数值模拟在冷却塔爆破拆除中的应用.pdf

第2 9 卷第1 期 爆破 V o l 2 9N o 1 2 0 1 2 年3 月B L A S T I N G M a r ．2 0 1 2 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 2 ．0 1 ．0 1 9 数值模拟在冷却塔爆破拆除中的应用 詹振锵L 2 ，赵明生3 ，池恩安1 , 2 , 3 ，王丹丹L 2 ，和铁柱L 2 1 ．贵州大学矿业学院，贵阳5 5 0 0 0 3 ；2 ．贵州非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵K t5 5 0 0 0 3 ； ， 3 ．贵州新联爆破工程有限公司，贵阳5 5 0 0 0 2 摘要针对目前双曲线冷却塔爆破拆除数值模拟中往往采用整体式模型的实际情况，为了更加真实的反 映出钢筋混凝土在拆除爆破过程中的力学特性，基于A N S Y S ／L S D Y N A 建立了分离式共节点模型，并结合 工程实例进行对比分析。结果表明，利用分离式共节点模型能准确反映出冷却塔倒塌过程中变形扭曲一扭 转撕裂一自由塌落的运动过程，模拟的结果与实际的爆破过程极为相似。因此可认为，利用分离式共节点模 型可对爆破拆除方案进行预演从而为方案的优化提供参考和借鉴。 关键词爆破拆除；冷却塔；薄壁结构；分离式共节点模型 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 2 0 1 0 0 7 3 0 4 A p p l i c a t i o no fN u m e r i c a lS i m u l a t i o ni nB l a s t i n go fC o o l i n gT o w e r Z H A NZ h e n ．q i a n 9 1 ”，Z H A O 胁略一s h e n 9 3 ，C H IE n ．口乃1 ，2 ”，W A N GD a n d a n l ”，H E 死e - z h u l ，2 1 ．S c h o o lo fM i n i n g ，G u i z h o uU n i v e r s i t y ，G u i y a n g5 5 0 0 0 3 ，C h i n a ； 2 ．G u i z h o uX i n l i a nB l a s t i n gE n g i n e e r i n gL i m i t e dC o r p ，G u i y a n g ，5 5 0 0 0 2 ，C h i n a ； 3 ．G u i z h o uK e yL a b o r a t o r yo fC o m p r e h e n s i v eU t i l i z a t i o no fN o n m e t a l l i c ’ M i n e r a lR e s o u r c e s ，G u i y a n g5 5 0 0 0 2 ，C h i n a A b s t r a c t A tt h ep r e s e n t ，t h ee n b l o c km o d e lw a su s e dt os i m u l a t et h eh y p e r b o l i cc o o l i n gt o w e 玛．I no r d e rt or e - f l e c tm o r er e a l i s t i cm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fr e i n f o r c e dc o n c r e t ei nt h ep r o c e s so fe x p l o s i v ed e m o l i t i o n ，t h es e p a - r a t ee l e m e n ta n dc o m m o nn o d em o d e lW a ge s t a b l i s h e db a s e do nA N S Y S ／卜D Y N As o f t w a r e ．t l l ec o m p a r a t i v ea n a l y 一 i sw a sa l s ot a k e nc o m b i n i n gw i t he n g i n e e r i n gp r a c t i c e ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eu 5 eo fs e p a r a t ee l e m e n ta n dc o r n m o r tn o d em o d e lC a l la c c u r a t e l yr e f l e c tt h et o t a ln o d et w i s t - t o r s i o nd e f o r m a t i o nd u r i n gc o o l i n gt o w e rc o l l a p s et e a r - f r e e p r o c e s so fc o l l a p s eo ft h em o v e m e n t ；t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa 托v e r y s i m i l a rw i t ht h ea c t u a ld e m o l i t i o np r o c e s s ．S o ．t h e p r e v i e wo ft h eb l a s t i n gw i t hs i m u l a t i o nw i t hs e p a r a t ee l e m e n ta n dc o m l n o nn o d em o d e lc 锄p r o v i d ea r e f e r e n c ef o rt h e o p t i m i z a t i o no ft h ep r o g r a m ． K e yw o r d s e x p l o s i v ed e m o l i t i o n ；c o c d j i n gt o w e r ；t h i n - w a l l e ds t r u c t u r e ；s e p a r a t ee l e m e ma n dc o l I 姗n o d em o d e l 双曲线钢筋混凝土结构冷却塔具有高大壁薄、 高宽比小、重心偏低、截面直径不断变化、最小直径 截面一般在中点偏上位置等特点‘m 1 。文献[ 3 ．4 ] 研究表明，薄壁筒身在爆破时易发生扭曲而导致倒 塌方向出现偏差、爆而不倒等现象，因此在拆除爆破 收稿日期2 0 1 2 0 1 1 8 作者简介詹振锵 1 9 8 7 一 ，男，硕士研究生，主要从事爆破工程及 安全技术研究， E - m a i l 6 9 4 4 9 3 1 4 6 q q ．c o m 。。 前采用数值模拟的方法对爆破方案进行预演，将具 有重要的指导意义。文献[ 5 - 6 ] 利用A N S Y s ／L s D Y N A 对钢筋混凝土塔体采用整体式模型进行数值 模拟研究，取得了一定的成果。然而对钢筋混凝土 塔体采用整体式模型进行数值模拟没有考虑到钢筋 和混凝土之间的粘结滑移，对非常规不规则配筋引 起的力学差异也无法体现。文献[ 7 - 8 ] 利用分离式 共节点模型对框架结构进行数值模拟研究表明，分 万方数据 7 4爆破 2 0 1 2 年3 月 离式共节点模型可以充分体现结构倒塌过程中钢筋 和混凝土材料的承载失效差异，町以用来准确模拟 结构的倒塌过程。因此利用A N s Y S ／L s D Y N A 建 立分离式共节点模型，对冷却塔的倒塌过程进行预 演，对所采取的爆破力‘案进j i - 验证。 l 工程概况 1 ．1 周围环境 拟拆除的冷却塔位J 厂区封闭围墙内，东面 2 3m 足2 号冷却塔；东南面3 3 ．5m 足循管主管检 仓井；南面2 ．5m 是1 号闸阀井，1 4 ．6m 处是沿东 西向铺设的3 条地下循环主水管．埋设深度0 ．5m ， 3 8m 处是除盐水箱；阿面1 6m 处足水泵房和加氯 问；正北面1 7I l l 是农场；西北面1 3 ．2m 处是生活水 池。详细四邻见图1 。 厂外农场 ] 厂] o 厂区围墙 ‘八 ＼冷却塔／ 漱 口 图t 冷却塔四邻环境 单位m F i g 1 S u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n to fc o o l i n gt o w e r s u n i t m 1 ．2 结构特点 冷却塔主体结构由圆形人字柱、圈梁和塔壁组 成。该冷却塔高为5 1 ．4 m 、底部直径为3 5 ．8 6m 、顶 部直径为“．4 8m 、最小直径为2 0 ．2 4m 。其中，人 字柱共3 2 对，直径3 5 0m m ，在地面上从 0 ．2 0 ～ 4 ．4i r t ．圈梁从 4 ．4 ～ 5 ．4m ．塔壁从 54 ～ 5 1 ．4m 。为变厚度的双曲线钢筋混凝土薄壁结 构，壁厚1 5 0 3 5 0m m ，由下至卜逐渐变薄。 2 爆破方案 根据冷却塔的结构特点，结合周边环境条件和 安全要求情况，采取东南面为倒塌方向。为r 保证 冷却塔倒塌方向准确。拟采用如下技术措施 1 为了保证爆破缺口形成后后支座有足够的 支撑并控制倒塌角度，人字柱爆破切t “ 2 圆心角取 2 0 2 。，即取1 8 对人字柱打眼爆破，爆破高度4 ．2m 。 2 圈梁、塔壁爆破缺1 7 1 采用正梯形爆破切口， 长度取圈梁周长的1 ／2 2 ／3 。在这里取爆破缺n 【c ；i I 心角2 4 0 。。 3 塔燃取lm 高的爆破缺口。整个冷却塔爆 破切n 的商度 冷印塔的人字桂、圈粱、塔肇的破坏 高度 控制住其底部嘲梁半径的1 ／3 ～1 ／2 比较合 理．实取62m ， 4 对塔体进行顶处理。在环梁以上的塔体薄 肇出，倒塌中心线两侧预先黼7 个I ．5m 宽、2 ．6i n 高的定向窗，窗几下面的圈梁采用钻孔爆破，与I 面的预留窗口形成射通。由于圈粱部位钢筋密集， 为r 减小在圈梁上的钻孔难度，采用机械预处理方 式对缺口内的圈梁分断成多个小段，使塔擘失去完 整的底盘支撑，便于解体坍塌。预留窗n 和圈梁分 断部位的钢筋在装药前割断，破坏其柔性连接。 3 冷却塔爆破拆除数值模拟 为了如实地反映钢筋混凝土结构构成，分析钢 混结构中钢筋和混凝土的破坏过程，采用分离式共 节点模型。钢筋采用杆单元b e a m l 6 1 ，材料为塑性 随动硬化，见图2 ；混凝土采用实体单元s o l i d l 6 4 进 行建模．材料为塑性随动硬化，见图3 。 刚2 钢筋材料a r l z 2 抽【c Im a t n { 图3 混凝土材料模型 F i g 3C o n c r e t em a t e r i a lm o d e l 混凝土单元与钢筋单元共节点。对钢筋混凝土 材料选取“M A TP L A S T I C K I N E M A T I C ”进行材料定 万方数据 第2 9 卷第1 期 詹振锵，赵明生，池恩安，等数值模拟在冷却塔爆破拆除中的应用 7 5 义。对爆破缺口的混凝土选取“M A T A D D E R P - S I O N ”关键字，定义其失效准则为时间失效，即达到 失效时间后在系统中自动删除，钢筋混凝土具体参 数如表l ，冷却塔的钢筋混凝土分离式共节点模型 见图4 a ，冷却塔的倒塌过程见图4 。 表1 材料参数 T a b l e1M a t e r i a lp a r a m e t e r s 篓 k g 黑， 弹性／G 模量P a 僦比腓／M 翮P a 肭／M 链P a 参数 m 。 ⋯⋯。 混凝士25 0 0 3 002 13 03 0 0 钢筋 78 0 02 1 0 0 ．2 72 3 52 1 0 0 由图4 可见，冷却塔在切几形成后，混凝剥离 筒体，露出钢筋，钢筋还起到部分支撑的作用，上部 简体在重力和支座反力形成的倾覆力矩作用下，使 预留支撑体截面瞬时由全部受压改为偏向受压状 态，冷却塔开始出现定轴转动，后支座上的人字形圆 形立柱无法完全支撑冷却塔的重量，同时冷却塔表 现为整体下坐；待缺口闭合后，着地的混凝土受压， 达到受压强度，混凝土失效，直到混凝土受压小于受 压强度，此时前部塔壁运动受阻，结构的倾倒运动将 会出现减缓的迹象，后部塔壁会因为惯性原因继续 向前运动，后部塔壁向前挤压，塔壁出现扭转变形， 塔体绕新的支点旋转并最终倾倒。因此可认为所采 取的爆破方案可行，并按此进行施工，冷却塔的实际 倒塌过程见图5 。由图4 、图5 对比可见 1 实际爆 破与数值模拟冷却塔倒塌过程中的运动规律相同， 都为变形扭曲、扭转撕裂、自由塌落3 部分组成； 2 虽然模型在材料上比较理想化，在塔壁的破坏 上没有做到形态上的完全相似，冷却塔本身的材料 就是复杂的，同样的冷却塔2 次爆破也很难产生相 同的破坏形态，因此只要受力方式相同，变形的趋势 相同，具体破坏形态上的差异是可以容许的。 L 上L _ - 同4 冷却塔的倒塌过程 } ’i g 4 C o o l i n gt o w e rc o l l a p s e dl l t V t e e s s 图5 冷却塔的实际倒塌过程 F i g ．5 T h ea c t u a lp r o c e s so fc o o l i o gt o w e rc o l l a p s e d 万方数据 7 6爆破 2 0 1 2 年3 月 4 结语 1 冷却塔由于冷却塔结构由于塔壁较薄，塔 身尺寸较大，在倒塌过程中的运动规律为变形扭 曲一扭转撕裂一自由塌落。 2 利用分离式共节点模型对冷却塔进行数值 模拟，可更为真实的反映出钢筋混凝土结构的破坏 过程，从而更为准确的对冷却塔爆破拆除方案预演 及优化提供参考和借鉴。 [ 4 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 5 ] 参考文献 R e f e r e n c e s E 62 王希之，年鑫哲，刘晓峰，等．遵义电厂冷却塔爆破拆 除[ J 】．爆破，2 0 1 0 ，2 7 1 6 4 - 6 6 ． W A N GX i z h i ，N I A NX i n - z h e ，U UX i a o f e n g ，e ta 1 ．E 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 ri nZ u n y ip o w e rp l a n t [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 0 ，2 7 1 6 4 - 6 6 ． i nC h i n e s e 杨朴，自立刚．高大薄壁双曲钢筋混凝土冷却塔定向爆 破拆除技术[ J ] ．铁道工程学报，2 0 0 6 ，9 3 3 6 6 - 6 9 ． Y A N GP u ，B A lL i - g a n g ．T e c h n i q u ef o rd e m o l i s h i n gh i g h t h i n - w a l lh y p e r b o l i cr e i n f o r c e dc o n c r e t ec o o lt o w e rb yd i 一． r e c t i o n a lb l a s t i n g [ J ] ．J o u r n a lo fR a i l w a yE n g i n e e r i n gS o - e i e t y ，2 0 0 6 ，9 3 3 6 6 - 6 9 ． i nC h i n e s e 瞿家林，谢兴博，王希之，等．9 0m 高冷却塔爆破拆除 安全防护设计[ J ] ．爆破，2 0 1 l ，2 8 2 7 2 - 7 5 ． Q UJ i a l i n ，X I EX i n g b o ，W A N GX i - z h i ，e ta 1 ．S e c u r i t y p r o t e c t i o nd e s i g no fe x p l o s i o nd e m o l i t i o no f9 0mc o o l i n g t o w e r [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 1 ，2 8 2 7 2 - 7 5 ． i nC h i n e s e [ 6 ] [ 7 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 8 ] 张继春，曾庆福，严军，孥成都华能电厂1 1 3 6 ．6m 钢筋 砼冷却塔控制爆破拆除[ J ] ．爆破，2 0 1 0 ，2 7 1 5 8 - 6 3 ． Z H A N Gj i c h u n ，Z E N GQ i n g f u ，Y A NJ u n ，e ta 1 ．C o n t r o l l e d e x p l o s i v ed e m o l i t i o no f1 0 6 ．6mr e i n f o r c e dc o n c r e t ec o o l i n g t o w e ri nC h e n g d uH u a n e n gp l a n t [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 0 ，2 7 1 5 8 - 6 3 ． i nC h i n e s e 谢春明，杨军，张光雄．钢筋混凝土观光塔爆破拆除 及数值模拟[ J ] ．爆破，2 0 0 9 ，2 6 4 8 - 1 2 ． X I EC h u n m i n g ，Y A N GJ u n ，Z H A N CG u a n g - x i o n g ．N u m e r i - e a ls i m u l a t i o no fr e i n f o r c e dc o n c r e t et o u rt o w e re x p l o s i v e d e m o l i t i o n [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 0 9 ，2 6 4 8 - 1 2 ． 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 1l ，2 8 1 6 7 - 7 0 ． W AN 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 n o fc 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 1 l ，2 8 1 6 7 - 7 0 ． i nC h i n e s e 余德运，杨军，陈大勇，等．基于分离式共节点模型 的钢筋混凝土结构爆破拆除数值模拟[ J ] ．爆炸与冲 击，2 0 l l ，3 l 4 3 4 9 - 3 5 5 ． Y UD e y u n ，Y A N GJ a n ，C H E ND a - y o n g 。e ta 1 ．N u m e r i c a l s i m u l a t i o no fr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r eb a s e do ns e p a - t a t ee l e m e n ta n dc o m m o nn o d em o d e l [ J ] ．E x p l o s i o na n d S h o c kW a v e s ，2 0 1 1 ，3 1 4 3 4 9 - 3 5 5 ． i nC h i n e s e 言志信，刘龙泉，刘培林．框架结构爆破拆除分离式模 拟研究[ J ] ．爆破，2 0 1 l ，2 8 3 1 - 4 ． Y A NZ h i - x i n ，L I UL o n g - q u a n ，L I UP e i l i n ．S i m u l a t i o nr e ． s e a r c ho ns e p a r a t em o d e lo ff r a m e ds t r u c t u r ee x p l o s i v e d e m o l i t i o n [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 1 ，2 8 3 l 一4 ． i nC h i n e s e 上接第5 0 页 [ 4 ] T A NZ h u o y i n s ，Z H A N GJ i a n - g u o ．T h er e l 砒i o ns t u d yb e 一‘ t w e e nb o u l d e ry i e l da n db l a s t i n gp a r a m e t e r so fd e e p - h o l e b l a s t i n gf o ro p e np i t [ J ] ．B l a s t i n g ，1 9 9 9 ，6 4 1 3 1 6 ． i n C h i n e s e [ 5 ] 沈兴玉，崔光峰，任昌胜，等．露天爆破大块率高及根 底产生的原因及降低措施[ J ] ．现代矿业，2 0 1 0 7 9 6 - 9 7 ． [ 5 ] S H E NX i n g - y u ，C U IG u a n g - f e n g ，B E NC h a n g - s h e n g ，e t a 1 ．T h ec a u s e so ff o u n d a t i o na n dt h en l e a s u 嘟t or e d u c e h i g hb o u l d e ry i e l di no p e nb l a s t i n g [ J ] ．M o d e r nM i n i n g ， 加l O 7 9 6 - 9 7 ． i nC h i n e s e [ 6 ] 邓端正．降低露天矿中深孔爆破大块率的研究[ J ] ．生 产技术，2 0 0 8 6 2 0 - 2 2 ． D E N GD u a n z h e n g ．T h es t u d yo fr e d u c i n gb o u l d e ry i e l do f d e 印一h o l eb l a s t i n gf o ro p e np i t [ J ] ．P r o d u c t i o nT e c h n o l o - g Y ，2 0 0 8 6 2 0 - 2 2 ． i nC h i n e s e 叶海旺，王进．节理岩体爆破数值模拟[ J ] ．爆破， 2 0 0 9 ，2 6 4 1 3 - 1 6 ． Y EH a l w a n g ，W A N GJ i n ．T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff r a c - t u r er o c kb l a s t i n g [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 0 9 ，2 6 4 1 3 - 1 6 ． i nC h i r 坨s e 王莉，赵彬，张德明，等．矿岩爆破参数预测新方 法研究[ J ] ．爆破，2 0 1 0 ，2 7 4 2 7 - 3 0 ． W A N GL i ，Z H A OB i n ，Z H A N GD e m i n g ．T h es t u d yo f n e wm e t h o d sf o rb l a s t i n gp a r a m e t e r so fr o c k [ J ] ．B l a s t i n g ， 2 0 1 0 ，2 7 4 2 7 - 3 0 ． i nC h i n e s e 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J H I 晗 心 口 口 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J № 口 口 晦 哆 万方数据