段海霞,強(qiáng)智鐸,姜夏冰,包麗納

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 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(xiàn)薄壁結(jié)構(gòu)。 在爆破拆除過(guò)程中,切口尺寸選擇不當(dāng),會(huì)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(xiǎn)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(duì)冷卻塔的爆破拆除及倒塌過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬仿真,可以提前在計(jì)算機(jī)上觀(guān)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(jì)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(kāi)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(jì)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(guò)程中的切口尺寸作為爆破拆除的關(guān)鍵影響因素,通過(guò)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(jì)基于經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)參數(shù)帶來(lái)的不確定性,并且在現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)工程實(shí)際情況隨時(shí)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(kāi)發(fā)爆破方案設(shè)計(jì)施工軟件奠定基礎(chǔ)。

1 工程概況及周?chē)h(huán)境

冷卻塔屬于薄壁雙曲線(xiàn)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(zhǎng)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?chē)h(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(chǎng)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(xiàn),而南側(cè)30 m 是水池,北側(cè)和西側(cè)40 m 的2 個(gè)生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)有設(shè)備,具體環(huán)境如圖2 所示。 制訂爆破方案時(shí)需充分考慮周?chē)h(huán)境。

圖2 冷卻塔周?chē)h(huán)境(單位:m)

2 冷卻塔的倒塌原理

一定尺寸的爆破切口會(huì)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(guò)程中構(gòu)筑物會(huì)嚴(yán)重扭曲變形,最后塌落在地面上,這一原理被稱(chēng)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(shí)、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(shí)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(guó)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?chē)h(huán)境選擇向正東方向定向倒塌。

3 數(shù)值模擬軟件分析過(guò)程

1)定義單元。 SOLID164 實(shí)體單元,適用于三維立體模型的實(shí)體性單元類(lèi)型[6],塔體選擇SOLID164 實(shí)體單元。 SHELL163 薄壁單元,適用于類(lèi)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(duì)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(shuō)的材質(zhì)。 設(shè)置該材料模型時(shí)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(jiàn)表1。

表1 塔壁鋼筋混凝土材料模擬參數(shù)

3)實(shí)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(lèi)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(huì)落在地面上,與地面發(fā)生接觸碰撞,合理選擇接觸類(lèi)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(guò)程的數(shù)值模擬采用單面接觸的自動(dòng)接觸類(lèi)型。

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

8)定義時(shí)間-載荷曲線(xiàn)。 動(dòng)態(tài)模擬分析是比較復(fù)雜的問(wèn)題,冷卻塔在重力載荷作用下的動(dòng)態(tài)模擬是分析研究的重點(diǎn)[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(guò)修改K 文件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

11)求解。 打開(kāi)LS-DYNA Solver,導(dǎo)入K 文件,選擇路徑,點(diǎn)擊Run,對(duì)關(guān)鍵字文件進(jìn)行計(jì)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(guò)后處理器打開(kāi)PLOT 文件,讀取冷卻塔的倒塌各個(gè)階段冷卻塔的變形情況、位移與速度時(shí)程曲線(xiàn)、倒塌動(dòng)態(tài)模擬及查看各個(gè)階段的應(yīng)力變化等[10],通過(guò)將其分析對(duì)比,判斷結(jié)果是否合理,設(shè)計(jì)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(jì)

爆破切口總高度滿(mǎn)足公式:

式中,s為爆破切口的周長(zhǎng),m。

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

表2 冷卻塔切口尺寸方案

4.2 倒塌過(guò)程數(shù)值模擬

冷卻塔的爆破拆除過(guò)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(shí)間階段。 在冷卻塔倒塌過(guò)程中,爆破切口尺寸不一樣,其每個(gè)時(shí)間段冷卻塔的狀態(tài)也就不同。 從倒塌歷時(shí)的角度分析冷卻塔的倒塌過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬圖。

1)方案1

由圖3 可知,t=0.12 s 時(shí)爆破切口形成,冷卻塔成傾斜姿態(tài),開(kāi)始倒塌,速度較緩;t=1.88 s 時(shí)爆破切口閉合,切口上沿塔壁接觸地面;t=4.16 s 時(shí),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(shí)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(shí)爆破切口生成;t=1.36 s時(shí)冷卻塔開(kāi)始傾倒;t=2. 24 s 時(shí)切口上沿觸底;t=3.28 s 時(shí)塔壁開(kāi)始變形;t=4.08 s 時(shí),冷卻塔扭曲、擠壓嚴(yán)重變形;t=5.36 s 時(shí)冷卻塔頂端觸地;t=7.24 s時(shí)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(shí)爆破切口生成;t=1 s 時(shí)冷卻塔開(kāi)始傾倒;由于切口高度太低,t=1.56 s 時(shí)切口上沿觸底;t=3.24 s 時(shí)塔壁開(kāi)始嚴(yán)重變形,冷卻塔扭曲,向倒塌中心線(xiàn)左側(cè)偏移了一些;t=4.48 s 時(shí),冷卻塔扭曲、擠壓嚴(yán)重變形;t=5.88 s 時(shí)冷卻塔頂端觸地;t=7.04 s 時(shí)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(xiǎn)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(shí)爆破切口生成;t=1.04 s時(shí)冷卻塔開(kāi)始傾倒;t=1.92 s 時(shí)切口上沿觸底;t=3.16 s 時(shí)塔壁開(kāi)始變形;t=4.04 s 時(shí),冷卻塔扭曲、擠壓嚴(yán)重變形;t=5.24 s 時(shí)冷卻塔頂端觸地;t=7.16 s 時(shí)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(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng),在切口生成時(shí),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(duì)比分析

4.3.1 倒塌過(guò)程模擬分析

依據(jù)5 組方案倒塌模擬過(guò)程,用時(shí)間節(jié)點(diǎn)將倒塌過(guò)程劃分為以下4 個(gè)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(shí)間比其他方案的時(shí)間短,且失穩(wěn)倒塌歷時(shí)和塔體扭曲變形歷時(shí)也比較短;方案2 的切口閉合時(shí)間、塔壁頂端觸地時(shí)間和失穩(wěn)倒塌歷時(shí)都比較長(zhǎng);方案3 的塔體扭曲變形歷時(shí)較久;方案5 的冷卻塔發(fā)生下坐現(xiàn)象。

綜上,從倒塌過(guò)程模擬的時(shí)間來(lái)看,方案1 和方案4 更優(yōu)。

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

打開(kāi)LS-PrePost 后處理器,分別導(dǎo)出4 組冷卻塔模型中頂點(diǎn)的Y 軸方向位移-時(shí)間曲線(xiàn)和Y 軸方向速度-時(shí)間曲線(xiàn)如圖7、圖8 所示。

圖7 節(jié)點(diǎn)在Y 軸方向位移-時(shí)間曲線(xiàn)

圖8 節(jié)點(diǎn)在Y 軸方向速度-時(shí)間曲線(xiàn)

從頂端節(jié)點(diǎn)在Y 軸方向的位移-時(shí)間曲線(xiàn)圖和速度-時(shí)間曲線(xiàn)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(shí)間段:爆破切口形成,塔體開(kāi)始傾斜,速度是穩(wěn)步增加,速度曲線(xiàn)的斜率基本不變,表明塔體的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度是恒定的。1.8 s 左右時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn),曲線(xiàn)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(shí)觸地,速度緩慢增加。 1.8 ～5.4 s 時(shí)間段:曲線(xiàn)斜率又開(kāi)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(guò),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(diǎn)落地之后會(huì)有一段與下落位移和下落速度相反的一段過(guò)程,這就是頂端在落地后被地面迅速?gòu)椘鸬倪^(guò)程,而方案2 和方案4 此過(guò)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(guò)失穩(wěn)倒塌和扭曲變形,最終坍落在地面上,會(huì)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(guò)程中塔體扭轉(zhuǎn),向倒塌中心線(xiàn)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(lái)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(duì)比分析,可以得出:從冷卻塔倒塌時(shí)間來(lái)看,選擇方案1 和方案4;從冷卻塔頂端節(jié)點(diǎn)在Y 軸方向的位移-時(shí)間曲線(xiàn)圖和速度-時(shí)間曲線(xiàn)圖來(lái)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(lái)看,選擇方案1 和方案2。

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

5 結(jié)論

以雙曲線(xiàn)冷卻塔為研究對(duì)象,使用ANSYS/LS-DYNA 仿真軟件對(duì)其爆破拆除倒塌過(guò)程進(jìn)行仿真模擬。 通過(guò)后處理器LS-PrePost 輸出冷卻塔的倒塌動(dòng)態(tài)模擬圖、節(jié)點(diǎn)的速度-時(shí)間曲線(xiàn)和倒塌范圍等結(jié)果,對(duì)其進(jìn)行分析對(duì)比得出以下結(jié)論:

1)冷卻塔的切口高度過(guò)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(guò)低,會(huì)導(dǎo)致冷卻塔倒塌過(guò)程中偏離倒塌中心線(xiàn),不能精準(zhǔn)定向倒塌。

3)冷卻塔切口長(zhǎng)度過(guò)小,導(dǎo)致冷卻塔倒塌之后范圍過(guò)大,爆堆過(guò)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(zhǎng)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(duì)比多組切口尺寸數(shù)值模擬設(shè)計(jì)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(jì)的科學(xué)性。