王 彬 楊 譯 吳馳騁 楊 吉 唐春海

煙囪傾倒過(guò)程中底座支撐部位破壞過(guò)程數(shù)值模擬研究

王 彬 楊 譯 吳馳騁 楊 吉 唐春海

爆破定向拆除煙囪過(guò)程中，支撐部位承受著缺口上部筒體的荷載并在煙囪傾倒過(guò)程中到轉(zhuǎn)軸作用。本文基于LS-DYNA軟件，參考工程實(shí)例，建立了煙囪傾倒過(guò)程的數(shù)值模擬模型，對(duì)煙囪傾倒過(guò)程中底座支撐部位的破壞過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并把研究結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較分析，說(shuō)明所建模型正確，可為類(lèi)似研究提供參考。

煙囪爆破拆除時(shí)，一般采用定向倒塌或折疊倒塌方案，這些爆破拆除方案，都是在煙囪設(shè)計(jì)倒塌部位，在傾倒一側(cè)，將煙囪筒體炸開(kāi)一個(gè)大于1/2，小于2/3周長(zhǎng)的爆破缺口，使煙囪向預(yù)定方向倒塌。而未鉆孔裝藥的支撐部分在煙囪失穩(wěn)、下坐、傾倒過(guò)程中承受著煙囪的全部靜力或動(dòng)力荷載，并在煙囪傾倒過(guò)程起到轉(zhuǎn)軸作用，研究煙囪支撐部位的破壞過(guò)程對(duì)于防止煙囪傾倒過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)度下坐以及后坐等具有重要意義。

然而，由于支撐部位筒體破壞過(guò)程的復(fù)雜性，用常規(guī)計(jì)算方法研究煙囪支撐部位的破壞過(guò)程是不現(xiàn)實(shí)的，近年來(lái)隨著電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，數(shù)值分析方法應(yīng)運(yùn)而生，已經(jīng)成為求解科學(xué)技術(shù)問(wèn)題的主要工具。越來(lái)越多的人們把數(shù)值模擬方法引入到爆破拆除的研究中，以改善設(shè)計(jì)中的不足，使爆破拆除技術(shù)向著更科學(xué)的方向發(fā)展，并取得了很好的成績(jī)。例如1977年瑞士蘇黎世建筑靜力學(xué)和建設(shè)學(xué)院就采用了有限單元法對(duì)羅特巴赫橋的爆破拆除進(jìn)行了數(shù)值模擬。此外，國(guó)內(nèi)外的很多學(xué)者利用有限元方法和離散元研究建構(gòu)筑物倒塌過(guò)程的數(shù)值模擬，以確定爆破缺口位移、爆破順序和分段時(shí)間差對(duì)爆破倒塌的影響。

LS-DYNA是一個(gè)通用顯式動(dòng)力分析程序，特別適合求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的碰撞、爆炸和模壓等大變形動(dòng)力響應(yīng)。LS-DYNA程序功能齊全，材料模型多，在爆破工程數(shù)值模擬研究中被廣泛應(yīng)用。

數(shù)值模擬模型的建立

圖1　煙囪傾倒過(guò)程模擬的幾何模型

圖2　煙囪傾倒過(guò)程模擬的有限元模型（局部）

圖3　煙囪底部支撐部位破壞過(guò)程圖

為了研究方便，在模擬過(guò)程中作了部分假設(shè)：

（1）煙囪筒壁各部分為均質(zhì)的；

（2）結(jié)構(gòu)倒塌過(guò)程中只考慮重力的作用；

（3）本次模擬沒(méi)有考慮爆破過(guò)程的影響，假設(shè)爆破切口已經(jīng)形成，此時(shí)煙囪筒體在重力作用下開(kāi)始傾倒。

計(jì)算模型

如圖1為煙囪傾倒過(guò)程的幾何模型。模型主要由二部分組成：第一部分是煙囪，模型底部外徑6.5m，底部?jī)?nèi)經(jīng)6.0m，頂部外徑2.2m，頂部?jī)?nèi)徑2.0m，高150m；第二部分是土體，模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=208m×40m×4m。本次數(shù)值模擬選擇的是正梯形切口。以六面體單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，圖2為煙囪傾倒過(guò)程的有限元模型。實(shí)際中的土體屬于半無(wú)限空間介質(zhì)，因此土體的計(jì)算模型在軟件允許條件下取得盡可能大，且除自由面外，其余邊界均設(shè)為無(wú)反射邊界條件。此外，兩部分選擇的材料模型分別為：Plastic Kinematic、Plastic Kinematic。

本次數(shù)值模擬舍棄了炸藥爆炸部分的模擬，假設(shè)爆破缺口已形成，爆破缺口高3.0m，寬2100，0.1s施加重力。然后煙囪筒體在自身重力的作用下沿切口方向傾倒觸地產(chǎn)生塌落振動(dòng)，并以地震波的形式沿土體介質(zhì)向四周傳播，對(duì)周?chē)鷺?gòu)筑物產(chǎn)生影響。由于拆除爆破一般選在無(wú)風(fēng)天氣進(jìn)行，故煙囪傾倒觸地過(guò)程中沒(méi)有考慮風(fēng)載荷的作用。

底座支撐部位破壞過(guò)程的模擬

從0.1s施加重力載荷后，煙囪在自重作用下，定向傾倒。煙囪底座支撐部位的破壞過(guò)程見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出：爆破缺口剛形成時(shí)（0.2s），支撐部位只承受壓應(yīng)力，0.5s后出現(xiàn)拉應(yīng)力；1.9s時(shí)，支撐部位（最靠近倒塌方向一側(cè)）的筒體開(kāi)始失效破壞，此后，筒體沿爆破缺口底部進(jìn)一步向里擴(kuò)展，當(dāng)筒體斷裂到一定距離時(shí)（3.5s），煙囪開(kāi)始傾倒，同時(shí)，破壞繼續(xù)向里發(fā)展，直到根部被拉斷（5.3s）。

為與便于與文獻(xiàn)所測(cè)試的內(nèi)容進(jìn)行比較，選取與測(cè)試相同部位的三個(gè)點(diǎn)（圖4中的a，b，c三點(diǎn)），觀察它們的應(yīng)變變化歷程。如圖5所示。

靠近缺口處的點(diǎn)在煙囪倒塌過(guò)程中一直是受壓狀態(tài)，而在支撐部位最外側(cè)，先是受壓，而后變成受拉，直至拉斷，筒體破壞，煙囪開(kāi)始傾倒。而b點(diǎn)破壞過(guò)程復(fù)雜，先是微壓，而后是拉，第三階段受到較大壓力直至破壞。與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果比較，可以看出，無(wú)論是支撐部位的破壞過(guò)程、破壞時(shí)間、還是各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化歷程，都是很相近的，說(shuō)明所建模型是基本正確的。

圖4　應(yīng)變點(diǎn)觀測(cè)位置示意圖

圖5　煙囪支撐部位三個(gè)位置單元應(yīng)變變化圖

結(jié)語(yǔ)

本文基于LS-DYNA顯式非線性動(dòng)力分析通用有限元程序，模擬了150m高煙囪在倒塌過(guò)程中支撐部位的破壞過(guò)程，并與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，說(shuō)明所建模型可行，可對(duì)進(jìn)一步研究煙囪整體倒塌破壞過(guò)程提供幫助。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.21.006