复杂环境下冷却塔倒塌过程的计算机模拟.pdf

第2 8 卷第3 期 爆破 V 0 1 ．2 8N o ．3 2 0 1 1 年9 月B L A S T I N G S e p ．2 0 1 1 D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 11 ．0 3 ．0 0 7 复杂环境下冷却塔倒塌过程的计算机模拟 袁绍国1 ，王礼1 ，魏鑫2 ，刘冰蕾1 ，唐鹤2 1 ．内蒙古科技大学矿业工程学院，包头0 1 4 0 1 0 ；2 ．山西新华化工有限责任公司设计研究所。太原0 3 0 0 0 8 摘要在工业企业废弃建筑物的拆除过程中，科学合理的爆破设计方案能保证建筑物按指定方向倒塌并 保证周围建筑物的安全。采用A N S Y S ／L S - D Y N A 程序对河曲县发电厂冷却塔爆破拆除进行了倒塌过程的模 拟。冷却塔采用S O L I D l 6 4 单元水M A T _ B R I T I T E _ D A M A G E 材料建立了钢筋混凝土整体式有限元模型．用宰 M A T - A D D _ E R O S I O N 关键字控制爆破缺口的形成和材料的失效，爆破缺口形成过程由“时间”开关控制。模 拟了冷却塔的爆破拆除倒塌过程、倒塌触地后与周围建筑物的距离及倒塌过程中的筒体应力分布等，并与实 际爆破效果做了比较，证明计算机模拟是准确的。 关键词建筑物拆除；倒塌；爆破模拟 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 1 0 3 0 0 2 6 一0 4 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no nC o l l a p s eP r o c e s so fC o o l i n g T o w e ri nC o m p l e xE n v i r o n m e n t Y U A NS h a o ．g u 0 1 ，W A N GL i l ，W E I 瓜n 2 ，L I UB i n g ．1 e i l ，T A N GH e 2 1 ．S c h o o lo fM i n i n gE n g i n e e r i n g ，I n n e rM o n g o l i aU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ，B a o t o u0 1 4 0 1 0 ，C h i n a ； 2 ．D e s i g nI n s t i t u t e ，S h a n x iX i n h u aC h e m i c a lC oL t d ，T a i y u a n0 3 0 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t I nt h ep r o c e s st od e m o l i s h i n gt h ea b a n d o n e db u i l d i n g so fi n d u s t r i a le n t e r p r i s e s ．t h es c i e n t i f i ca n dm - t i o n a ld e s i g no fb l a s t i n gc a ne n s u r et h ee o U a p s eo fb u i l d i n g si nt h es p e c i f i e dd i r e c t i o na n dt h ea r o u n db u i l d i n g s ’s a f e - t y ．I nt h i sp a p e r ，t h eA N S Y S ／L S - D Y N As o f t w a r ei su s e dt os i m u l a t et h ec o l l a p s eo fc o o l i n gt o w e r sb ye x p l o s i v ed e m o - l i t i o ni np o w e rp l a n to fH e q uC o u n t y ．T h eS O L I D l 6 4u n i tt y p ea n dt h e M A T B R r l 3 “ I _ 正一D A M A G Em a t e r i a lt y p e w e r eu s e dt Ob u i l dt h ew h o l ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fr e i n f o r c e dc o n c r e t eo ft h ec o o l i n gt o w e r ．a n dt h e k e y w o r d M A 7 I I - A D D _ E R O S I O Ni su s e dt oc o n t r o lt h ef o r m a t i o no fb l a s tc u ta n dt h ef a i l u r eo fm a t e r i a l s ．T h ef o r m a t i o n p r o c e s so fb l a s tc u ti sc o n t r o l l e db yt h e ”t i m e ”s w i t c h ．W es i m u l a t et h ep r o c e s so fc o o l i n gt o w e re x p l o s i v ed e m o l i t i o n c o l l a p s e ．t h ed i s t a n c et Ot h es u r r o u n d i n gb u i l d i n g sa n dt h ec y l i n d e rs t r e s sd i s t r i b u t i o ni nt h ec 叫雠o fc o l l a p s ea f t e r t h eb u i l d i n gc o l l a p s e da n dt o u c h e dt h eg r o u n d ．a n dc o m p a r e dw i t l lt h ea c t u a lb l a s tr e s u l t s ．A n dt h en u m e r i c a ls i m u l a - t i o ni sp r o v e dt ob ec o r r e c t ，w h i c hh a st c n m ep r a c t i c a lg u i d a n c ea n dh e l p f u li m p a c t i o nt ot h es p e c i f i cp r o j e c t s ． K e yw o r d s b u i l d i n gd e m o l i t i o n ；c o l l a p s e ；b l a s ts i m u l a t i o n 目前，控制爆破拆除技术已广泛应用于工业企 业废弃建筑物的拆除中。这些要拆除的破旧建筑物 收稿日期2 0 1 1 0 1 2 6 作者简介袁绍国 1 9 6 1 一 ，男，内蒙古科技大学矿业工程学院，教 授，硕士，主要从事控制爆破研究， E m a i l 舭n ．b t c n y a h o o ．c o r n ．c n o 大多在企业内部正在使用建筑物的附近，而且随着 这些废弃建筑物的自我毁坏程度的不断加快，很多 都已变成了高危建筑物。提高危险建筑物拆除工程 的安全性，是当前急需解决的重要问题。但是在理 论上把建筑物倒塌方向和距离、爆破后堆积物高度、 触地振动、建筑物解体形式以及有害效应等众多因 万方数据 第2 8 卷第3 期袁绍国，王礼，魏鑫，等复杂环境下冷却塔倒塌过程的计算机模拟 素完全分析清楚是十分困难的，而通过计算机模拟 分析来优化设计参数并对设计结果进行验证则是一 个经济有效的方法⋯。 L S ．D Y N A 是进行这类问题动力仿真的有力工 具，其动力分析功能及前后处理系统满足以下几个 方面的要求①可以描述结构构件的局部破坏与整 体结构失稳；②可以预测爆破高度、前冲距离、后座 距离等爆破效果；③可以根据模拟结果优化爆破设 计；④模拟和再现结构倒塌过程。 1 工程概况 河曲县发电厂在建设中，需拆除1 座原有冷却 塔，冷却塔为圆筒双曲形钢筋混凝土薄壁结构，塔身 高H 4 0 ．0m ，底部直径D 2 5 ．9m ，壁厚由下部 3 0c m 向上逐渐变为1 0c m 。塔身坐落在由2 0 对人 字柱钢筋混凝土桁架上，有圈梁，桁架截面为正方 形，边长3 0c m ，如图1 所示。爆破缺口见图2 。 图1 结构尺寸及爆破缺口位置 单位m F i g ．1 S t r u c t u r eo ft h eg a ps i z ea n dl o c a t i o n o fb l a s t i n g u n i t m 4 05 D 2 53 D 3 D3 D 3 D 3 D 3 D3 D2 55 ．04 ．0 图2 爆破缺口展开图 涂黑为预开窗口， 数字为宽度 单位m F i g ．2B l a s t i n gg a Pe x p a n s i o np i c t u r e b l a c k e do u ti st h e p r e - o p e nw i n d o w ，a n df i g u r ei sw i d t h u n i t m 冷却塔周围环境相当复杂，南部4m 有东西向 高压线，东3 0m 有南北向马路，马路外为居民区，北 2 0m 有围墙，墙外为居民区，西偏北方向2 5m 外有 楼房，正西方向3 0m 外有楼房，此2 楼房南北之距 2 1m ，需要指出的是，在冷却塔东北部有北偏西走向 的地上光缆，距离水塔最近处只有7m 。周围环境 如图3 所示。 图3 冷却塔周围环境 单位m F i g ．3 T h ee n v i r o n m e n ta r o u n dc o o l i n gt o w e r s c h e m a t i cs k e t c h u n i t m 1 因冷却塔属于高细比小的薄壁钢筋混凝土结 构，横截面积大，为防止爆而不倒和解体不彻底，并 考虑到周围的环境 西偏北方向稍微有点开阔范 围，要求定向绝对准确 ，决定采用增大缺口高度的 “预开窗口、断钢筋、爆破支撑板块”的定向倾倒爆 破方案，倒塌方向定为西偏北方向 如图3 箭头所 示方向 。 2 爆破设计 2 ．1 爆破缺口参数的设计原则 缺口大小、高低、位置是冷却塔能否按设计方向 顺利倒塌的重要因素，应做到①缺口大小应满足爆 后塔身在重力作用下顺利按设计方向倒塌；②缺口 设计必须保证爆后冷却塔塔身全部落地，即倒塌而 不是坐塌；③缺口拆除量小，能创造良好的防护条 件，塔身落地后破碎效果好，塔身堆积高度低。 2 ．2 缺口尺寸的选择 爆破缺口采用“三角形”形式 如图l 和图2 所 示 。缺口的长度一般为2 ／3 圆周长，如果缺口过长， 会减小定向爆破方向的准确性；缺口长度过小，又会 导致倾倒力矩小于结构抗弯力矩，从而出现爆而不倒 的现象。考虑到塔身的倾斜程度，为防止爆破后缺口 形成瞬间产生剪切下坐现象，爆破缺口取0 ．6 2 6 倍圆 周长。根据经验公式，缺口部位周长取7 4 ．1 4m ；缺口 长取4 6 ．4 1m ，实取4 4m ；人字支架高度取3 ．0m ；塔 身高取2 ．4m ；j J l 高窗口缺口高度取6 ．2 4m ；缺口中 央 倒塌方向中心线 最大缺口高度取1 1 ．6 4m 。 为了保证定向倾倒的准确性，在爆破缺口两端预 先用爆破或风镐切出定向口，同时为了减少最后一次 爆破的炮孔数，在缺口范围内预先开凿出7 个窗口，除 一一一～一 万方数据 爆破2 0 1 i 年9 月 此之外，为了确保冷却塔触地后彻底解体及减小触地 冲击力，中间的3 个窗口增加6 ．2 4n l 详见图2 。 3 数值模拟分析 利用A N S Y S ／L S - D Y N A 进行爆破拆除过程的数 值仿真包括建立计算机模型 建模 、求解及结果可 视化处理及评价3 个步骤”1 。建好后的仿真模型如 图4 所示。 图4 冷却塔及周围环境仿真模型 F i g ．4 T h es i m u l a t i o nm o d e lo fc o o l i n gt o w e ra n d e n v i r o n m e n ta r o u n d 塔体采用S O L I D l 6 4 单元对其进行网格划 分”o ，材料选用钢筋混凝土材料{ M A T B R I T L L E D A M A G E ，密度25 0 0k g ／m 3 ，弹性模量2 5G P a ，泊松 比0 ．2 ，抗拉强度15M P a ，配筋率0 ．5 ％，钢筋弹性 模量2 1 0G P a ，屈服极限2 4 0M P a ，硬化模量2 1G P a 。 冷却塔主体采用主应变失效准则，取钢筋的极限应 变为0 ．0 2 5 。 梯形缺口 如图4 塔身深颜色部分 及预处理 部分的单元的弹性模量降低2 个等级，定义其失效 准则为计算时间达到0 ．1s ，即在计算时刻从系统中 自动删除。虽然这样处理做法将捕捉不到爆炸产生 的冲击波，但是结构的倒塌主要是是受到倾覆力矩 的作用，因此这种简化对于模拟塔体结构倒塌过程 的主要特征是可行的。计算中，对整个塔体2 ．0m 以上的部分施加重力加速度。 在塔体周围建立实际建筑物模型，以便确定冷 却塔倒塌后是否会危害到周围建筑物。楼房等用与 实际等长的长方体模型代替，高压线、光缆用与实际 等长的圆柱体模型代替，以便节省计算时间。 地面及周围环境的模型建立采用刚体单元，固 定其所有平移及转动，采用S O L I D l 6 4 单元进行划 分网格。因为地面情况比较复杂，选取面一面自动 接触算法中侵蚀接触来模拟冷却塔倒塌落地后与地 面的相互作用。 4 爆破效果与数值模拟的分析与比对 经过A N S Y S ／L S - D Y N A 后处理程序运算后可以 对水塔倒塌的数值模拟结果进行观察与分析 图5 所示 ，从图中我们可以看到水塔下坐、倾斜、扭曲 变形和平铺在地上的全过程，通过图6 与图7 可以 对模拟结果和实际爆破效果进行比较，结果如表l 所示。 图5 冷却塔不同时刻倒塌过程图 F i g ．5 T h ec o o l i n gt o w e rc o l l a p s ep r o c e s sp i c t u r e a td i f f e r e n tt i m e 图6 实际倒塌范围素描示意图 单位m F i g ．6 T h er e a lc o l l a p s es c o p eo ft h ea c t u a l c o l l a p s eo fs c h e m a t i cd i a g r a m u n i t I m 图7 数值模拟倒塌范围示意图 F i g ．7 T h ec o l l a p s es c o p eo ft h en u m e r i c a l s i m u l a t i o ns c h e m a t i cd i a g r a m 万方数据 第2 8 卷第3 期袁绍国，王礼，魏鑫，等复杂环境下冷却塔倒塌过程的计算机模拟 2 9 表1 模拟结果和实际爆破效果进行比较 T a b l e1 C o m p a r et h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n d t h ea c t u a lb l a s te f f e c t s 爆破实际结果数值模拟结果 倒塌方向预定方向倒塌 倒塌形态塔身平展在地面上 周围建筑物无伤害 倒塌长度／m 4 8 ．0 倒塌宽度圆周长的一半 倒塌时问／s 6 ．0 塔身后下方横向撕裂 左边楼房间距／m 6 ．0 上边楼房间距／m 4 ．0 预定方向倒塌 塔身平展在地面上 无伤害 4 7 ．5 圆周长的一半 5 ．7 横向撕裂 6 ．3 4 ．2 从表1 中可以看出实际爆破效果基本和数值模 拟过程符合得很好，倒塌时间比实际倾倒过程稍长， 而倒塌范围边缘比实际倾倒过程稍远，可能由于以 下原因造成的 1 模拟中未考虑空气阻力，而实际中冷却塔 在倒塌过程中扭曲变形，和上升的气流相互作用延 缓了倒塌的时间。 2 在模拟过程中，爆破缺口单元删除后，塔体 在下落与地面接触过程中发生了少量的穿透，导致 塔身高度变小，倒塌后与周围建筑物距离增大。 通过查看冷却塔倾倒过程中筒体不同时刻的等 效应力云图 如图8 所示 可知，冷却塔底部在1s 时等效应力值较大，说明该处所受应力较大，筒体发 生下坐现象；另外还可以看到不同时刻塔体扭曲变 形过程时其应力的变化。 图8 冷却塔不同时刻等效应力云图 F i g ．8 T h ed i a g r a mo fc o o l i n gt o w e rs t r e s sa td i f f e r e n tt i m e 5 结语 通过对复杂环境下冷却塔倒塌过程进行的数值 模拟与实际工程结果对比可以看出，在拆除爆破建筑 物前，利用相关计算机软件建立基于建筑物自身的特 点的仿真模型，不仅能够做到连续地、动态地、重复地 描述事物的变化规律，而且还能形象地帮助人们了解 结构整体倒塌与局部断裂破坏的详细过程。同时，还 可以把模拟结果中反映的信息反馈给爆破设计，用以 修正、完善爆破设计方案，使得拆除爆破仿真模拟技 术的研究具有重要的工程应用价值”1 。 参考文献IR e f e r e n c e s [ I ] 贾永胜大型结构拆除爆破倒塌过程的连续仿真[ D ] ． 武汉武汉理工大学，2 0 1 0 [ 1 ]J I AY o n g - s h e n gD e m o l i t i o n0 fl a r g es t r u c t u r a lc o l l a p s e s i m u l a t i o no fac o n t i n u o u sp r o c e s s [ D ] W u h a n W u h a n [ 4 ] [ 4 ] i 黼| 润 U n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ，2 0 1 0 ． i nC h i n e s e 尚小江，苏建宇，王化峰．等．A N S Y S ／L S - D Y N A 动力分 析方法与工程实例[ M ] ．3 版．北京中国水利水电出 版社．2 0 0 6 ． S H A N GX i a o - j i a n g ，S UJ i a n - y u ，W A N GH u a f e n g ，e ta 1 ． A N S Y S ／L S - D Y N Ad y n a m i ca n a l y s i sm e t h o d sa n dp r o j e c t s [ M ] ．3 r de d ．B e i j i n g C h i n a W a t e rP o w e rP r e s s ，2 0 0 5 ． i n C h i n e s e 刘伟．建筑物爆破拆除有限元分析与仿真[ D ] ．武 汉武汉理工大学，2 0 0 6 6 4 - 6 5 L I UW e i ．T h ef i n i t ec l e m e n ta n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no f b u i l d i n gd e m o l i t i o n [ D ] ．W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y M a s t e rT h e s i s ，2 0 0 6 6 4 6 5 ． i nC h i n e s e 谢先启．拆除爆破数值模拟与应用[ M ] 湖北湖北科 学技术出版社，2 0 0 8 ． X I EX i a n q iT h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n da p p l i c a t i o no f d e m o h t i o nb l a s t [ M ] ．H u b e i H u b e iS c i e n c ea n d T e e h n 0 1 ． o g yP r e s s ，2 0 0 8 ． i nC h i n e s e 2 2 3 3 万方数据