段海霞,強(qiáng)智鐸,姜夏冰,包麗納

(沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110159)

0 引言

冷卻塔自身重量大,塔壁是由鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)組成,呈雙曲線薄壁結(jié)構(gòu)。 在爆破拆除過程中,切口尺寸選擇不當(dāng),會導(dǎo)致冷卻塔出現(xiàn)爆而不倒或者下坐現(xiàn)象,存在一定的危險系數(shù)[1]。 以爆破拆除理論為基礎(chǔ),使用數(shù)值模擬軟件對冷卻塔的爆破拆除及倒塌過程進(jìn)行數(shù)值模擬仿真,可以提前在計算機(jī)上觀察爆破拆除的模擬數(shù)據(jù),有利于更好地優(yōu)化爆破參數(shù)和改進(jìn)設(shè)計方案,可提高爆破拆除的安全性和可靠性[2]。 數(shù)值模擬軟件的開發(fā)與應(yīng)用,使爆破拆除方案在軟件中進(jìn)行數(shù)值模擬,分析設(shè)計方案是否合理準(zhǔn)確。 以某待拆除冷卻塔為例,擬采用冷卻塔倒塌過程中的切口尺寸作為爆破拆除的關(guān)鍵影響因素,通過軟件分析多組切口尺寸方案,在數(shù)值模擬方案中選出最優(yōu)的切口尺寸,避免了傳統(tǒng)爆破拆除方案設(shè)計基于經(jīng)驗或半經(jīng)驗參數(shù)帶來的不確定性,并且在現(xiàn)場可根據(jù)工程實際情況隨時調(diào)整爆破倒塌方案,縮短了工期,降低了施工成本,為后續(xù)基于虛擬仿真開發(fā)爆破方案設(shè)計施工軟件奠定基礎(chǔ)。

1 工程概況及周圍環(huán)境

冷卻塔屬于薄壁雙曲線鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),由人形立柱、環(huán)梁和塔壁3 部分構(gòu)成。 冷卻塔總高度為91.3 m,底部直徑為62 m,最頂部直徑為 42.2 m,冷卻塔在63.5 m 的塔壁處半徑最小,為18.72 m。 冷卻塔塔壁的底部壁厚為0.56 m,頂端壁厚為0.3 m,塔壁最薄處壁厚為0.18 m。 人字柱高6.0 m,橫截面尺寸是邊長為0.45 m 的正方形,人字柱上部是高1.0 m、厚0.58 m 的鋼筋混凝土圈梁。 冷卻塔截面如圖1 所示。

圖1 冷卻塔截面(單位:m)

冷卻塔周圍環(huán)境十分復(fù)雜,冷卻塔西北側(cè) 25 m和西南側(cè)30 m 處為廠房;東北側(cè)45 m 處為機(jī)關(guān)樓,冷卻塔東南側(cè)50 m 處為員工宿舍。 冷卻塔的西側(cè)、南側(cè)、北側(cè)均為熱力管線,而南側(cè)30 m 是水池,北側(cè)和西側(cè)40 m 的2 個生產(chǎn)車間內(nèi)有設(shè)備,具體環(huán)境如圖2 所示。 制訂爆破方案時需充分考慮周圍環(huán)境。

圖2 冷卻塔周圍環(huán)境(單位:m)

2 冷卻塔的倒塌原理

一定尺寸的爆破切口會使冷卻塔的承重結(jié)構(gòu)被破壞,在自身重力作用下發(fā)生失穩(wěn)傾倒,在切口閉合過程中構(gòu)筑物會嚴(yán)重扭曲變形,最后塌落在地面上,這一原理被稱為重力作用原理[3]。 切口尺寸是決定倒塌的關(guān)鍵因素,倒塌歷時、倒塌范圍和爆堆大小是判斷冷卻塔爆破拆除是否成功的重要依據(jù)[4]。 冷卻塔在爆破拆除時要防止切口閉合后產(chǎn)生后坐。 正梯形切口是拆除爆破工程中最常用的切口形式[5]。

冷卻塔的倒塌方式一般分為折疊式倒塌、原地坍塌和定向倒塌3 種方式。 定向倒塌方便、快捷、容易控制,是目前國內(nèi)外使用最廣泛的一種拆除方式。 根據(jù)冷卻塔的工程概況和周圍環(huán)境選擇向正東方向定向倒塌。

3 數(shù)值模擬軟件分析過程

1)定義單元。 SOLID164 實體單元,適用于三維立體模型的實體性單元類型[6],塔體選擇SOLID164 實體單元。 SHELL163 薄壁單元,適用于類似薄壁的結(jié)構(gòu)建模,地面選擇SHELL163 薄壁單元。 BEAM161 單元,是空間桿件單元,人字柱采用BEAM161 空間桿件單元。

2)選取材料屬性。 材料模型的選擇是否合理對后續(xù)的材料賦予很關(guān)鍵,這就決定了建立的冷卻塔模型是否具有工程概況中所說的材質(zhì)。 設(shè)置該材料模型時要輸入以下參數(shù)值:彈性模量、密度、泊松比及屈服應(yīng)力值。 塔壁鋼筋混凝土材料模擬參數(shù)見表1。

表1 塔壁鋼筋混凝土材料模擬參數(shù)

3)實體建模。 模型建立是否正確代表著物體是否被準(zhǔn)確還原,從而決定能否正確求解。

4)網(wǎng)格劃分。 冷卻塔可以剖分為由塔體、人字柱和地面等多種單元組合而成的網(wǎng)格,冷卻塔主體、人字柱、地面和爆破切口部分分別定義不同的單元類型且賦予不同的材料屬性[7]。

5) 建立PART。 在網(wǎng)格劃分完成后,選擇Create all parts,建立PART。

6)定義接觸。 高聳冷卻塔在倒塌之后會落在地面上,與地面發(fā)生接觸碰撞,合理選擇接觸類型、接觸方式是數(shù)值模擬取得合理分析效果的關(guān)鍵[8]。冷卻塔倒塌過程的數(shù)值模擬采用單面接觸的自動接觸類型。

7)施加約束。 根據(jù)高聳冷卻塔拆除爆破倒塌的特點,模擬時需要選取冷卻塔的人字柱底部節(jié)點和地面所有節(jié)點,并對其施加固定約束條件。

8)定義時間-載荷曲線。 動態(tài)模擬分析是比較復(fù)雜的問題,冷卻塔在重力載荷作用下的動態(tài)模擬是分析研究的重點[9]。

9)生成K 文件。 前處理的一系列步驟完成后,可以生成包含冷卻塔模型、網(wǎng)格、接觸、約束和荷載等信息的K 文件。

10)修改K 文件。 根據(jù)所需條件修改K 文件,定義失效單元通過修改K 文件來實現(xiàn)。

11)求解。 打開LS-DYNA Solver,導(dǎo)入K 文件,選擇路徑,點擊Run,對關(guān)鍵字文件進(jìn)行計算,輸出結(jié)果文件,得到模擬結(jié)果。 模擬結(jié)果在后處理器LS-PrePost 里查看。

12)結(jié)果后處理與分析。 在得到結(jié)果后,通過后處理器打開PLOT 文件,讀取冷卻塔的倒塌各個階段冷卻塔的變形情況、位移與速度時程曲線、倒塌動態(tài)模擬及查看各個階段的應(yīng)力變化等[10],通過將其分析對比,判斷結(jié)果是否合理,設(shè)計是否安全可靠。

4 冷卻塔切口尺寸數(shù)值模擬優(yōu)化

4.1 切口尺寸的設(shè)計

爆破切口總高度滿足公式:

式中,s為爆破切口的周長,m。

根據(jù)爆破參數(shù)設(shè)計范圍,設(shè)計5 種不同切口尺寸的切口方案,通過比較分析其模擬結(jié)果,選出最佳方案。 方案見表2。

表2 冷卻塔切口尺寸方案

4.2 倒塌過程數(shù)值模擬

冷卻塔的爆破拆除過程包括爆破切口的生成、失穩(wěn)傾倒、切口閉合、扭曲變形、塔頂觸地等時間階段。 在冷卻塔倒塌過程中,爆破切口尺寸不一樣,其每個時間段冷卻塔的狀態(tài)也就不同。 從倒塌歷時的角度分析冷卻塔的倒塌過程動態(tài)模擬圖。

1)方案1

由圖3 可知,t=0.12 s 時爆破切口形成,冷卻塔成傾斜姿態(tài),開始倒塌,速度較緩;t=1.88 s 時爆破切口閉合,切口上沿塔壁接觸地面;t=4.16 s 時,塔壁擠壓、扭曲,撕裂變形嚴(yán)重,冷卻塔進(jìn)入自有坍塌階段;t=5.28 s,塔壁觸地,大部分冷卻塔已經(jīng)坍塌落地;t=7.08 s 時冷卻塔全部坍塌落地,冷卻塔被摔成扁平狀。

圖3 方案1 的冷卻塔倒塌模擬應(yīng)力圖

2)方案2

由圖4 可知,t=0.12 s 時爆破切口生成;t=1.36 s時冷卻塔開始傾倒;t=2. 24 s 時切口上沿觸底;t=3.28 s 時塔壁開始變形;t=4.08 s 時,冷卻塔扭曲、擠壓嚴(yán)重變形;t=5.36 s 時冷卻塔頂端觸地;t=7.24 s時冷卻塔坍塌落地成堆,冷卻塔倒塌完畢。

圖4 方案2 的冷卻塔倒塌模擬應(yīng)力圖

3)方案3

由圖5 可知,t=0.12 s 時爆破切口生成;t=1 s 時冷卻塔開始傾倒;由于切口高度太低,t=1.56 s 時切口上沿觸底;t=3.24 s 時塔壁開始嚴(yán)重變形,冷卻塔扭曲,向倒塌中心線左側(cè)偏移了一些;t=4.48 s 時,冷卻塔扭曲、擠壓嚴(yán)重變形;t=5.88 s 時冷卻塔頂端觸地;t=7.04 s 時冷卻塔坍塌落地成堆,冷卻塔倒塌完畢。冷卻塔倒塌扭曲偏移導(dǎo)致危險系數(shù)增高。

圖5 方案3 的冷卻塔倒塌模擬應(yīng)力圖

4)方案4

由圖6 可知,t=0.12 s 時爆破切口生成;t=1.04 s時冷卻塔開始傾倒;t=1.92 s 時切口上沿觸底;t=3.16 s 時塔壁開始變形;t=4.04 s 時,冷卻塔扭曲、擠壓嚴(yán)重變形;t=5.24 s 時冷卻塔頂端觸地;t=7.16 s 時冷卻塔坍塌落地成堆。 倒坍塌落地后的爆堆大小明顯比前幾組方案的高,后期處理比較麻煩。

圖6 方案4 的冷卻塔倒塌模擬應(yīng)力圖

5)方案5

方案5 的切口長度過長,在切口生成時,冷卻塔發(fā)生下坐現(xiàn)象。 因此,直接排除。

4.3 數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

4.3.1 倒塌過程模擬分析

依據(jù)5 組方案倒塌模擬過程,用時間節(jié)點將倒塌過程劃分為以下4 個階段:爆破切口形成階段、失穩(wěn)倒塌階段、扭曲變形階段和觸地解體階段。

根據(jù)5 組冷卻塔倒塌模擬結(jié)果,可以得出方案1和方案4 的塔壁頂端觸地時間比其他方案的時間短,且失穩(wěn)倒塌歷時和塔體扭曲變形歷時也比較短;方案2 的切口閉合時間、塔壁頂端觸地時間和失穩(wěn)倒塌歷時都比較長;方案3 的塔體扭曲變形歷時較久;方案5 的冷卻塔發(fā)生下坐現(xiàn)象。

綜上,從倒塌過程模擬的時間來看,方案1 和方案4 更優(yōu)。

4.3.2 結(jié)構(gòu)頂點Y 軸方向的數(shù)據(jù)分析

打開LS-PrePost 后處理器,分別導(dǎo)出4 組冷卻塔模型中頂點的Y 軸方向位移-時間曲線和Y 軸方向速度-時間曲線如圖7、圖8 所示。

圖7 節(jié)點在Y 軸方向位移-時間曲線

圖8 節(jié)點在Y 軸方向速度-時間曲線

從頂端節(jié)點在Y 軸方向的位移-時間曲線圖和速度-時間曲線圖可以看出,其位移和速度的基本走向是一致的。 0 ～1. 8 s 時間段:爆破切口形成,塔體開始傾斜,速度是穩(wěn)步增加,速度曲線的斜率基本不變,表明塔體的轉(zhuǎn)動角速度是恒定的。1.8 s 左右時出現(xiàn)拐點,曲線斜率趨于減小,加速度變小,表明爆破切口閉合,切口上沿此時觸地,速度緩慢增加。 1.8 ～5.4 s 時間段:曲線斜率又開始增大,加速度變大,表明切口上沿觸地的減速緩沖作用已過,塔體加速傾倒直至塔壁頂端觸地。 綜合兩組圖可以明顯看出方案2 和方案4 在頂端節(jié)點落地之后會有一段與下落位移和下落速度相反的一段過程,這就是頂端在落地后被地面迅速彈起的過程,而方案2 和方案4 此過程非常明顯。

綜上,選優(yōu)方案可以排除方案2 和方案4。

4.3.3 倒塌范圍和爆堆高度分析

冷卻塔經(jīng)過失穩(wěn)倒塌和扭曲變形,最終坍落在地面上,會有一定的倒塌范圍和爆堆大小,如圖9 所示。

圖9 冷卻塔倒塌后的模擬圖

由圖9 可知4 組冷卻塔倒塌之后的爆堆大小以及倒塌范圍。 方案3 的冷卻塔在倒塌過程中塔體扭轉(zhuǎn),向倒塌中心線左側(cè)偏移,超出預(yù)估范圍;方案4 的倒塌寬度較大,且冷卻塔倒塌之后,中間部分出現(xiàn)冷卻塔塔壁折疊,導(dǎo)致爆堆較高。

綜上分析,從冷卻塔倒塌的范圍和爆堆大小來看,方案1 和方案2 更優(yōu)。

4.4 切口尺寸參數(shù)的確定

將5 組爆破方案的模擬結(jié)果對比分析,可以得出:從冷卻塔倒塌時間來看,選擇方案1 和方案4;從冷卻塔頂端節(jié)點在Y 軸方向的位移-時間曲線圖和速度-時間曲線圖來看,選擇方案1 和方案3;從冷卻塔倒塌后的范圍和爆堆大小來看,選擇方案1 和方案2。

根據(jù)模擬結(jié)果和工程經(jīng)驗,最終選出最優(yōu)方案為方案1。

5 結(jié)論

以雙曲線冷卻塔為研究對象,使用ANSYS/LS-DYNA 仿真軟件對其爆破拆除倒塌過程進(jìn)行仿真模擬。 通過后處理器LS-PrePost 輸出冷卻塔的倒塌動態(tài)模擬圖、節(jié)點的速度-時間曲線和倒塌范圍等結(jié)果,對其進(jìn)行分析對比得出以下結(jié)論:

1)冷卻塔的切口高度過高,冷卻塔在觸地之后,向空中反彈的速度與位移較大。

2)冷卻塔的切口高度過低,會導(dǎo)致冷卻塔倒塌過程中偏離倒塌中心線,不能精準(zhǔn)定向倒塌。

3)冷卻塔切口長度過小,導(dǎo)致冷卻塔倒塌之后范圍過大,爆堆過高,不好處理。 選出最優(yōu)方案為方案1:向正東方向定向倒塌,切口高度為14.8 m,切口長度為150.8 m,切口圓心角大小為216°。

4)采用冷卻塔切口尺寸作為爆破拆除的關(guān)鍵影響因素,對比多組切口尺寸數(shù)值模擬設(shè)計方式,選出最優(yōu)的切口尺寸,這種方法縮短了工期,提高了爆破方案設(shè)計的科學(xué)性。