始下座， 倒塌方向圈梁触地， 5 5 s 时塔 身发生扭转撕裂， 撕裂位置在倒塌中心线左右两侧 90位置处， 8 25 s 时冷却塔完成定向倒塌。倒塌效 果与预计基本一致。根据爆破倒塌效果影像资料和 现场实测， 此次爆破倒塌面积的长度为 90 m， 超过 实际冷却塔高度 4 m， 同时， 冷却塔在触地后 2 3 s 塔身才发生变形扭曲和扭转撕裂， 且倒塌方向后侧 的塔身未完全覆盖前侧塔身， 初步分析其原因是 （1） 未开凿前置定向窗， 导致冷却塔倒塌方向一侧 的塔壁在自重作用下发生的为挤压破碎， 而非常规 的向内扭转撕裂， 从而塔壁向前冲出一段距离；（2） 未开凿前置定向窗， 前侧塔身20 m 以下位置直接在 重力作用下破碎， 两侧卸荷窗对冷却塔扭转撕裂的 作用不明显， 撕裂位置在冷却塔倒塌方向两侧对称 位置， 两侧撕裂线未重合， 扭转撕裂后后侧塔身对前 侧塔身拉力较小， 前侧塔身和塔口直接以完整形态 倒向地面。从高速摄影可以看出， 若冷却塔自重较 101第 33 卷 第 1 期 胡浩川， 李 鸿， 余红兵 前置定向窗对冷却塔倒塌效果的数值模拟研究 小， 倒塌方向一侧的混凝土块不能发生挤压破碎， 则 冷却塔很容易由于倾覆力矩不够造成倾而不倒的状 态， 造成爆破安全事故。因此， 前置定向窗对冷却塔 的倒塌效果有很大的影响， 在爆破拆除过程中尤其 是相似高危抢险过程中， 必须研究前置定向窗对冷 却塔倒塌效果的影响。 图 4 结构爆破实际效果图 Fig 4 Actual final results 2 前置定向窗不同规格工况下倒塌数 值模拟分析 2 1 模型建立 利用 ANSYS/ LS DYNA 软件对冷却塔定向倾 倒过程进行数值模拟， 模拟中材料模型均采用分离 式共节点模型。采用*MAT BRITTLE DAMAGE 定 义材料的密度、 弹性模量等； 采用*MAT ADD E- ROSION 定义材料的失效应力， 材料失效后， 相应的 单元就被删除， 用以模拟爆破切口和定向窗位置； 接 触类型采用 *CONTACT AUTOMATIC SINGLE SURFACE 接触方式； 几何模型与实际尺寸相同。 在贵阳电厂冷却塔实际工况下在切口中心线位 置设计前置定向窗并改变其高度和宽度， 分析不同 工况下定向窗对冷却塔的倒塌效果， 分别设计前置 定向窗规格为 1 m 8 m， 1 m 10 m， 2 m 8 m， 2 m 10 m （底部距离地面均为 10 m） ， 并进行数值 模拟分析， 模型结构如图 5 所示。 图 5 不同前置定向窗规格下的冷却塔模型 Fig 5 Cooling tower model with different front window sizes 2 2 不同工况下数值模拟分析 分别对各工况下模型在自重力作用下的分析数 值模拟倒塌过程和效果统计， 不同定向窗切口下冷 却塔塔身倒塌历时基本一致， 但在不同时刻下的倒 塌效果又不完全一样。对比分析塔身发生扭转撕裂 的时间和最后塔身坍塌面积， 图 6 所示为不同前置 定向窗规格下的塔身倒塌面积， 表 1 为各工况下的 倒塌状态时间特性和倒塌面积参数。 图 6 不同前置定向窗规格下塔身倒塌范围 Fig 6 Tower collapsed range of different front directional window specifications 201爆 破 2016 年 3 月 表 1 不同工况下冷却塔变形时间 Table 1 Deation time of cooling tower under different working conditions 定向窗规格/ （m m） 圈梁触地 塔身倒塌过程时间特性/ s 扭转撕裂塔身完全着地 倒塌面积/ （m m） 1 82 503 628 1587 60 2 82 493 558 1485 60 1 102 483 208 0885 50 2 102 483 118 0885 50 无前置定向窗2 505 508 2590 60 从图 6 和表 1 可以看出 （1） 对比 1 m 8 m， 2 m 8 m 和 1 m 10 m， 2 m 10 m 两种定向窗高度一样、 宽度不一样的倒 塌效果， 不同宽度的前置定向窗对冷却塔的倒塌效 果影响不大， 主要体现在 1） 同样高度定向窗下， 塔 身坍塌在地面的面积基本上没有明显区别； 2） 同样 高度定向窗下， 2 m 略先于 1 m 宽定向窗冷却塔塔 身发生扭转撕裂， 时间上提前 0 1 s。 （2） 对比 1 m 8 m， 1 m 10 m 和 2 m 8 m， 2 m 10 m 两种定向窗宽度一样、 高度不一样的倒塌 效果， 不同高度的前置定向窗主要影响塔身发生扭转 撕裂的时间， 定向窗高度越高， 塔身发生扭转的时间 就越早， 10 m 比 8 m 高定向窗冷却塔时间上约提前 04 s； 其次， 塔身坍塌在地面的面积也有较大区别， 主 要体现在倒塌面积上10 m 高定向窗工况要小于 8 m 高定向窗工况， 主要体现在倒塌宽度的不同。 （3） 不同定向窗规格对冷却塔的倒塌总时间影 响不大， 其他工况相同前提下， 塔身在倾覆力矩的作 用下塔身完全着地时间均在 8 06 8 25 s 之间。 3 结论 结合现场冷却塔倒塌高速摄影与 LS-DYNA 数 值模拟相互验证， 提出了前置定向窗对冷却塔倒塌 效果的影响， 为相似高危建筑抢险工程的爆破拆除 提供指导借鉴意义。通过数值仿真软件模拟了不同 规格前置定向窗下冷却塔的倒塌过程， 结果表明 前 置定向窗高度越高， 冷却塔倒塌过程中发生扭转撕 裂时间越早， 宽度对冷却塔倒塌效果影响不大， 主要 体现在扭转撕裂的时间有微小差别； 前置定向窗高 度越高， 倒塌面积越小， 体现在倒塌宽度的减小。 参考文献 （References） ［1］ 蒋 超， 郭子如 冷却塔爆破拆除的数值模拟研究 ［j］ 爆破， 2014， 31 （1） 92-95 ［1］ jIANG Chao， GUO Zi-ru Numerical simulation of explo- sive demolition of cooling towers ［ j］ Blasting， 2014， 31 （1） 92-95 （in Chinese） ［2］ 李洪伟， 颜事龙， 郭 进 爆破拆除切口形状对冷却塔 爆破效果影响及数值模拟 ［j］ 爆破， 2013， 30 （4） 92- 95 ［2］ 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