冷却塔爆破拆除的数值模拟研究.pdf

第3 l 卷第1 期 2 0 1 4 年3 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．3 1N o ．1 M a r ．2 0 1 4 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 4 ．0 1 ．0 2 1 冷却塔爆破拆除的数值模拟研究 蒋超，郭子如 安徽理工大学，淮南2 3 2 0 0 1 摘要利用动力有限元软件A n s y s ／l s d y n a 建立有限元模型模拟了某冷却塔爆破拆除的倒塌过程，取得 了与实际爆破效果较为一致的结果。在此基础上，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，对比分析了爆破切1 7 对冷却塔的倒塌过程、触地震动效应及爆堆面积的影响。 关键词冷却塔；爆破拆除；数值模拟；爆破切口参数 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 4 0 1 0 0 9 2 0 4 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fE x p l o s i v eD e m o l i t i o no fC o o l i n gT o w e r s J I A N GC h a o ，G U OZ i r 1 2 A n h u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，H u a i n a n2 3 2 0 0 1 ，C h i n a A b s t r a c t Ac o o l i n gt o w e r 7 sc o l l a p s i n gp r o c e s su n d e re x p l o s i v ed e m o l i t i o nw a ss i m u l a t e db yt h eu s eo fd y n a m i c f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sp r o g r a mA n s y s ／L s d y n a ．a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a ti ti sv e r yc l o s et ot h ec o l l a p s eo ft h ea e - t u a lp r o c e s s ．O nt h i sb a s i s ，t h ec o l l a p s i n gp r o c e s so ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d eu n d e rt h r e ed i f f e r e n tb l a s tc u t sw e r es i m u l a t e d ．T h ee f f e c t so fb l a s tc u to nc o o l i n gt o w e r7 Sc o l l a p s i n gp r o c e s sw e r ea n a l y z e d ，w h i c hp l a y e dg u i d i n gr o l ei nt h e d e s i g no fc u tp a r a m e t e r so fb l a s t i n gp r o j e c t sw i t hs i m i l a rs i t u a t i o n ． K e yw o r d s c o o l i n gt o w e r ；e x p l o s i v ed e m o l i t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；b l a s tc u tp a r a m e t e r 薄壁双曲线型冷却塔高细比小、重心低、底部直 径较大，爆破拆除冷却塔的难度较高，易产生倒塌解 体不充分的现象。爆破切口的形状、位置、面积等决 定了冷却塔爆破后能否按照预定方案顺利倒塌，对 爆堆范围及爆破过程中的触地震动效应也有着关键 性的影响，因此对于冷却塔在不同爆破切口作用下 倒塌解体过程的研究有着重要意义。由于冷却塔倒 塌过程的不可重复性，数值模拟方法因此成为研究 此类建筑物倒塌过程的重要方法H 曲J 。 收稿日期2 0 1 3 一1 1 2 2 作者简介蒋超 1 9 8 9 一 ，男，汉族，安徽省六安市霍山县入，在读 研究生，主要研究建筑物爆破拆除的数值模拟， E - m a i l j e 3 3 4 1 7 1 M 5 4 1 6 3 ．c o r n 。 通讯作者郭子如 1 9 6 2 一 ，男，汉族，安徽滁州人，教授、工学硕士 学位，主要研究爆破工程与爆破器材， E m a i l z r g u o a u s t ．e d u ． 2 1 1 0 1 工程概况 略阳电厂冷却塔1 9 9 9 年建成，因电厂扩建而需 爆破拆除。冷却塔为双曲线型，高度8 4 ．8m ，底部、 顶部、喉部直径分别为6 8 ．5 6m 、3 8 ．5 0m 、3 5 ．8 0i n 。 塔体采用钢筋混凝土结构，塔壁混凝土标号为3 0 0 C 2 8 ，厚度自下而上逐渐减小，最厚0 ．5 0m ，最薄 0 ．1 6i n 。塔底部为环形基础，4 0 对钢筋混凝土人字 柱均匀分布其上，人字柱高5 ．6 0i n ，斜长5 ．9 2m ，截 面为0 ．4 0m 0 ．4 0i n ，每根人字柱采用1 0 根 2 8m m l 6M n 钢作为主筋，箍筋为1 0 2 0 0m m ，混凝 土标号为3 0 0 。 该冷却塔爆破方案采用正梯形切口，炸高 1 3 ．3I n ，爆破圆心角2 1 6 。，相应爆破人字柱数目为2 4 对，为提高破碎效果，在倾倒方向塔壁高度1 3 ．3i n 之 上布置1 1 条宽1 ．01 1 1 ，高9 ．0m 的竖向切缝。 万方数据 第3 1 卷第1 期蒋超，郭子如冷却塔爆破拆除的数值模拟研究 2 建立有限元模型 采用S O L I D l 6 4 单元建立整体式有限元模型， 在保证模拟效果的前提下可节省计算时间。材料模 型选取木M A T B R I T L L E D A M A G E ，此材料模型适 于模拟具有不同配筋率的混凝土材料，对于塔壁、圈 梁、人字柱按照实际情况分别设定不同的配筋率，材 料失效准则选用主应变失效准则。由于冷却塔倒塌 过程中发生接触的材料表面不可预知，因此模拟过 程中采用自动单面接触算法。 l。 I ＼ 舀 d 2 1 6 。一 一 口 首先根据略阳电厂冷却塔实际参数建立正梯形 切口有限元模型，在此基础上，对有限元模型切1 3 进 行修改得到另外3 座冷却塔有限元模型，这3 座冷 却塔模型采用的是倒梯形切1 3 以及另外2 种在国外 曾经成功应用的切口形式，分别为2 0 0 6 年英国卡德 霍尔 C a l d e rH a l l 核电站冷却塔爆破所采用的简单 切口 A 型 及2 0 1 0 年美国萨凡纳河 S a v a n n a hr i v e r 核电站冷却塔爆破所采用的复合切口 B 型 。 见图1 。 a 正梯形切口 b 倒梯形切口 c 4 型切口 d 曰型切口 图1 有限元模型切口尺寸 单位m F i g ．1 N o t c hs i z eo ff i n i t ee l e m e n tm o d e l u n i t m 正梯形切口有限元模型按照实际冷却塔尺寸及 爆破切口尺寸建立。倒梯形切口有限元模型切口由 正梯形切口的上下切口颠倒而得。A 型切1 3 形式较 简单，除在一定高度位置设置环形切缝及竖向切缝 以外，对各人字柱通过爆破进行疏松，利用切1 3 上部 塔体的倾覆来压垮下部塔壁及人字柱。同时，由于 A 型切口下部塔体相对完整，结构强度较大、抗弯矩 较强，对上部塔体的倾覆起到一定阻碍作用，减小了 塔体触地时的动能，会影响到塔体的破碎效果，所以 A 型切口需要设计高度较高的竖向切缝，以保证塔 体充分破碎。本次对A 型切口的模拟中，在高度 1 4i n 位置处设置1 条宽1 ．51 T I 、对应圆心角2 2 0 。的 环形切缝，在倾倒方向环形切缝之上，以2 5m 为间 隔均匀设置3 条宽1 ．5i n 高1 2m 的竖向切缝，对人 字柱每隔一对切断两对。曰型复合切口形式比较复 杂，爆破面积大，切缝跨度也大，整个塔体近似被切 割为3 段同时垮塌。模拟B 型切口的有限元模型 切口参数具体设置如下倾倒方向上对应一半圆周 范围内的人字柱全部切断，余下人字柱每隔一对切 断两对。在倾倒方向高度1 4i n 、4 8I n 位置处各设置 1 条宽1 ．5I T I 、对应圆心角2 2 0 0 、2 0 0 。的环形切缝。 在倾倒方向下部环形切缝之上，以2 5i n 为间隔均匀 设置3 条宽1 ．5m 高2 0I n 的竖向切缝。 3 模拟结果与分析 图2 是对略阳电厂冷却塔实际爆破过程模拟的 结果，起爆后，冷却塔模型后部人字柱由于所受应力 超过承载力极限，很快发生屈服并折断，t 1s 塔壁 后部触地，此时塔体倾斜尚不明显。t 2s 时，后部 塔壁折断、梯形切口内部残留塔壁被上部塔体压碎， 整个塔体继续倾斜并下坐。t 4s 时，塔体坐塌约 1 ／3 高度，整体倾斜角度较为可观，且塔壁显示出明 显扭曲变形。t 5 ．6S ，倾倒塔体与地面相接，开始 与地面相贴合。7s 后整个倒塌过程完成。模拟的 结果与实际倒塌过程较为符合。 j ▲一 图2 正梯形切口模型倒塌过程模拟 F i g ．2 S i m u l a t i o no fc o l l a p s i n gp r o c e s so fm o d e l w i t ht r a p e z i u mn o t c h 图3 是倒梯形切口下的冷却塔倒塌效果。由于 倒梯形切口预留人字柱数目较多，承载力较高，在 t 1s 时刻，人字柱虽发生变形但未完全折断，对塔 体仍起到一定支撑作用，使得在切口高度相同的情 万方数据 爆破2 0 1 4 年3 月 况下，采用倒梯形切口的冷却塔失稳轴比正梯形切 口有所提高，而失稳轴的位置提高使得塔体前部触 地时倾斜角度更大，更加有利于保证冷却塔的顺利 倒塌。由图3 所示的倒塌姿态可见，在t 4s 时，采 用倒梯形切口的模型比采用倒正梯形切口的模型倾 斜角度更大且扭曲变形程度更高。同时，由于失稳 轴的提高增加了塔体触地时的动能，使得塔体对地 冲击的强度加大，解体更加充分，爆堆高度因此有所 降低。 翻j 铀。一一釜- C a t 5 4S b t 2 5 ．2S c f 2 ’7S 图3 倒梯形切广1 模型倒塌过程摸拟 F i g ．3 S i m u l a t i o no fc o l l a p s i n gp r o c e s so fm o d e l w i t hi n v e r s et r a p e z i u mn o t c h 图4 显示了在采用A 型简单切口时，冷却塔倒 塌解体的过程。在爆破后瞬间，由于切缝形成，切缝 上部的塔体失去支撑，原本对称的应力分布发生改 变，冷却塔后部人字柱所受载荷突增，超过承载力极 限而首先屈服折断，造成塔体后部触地并开始加速 倾斜。t 2 ．4S 时，塔体前部发生触地，此时刻后塔 体开始明显扭曲变形。t 4 ．2s ，上部塔体倾斜至前 部残留人字柱及塔壁上方，并开始压碎下部残留结 构。t 5 ．7S ，残留结构已几乎完全被压碎、倾倒的 塔体与地面相接，开始贴合。由于冷却塔环形切缝 的下部塔壁较为完整，结构强度较高，对解体效果产 生不利影响，使得爆堆高度较高。 。d ■囊k c t 2 7S 【冬14 ‘_ 1 犁切口模型倒塌过程模拟 F i g ．4 S i m u l m i o no fc o l l a p s i n gp r o c e s so f m o d e lw i t ht y p eAn o t c h 图5 给出了冷却塔在曰型复合切E l 下的倒塌 过程。如图所示，起爆后1S ，塔体稍有倾斜，前部触 地，后部人字柱全部屈服折断但塔体后壁尚未触地。 t 2 ．3s ，冷却塔后部塔壁触地压碎，塔体发生弯折 并加速倾斜。t 3 ．7S ，塔体坐塌约1 ／2 高度并严重 扭曲变形。t 4 ．6s ，剩余塔体开始与地面相接并贴 合。从模拟结果可见，由于整个塔体被多条切缝所 分割。结构刚度较小。所以破碎解体效果可以得到 充分保证，形成的爆堆高度也非常理想。 量▲一 【到5 ／3 型切L 1 模型倒塌过程模拟 F i g ．5 S i m u l a t i o no fc o l l a p s i n gp r o c e s so f m o d e lw i t ht y p eBn o t c h 图6 是在各模型地面某相同位置处测得的垂直 振动速度时间曲线。由图可见，对于各倒塌模型，地 面垂直振动速度的峰值相差不大，且峰值均处于倾 斜塔体与地面开始相贴合的时刻。贴合的时刻处于 倒塌过程后期，塔体原有的重力势能已大量转化为 动能，故此时塔体与地面相撞产生的震动最为剧烈。 在对倒塌震动的防护过程中，可考虑在预估塔体与 地面相贴合的位置设置浮土堆，以减小地面震动速 度的峰值。 0163 ．24 86 ．48 ．0 T f M E a 正梯形切口模型垂直振速 。 ．| l J L JL “ I l I l - ． _ I 『| I r l『”啊 。- ’ 0163 24 86 48 ．0 T I M E f b l 倒梯形切口模型垂直振速 ．1 I - “一I I 』． ⋯『『『I I ⅣW 1 丌1 r 图6 倒塌过程地面振动速度模拟 F i g ．6 S i m u l a t i o no fv i b r a t i o nv e l o c i t yo fg r o u n d i nc o l l a p s i n gp r o c e s s 图7 显示的是各模型倒塌完成后形成的爆堆长 度。采用正梯形切口时，失稳轴位置低，爆堆长度较 大。而倒梯形切口与A 型切口由于失稳轴位置较 高，产生的爆堆长度有所减小。对于B 型切口，塔 体近乎被切分为三段同时垮塌，塔体产生多处弯折， 减小爆堆长度的效果更为明显。 万方数据 第3 1 卷第1 期蒋超．郭了如冷印塔爆破拆除的数值模拟研究 9 5 翩醯盛谶 较高。建议根据爆破项目的具体要求与施工条件选 择相应的切口形式。 。 正梯形切口爆堆 b 倒梯形切口爆堆 [ 1 ] 痢 c A 型切口爆堆积 d B 型切口爆堆积 图7 倒塌范围模拟 单位m F i g ．7 S i m u l a t i o no fs c o p eo fc o l l a p s e u n i t m 4 结论 由于冷却塔倒塌过程的复杂性，使用经验公式 或多体动力学模型均不能对实际的爆破效果做出很 好的预测，相较而言，有限元方法则具有明显优势， 基本上可以真实的反映出实际的倒塌过程。由模拟 结果可见，4 种切口形式均能够使冷却塔顺利倒塌， 对于最为常用的正梯形切口，其施工难度、爆破工作 量及爆破效果的各项指标都比较适中。倒梯形切口 比正梯形切口解体更为充分且爆堆长度有所减小。 A 型切口形式简单易于施工，但破碎效果相比而言 较差。B 型切口可靠性最高，解体充分，基本杜绝坐 而不塌的情况，但是爆破工作量较大，且由于需要在 塔体较高位置设置切缝，因此施工难度和危险性也 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 6 ] 参考文献 R e f e r e n c e s 傅建秋，郑建礼，刘孟龙．略阳电厂8 4 ．8m 双曲线冷却 塔定向爆破拆除[ J ] ．爆破，2 0 0 7 ，2 4 4 4 1 4 4 ． F UJ i a n q i u ，Z H E N GJ i a n l i ，L I UM e n g l o n g ．D e m o l i t i o n o fa8 4 ．8m h i g hh y p e r b o l i cc o o l i n gt o w e rb yd i r e c t i o n a l b l a s t i n ga tl u e y a n gp o w e rp l a n t [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 0 7 ， 2 4 4 4 1 4 4 ． i nC h i n e s e EJW i l l i a m s o n ．C a l d e rh a l lc o o l i n gt o w e rd e m o l i t i o n L a n d - m a r km i l e s t o n ef o r d e c o m m i s s i o n i n g a ts e l l a f i e l d - 8 4 9 7 [ c ] ∥P h o e n i x ，A Z ，W M 2 0 0 8C o n f e r e n c e ，2 0 0 8 7 5 8 9 ． B I L LS c h a a b ．M I C H A E LF u m e r ．I m p l o s i o n ＆d e b r i sc l e a n u po fS a v a n n a hR i v e rs i t eh y p e r b o l i cc o n c r e t ec o o l i n gt o w - e r 一1 1 5 9 9 [ C ] ／／P h o e n i x ，A Z W M 2 0 1 1C o n f e r e n c e ，2 0 1 1 2 3 3 4 ． 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 ． L I UW e i ．F i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s i m u l a t i o no fe x p l o s i v ed e m o l i t i o no fs t r u c t u r e [ D ] ．W u h a n W u h a nU n i v e r s i - t yo fT e c h n o l o g y ，2 0 0 6 ． i nC h i n e s e 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[ J ] ．爆破，2 0 1 1 ，2 8 3 2 6 - 2 9 ． Y U A NS h a o g u o ，W A N GL i ，W E IX i n ，e ta 1 ．N u m e r i c a l s 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 gt o w e ri nc o m p l e x e n v i r o n m e n t [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 11 ，2 8 3 2 6 2 9 ． i nC h i n e s e 王铁，刘立雷．冷却塔定向爆破拆除及爆破效果有 限元数值模拟[ J ] ．爆破，2 0 1 1 ，2 8 1 6 7 - 7 0 ． W A N GT i e ，L I UL i l e i ．D i r e c t i o n a le x p l o s i v ed e m o l i t i o no f c o o l i n gt o w e ra n di t sn u m e r i c a ls i m u l a t i o np r o c e s s [ J ] ． B l a s t i n g ，2 0 1l ，2 8 1 6 7 - 7 0 ． i nC h i n e s e 气℃／} o 气电7 0 e 气℃／p o 气吧／≯巴气℃∥孓’譬e 气啦／≯o 气电／≯e 气电7 口。气c 7 i o 气℃7 ≯o 气℃／≯e 气≈7 p Q 气℃7 ≯e 气e 。≯o 气c 7 ≯o 气℃7 } o 气世7 ≯o 气电7 ≯o 气℃／≯巴气电／≯巴气世／口e 气屯 ．／∞ 科技论文关键词使用小知识 关键词是反映文章最主要内容的术语，对文献检索有重要作用。凡期刊文章的文献标识码为A 、B 、c 三 类者均应标注中文关键词，有英文摘要者应同时给出英文关键词。中、英文关键词应一一对应。一般每篇文 章可选3 ～8 个关键词，如有可能，尽量用汉语主题词表等词表提供的规范词；未被词表收录的新学科、新 技术中的重要术语以及文章题名中的人名、地名也可以作为关键词标出。多个关键词应按词条外延层次 学科目录分类 由高至低顺序排列，以便于计算机自动切分，关键词之间应以分号“；”分隔，最后一个词后 不打标点符号，并以显著的字符排在同种语言摘要的下方。中文关键词前应冠以“关键词”，英文关键词前 冠以“K e yw o r d s ”作为标识。 万方数据