第36卷第15期
JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK
Vol.36 No. 15 2017
烟囱高位组合切口定向爆破倒塌过程数值研究
徐鹏飞\\刘殿书\\张英才2
(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京1〇〇〇83;2.河南理工大学土木工程学院,河南焦作454000)
主商要:针对复杂环境下爆破切口高度在百米位置的烟®定向爆破拆除工程,为研究正三角矩形与倒三角矩形组 合切口对烟囡爆破拆除倒塌及受力过程的影响,结合实际工程,利用LS-DYNA有限元软件分别建立两种切口形状下钢筋 混凝土分离式共节点烟囡模型,对烟囡倒塌及受力过程进行了系统研究。结果表明,爆破切口形成后,约2 ~3 s的中性 轴稳定时间(切口系数X = 0. 56 ~0. 58)是烟囡不出现过早下坐和形成定向倾倒趋势的关键条件;支撑部位内侧混凝土承 受的压应力要大于外侧混凝土,倒三角矩形较正三角矩形组合切口能够延迟切口角端压剪破坏的发生,延缓支撑部位中 性轴后移速度以及使支撑部位承受较高压应力,有利于烟®避免过早下坐和安全精确定向;由于倒三角矩形组合切口与 倒梯形、倒三角梯形组合切口具有一定共性,烟®高位切口定向爆破切口形状建议优先采用倒三角型切口。
关键词:钢筋混凝土烟囡;高位切口;切口形状;定向爆破;数值模拟中图分类号:TU746.5
文献标志码:A
D01:10. 13465/j. cnki. jvs. 2017.15.040
Numerical study on the directional blasting collapse
process of chimney with high combined incision
XU Pengfei , LIU Dianshu , ZHANG Yingcai1(1. China University of Mining & Technology( Beijing) , School of Mechanics and Architectural Engineering, Beijing 100083, China
2. School of Civil Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)
Abstract :
Aiming at directional blasting demolition engineering of chimney with blasting cut height at about 100
meters in the complex environment, in order to study the influence of the combination incision of triangle rectangular and inverted triangle rectangle for the collapse and stress changing process of chimney, two kinds of reinforced concrete chimney separated common node models were established and studied systematically using LS-DYNA software. The results shows that the neutral axis stabilization time of about 2 - 3 s (incision coefficient
= 0. 56 -0. 58) is the key to prevent
too early sitting down and forming a directional dumping trend of the chimney after the formation of blasting incision ; The compressive stress of the concrete inside the support body is greater than that of the outer concrete, the inverted triangle rectangle combination incision can delay the pressure shear failure and make the speed of neutral axis backward slower than the triangle rectangular combination incision, and is effective for the chimney to reach a safe and exact position. As the inverted triangle rectangle combination incision has some common features with the inverted trapezoidal and the inverted triangle trapezoid ones, the incision shape is recommended to use the inverted triangle in the directional blasting of high location incision of chimney.
Key words : reinforced concrete chimney; high location incision; notch shape; directional blasting; numerical simu
lation
随着我国上大压小节能减排工作实施力度不断加 大,烟囡拆除工程量不断增多,拆除高度和周边环境复
杂程度不断增大,倒塌空间受到限制,大多数钢筋混凝 土烟囱拆除采用高位切口定向控制爆破拆除技术。
烟囱高位切口支撑部破坏摄影观测结果表明, 烟囱高位切口定向爆破倒塌过程一般经历四个阶 段,即爆破切口形成、支撑部截面破坏、下坐及定向 偏转阶段和触地阶段[1_2]。爆破切口形成后,定向 窗角端应力集中,造成角端混凝土首先压剪破坏,随
基金项目:国家自然科学基金(51474218)
收稿日期:2016 -12-06修改稿收到日期:2017 -03 -16 第一作者徐鹏飞男,博士生,1988年生 通信作者张英才男,教授级高工,1962年生
266搌动与冲击
2〇n_年第_36卷
着烟囱倾倒,压剪破坏由切,in角端向支撑部中间发 展,最终在压碎区压剪应力和受拉区拉应力的共同 作用下,支撑部截面破坏,而皂上部筒体开始下坐, 与下部筒体接触、碰撞、破坏,钢筋逐渐被拉断,最终 触地碰撞解体。
烟囱高位切口定向爆破相比烟囡正常的底部切口 定向爆破,尽管其原理相同,但倒塌运动状态不尽相 同漳对于定向准确的控制,前者难度较大。而造成这 种差异性的原主要有:烟囱筒体强度的差异、烟囱风 化腐蚀程度的差异、切口位置筒壁厚度的差异(切n越 0.05 m递减,烟®顶部壁厚0.2 烟囡竖向筋截面
配筋率在4. 2%c ~ 6. 0%。,环向筋截面配筋率平均为 0. 30% 3烟囱混凝土标号为C40。高位切Q定于90 m 处的信号平合,切口形状为倒三角矩形组合切fl、切0
高度2. 5 m,切口圆心角205.4°(切口系数=0. 57),定 向窗夹角31%
1.2材料模型及计算参数
钢筋材料采用随动硬化模型(MAT003),钢筋密度 7 850 kg/m3,竖向筋和环向筋屈服强度分别为335 MPa 和235 MPa,弹性模暈分别为200 GPg和210 GPa,泊松 髙,烟囡薄壁特性越明显)、切口圆心角大小的差异、切
B
形状的差异、内衬是否预处理的差异等。烟囡高倥
切口越高,爆破拆除难度越大,如何保证高位切烟囱 安全精确定向爆破拆除,已成为爆破程师研究的童 点与难点^因此,研究高位切口烟囱定向爆破拆除具 有重粟意义。
张英才等_采用高位正三角矩形组合切H成功
对1座24〇 m烟囱实施定向爆破,切口高厲距离地 面M
m
,切,口系数为0.59。王希之等[4]采甩高位复
式正梯形爆破切口成功对3座180 m烟囱实施拆 除,切口高度距离地面25m,切□系数为0.61。裎 贵海等[5]采用高位正梯形切,口对80 m烟囱实施了 定向爆破,切U高度布置在距离地面2〇 m位置,切 口系数为〇. 60。刘洪増等[6]采用高位梯形切口成 功对210 m实施分次定向爆破,切口布置在离地95
m
位灣,切W系_数为0.61P徐冬梅等_[7]采用_高位S
梯形切口,成功对80 m烟窗实施爆破,切R
布置在
+ 30 m处,切口系数为0.57。
针对目前切口髙度在頁米位置韵烟囱定向爆破, 烟囡高位切:口形状W的选取往往还是依靠经验,为高 位切P烟囡的安全精确定向爆破拆除埋'下〃定隐患6 本文结合实际拆除爆破工程,利用LS-DYNA建立钢筋 混凝土分离式共节点烟囱模型,对烟囱高位三角矩形 翁倒| 食矩形组合切口爆破拆除倒塌与受力过程进行 分析C,
1
高位切口烟®有限元模型建立
1.1模型概况
以焦作华润电厂180 m高烟囱高位切口定向爆破 拆除工程为计算原型。
烟囱底部外半径8.335 m,烟函顶部外半径2.88 m, 0 ~ + 85 m烟圖外表面麵系数为0.06,+ 85 ~ + 105 to 烟函外表面坡度系数为〇. 01,+ 105 ~ + 180 m烟囡每 间隔15 m外半径以0. 05 m递减。0 ~ +35 m烟囡壁 厚...0. 5 m, + 35 ~ + 45 m 烟齋壁摩 0. 45 m, +45 ~ +105 m烟處壁厚0.4 m, +105 ~ + 165 m烟虜壁厚:以
比为〇. 3。混凝土材料采用混凝土损伤塑性模型[9_11] (MAT273),混凝土损伤塑性模型具有拉伸和低围压压 缩软化、高围K
延性硬化以及随着应变率增加,拉压强 度提高的特性,可以准确描述混凝±的力学性能。混 凝土模型所用材料参数见表1,表中参数符号含义见文 献[9]。
表1
混凝土损伤塑性模型参数
Tab. 1 Concrete damage plasticity model parameters
p/(kg • m-3)
E'/MPa
V//MPa //MPa
HP2 400
32 500
0.2
4
40
0.5
QH〇AH BHCHDH ASDF0.3
0. 08 0. 003
2.01 xlO\"6 15
0. 85BSw^/mm乂/MPa STRFLG
1.05
1.5
1.2
1
1.3有限元模型
为研究髙位正三角矩形与倒三角矩形组合切口对 烟囱定向爆破倒塌及受力过程的影响,在其它参数均 保持不变的情况下,单一改变切口形状分别建立钢筋 混凝:t分离式共节点有限元摸型,
两种高位切口形状 示意图见图1。钢筋混凝土分离式共节点烟囱有限元 模型见图2。
Fig. 1
Sketch of the high cutting shape
烟齒有限元模型由烟囱筒体、爆破切,13和钢筋3 个部分组成,钢筋采用B^
raiei单元,混凝土采用Sol-
idl64单元,钢筋与混凝土共计200 976个单元,切卬上
下10 m髙度范围内的模型单元尺寸0.2 m,烟囱重.力 通过关键字* L0AD_B0DY_Y( 7方向)来实现。经计
015期徐鹏飞等:烟®,禽釋组合切口:隹向爆破倒搨过程数值研究267
算,烟囱在重力预加载至〇.2 s达到重力平衡,因此,计 算过程中高位切口的形成采用关键字* MAT_ADD_ EROSION中的时间选项在0.2 s时一次性控制删除,不 考虑炸药爆炸以及毫秒延时对切口形成的影响。钢筋 和混凝土材料的失效均由应变控制,钢筋失效应变定 义〇. 05,混凝土失效应变定义0. 005。
右阶段,烟囱顼部的竖向速度甚本为〇,5 s东右之后烟 囡开始出现下坐。结合多个成功案例[i2_14],说明烟® 禽位切口形成后,支撑部中性轴瞬间形成,中性轴位置 由烟囱自重和受拉区弯矩形成的载荷与受压区抗力的 纵向平衡决定,此时,虽然切口角端应力已超过混凝土 强度,但混凝土的变形和破碎以及钢筋的变形和失效 需要一个时间过程,使得烟囡的明显倾倒发生在2 ~ 3 s后》此后切口角端破坏范围向支撑部中间扩大,中性 轴后移。因此,爆破切口形成后,2 ~3 s的中性轴稳定 时间是烟囱不出现过早下坐和形成定向倾倒趋势的关 键条件,对应爆破切口系数约为〇. 56 ~0. 58c,
(2)
由图6(r>霄以看出,烟囡在0~5S阶段
^角矩形和倒三角矩形组合切口烟囱筒体偏离倒塌中 心线的水乎距离基本一致。在5 s之后,烟囱出现下 坐,疋三角矩形组合切口烟囱在倒塌过程中顶部产生 的偏离距离逐渐增加,最大偏离倒塌中心线的距离约 为15 m,而倒胃角矩形组合切口烟囱在倒塌过程中顶
2
2.1
烟囱定向爆破倒塌与受力过程数值模拟
倒塌过程模拟结果与分析
部产生的偏离距离明显较正三角矩形组合切妇小,最 终偏离倒塌中线的距离约为4 m。说明烟囱髙位切口 爆破拆除采用倒三角矩形组合切口较_角矩形组合 切口更有利酽保障烟®在倒塌过程中的精疏定向。
(3)
图3和图4分别给出了高位倒三角矩形和疋三角 矩形组合爆破切下烟囱爆破拆数值模拟倒塌过程《 图5为烟囱实际爆破拆除高速摄像观测过程g图6为 两种切口形式下烟囱顶部在倒塌中心线处的节点竖向 速度时间曲线、倒塌水乎位移时间曲线和偏离倒塌中 心线的水芊位移时间曲线。
(1)从图3 ~图6可以看出,正三角矩形和倒三角 矩形组合爆破切口下烟囱爆破拆除倒塌过程经历了爆 破切tr形成、中性轴形成及后移过程、下坐及定向偏转 过程和自由落体触地过程四个阶段。从图5中珂以看 出,在〇~3 s阶段,烟囱未见有明显倾斜,4~6 s烟囱 介页斜逐渐明鼓,并在6 ~7 s开始下坐。在图6(a)中的 〇 ~3 s阶段,烟囱顶部的水平位移基本为0,3 s之后烟 囪顶部的水平距离逐渐增加,在图6(b)中的0 ~5 s左
由图3~图5和图6(b)可以看出,烟囡在
坐碰撞过程中会造成上下筒体一定质量的减少,从而 在一定程度上减小了烟囱塌落触地动能。另外,高-位 切口烟囱定向倒塌与烟囱底部切口整体定向倒塌在倒 塌运动状态方面有所不同M
,在下坐及定向偏转的过
程中,由于筒体质量、筒体结构、切Q角度等存在一定 S异,高位切口烟囱定向倒塌运动状态往往具有不确 定性、不唯一性,从而造成触地形式的多样性,在一定 程度上也起到了分散触地冲击能量的作用。因此,禽 位切口烟®定向爆破倒塌触地振动速度不仅与塌落动 能有关,还与A部筒体在倒塌过程中的运动状态有关, 烟囱采用高位切n爆破对降低和控制爆破振动效应 有利。
/=0.3 s 1=1 s t=2 s 1=3 s 1=4 s 1=5 s /=6 s 1=1 s /=8 s
J 川 IIKW r「M\\
1=9
s /=10 s ^=11 s
t=\\2
s
(=13
s
l=\\4
s /=15 s /=16 s
B3
高位倒!矩遗组合切烟齒爆披拆除模拟倒塌过程
Hfe
Fig. 3 Simulation of collapse process of chimney blasting demolition with high inverted triangle rectangle combination incision
268振动与冲击2017年第36卷
/=0.3 s t=l s 1=2 st=3 si=4 st=5 s l=6s
t=l
s /=8 s
t=9
s /=10 s /=11 s
t=\\2
s /=13 s /=14 s 产 15 s /=16 s
_ 4
Fig. 4
高猶^齒矩藤组合切口烟圍爆被拆除模拟倒塌过程
Simulation of collapse process of chimney blasting demolition with high positive triangle rectangle conbination incision
圈5
Fig. 5
^8
UO
烟戲倒場过_繼摄影
High speed photography of chimney collapse process
7O6O543
OO
倒三角矩形
正三角矩形合 合
切切
nn
(, s. UI)/«is^i«
nr|nrj1
2 3 4 5
2O1O
O
2 4 6 8 10 12 14 16
时间/s
(a)水平位移
图6
Fig. 6
/;
ooooo
o二藍黐黯翱巨0 2 4 6 8 10
s
2 - 4 - 6 - 8- 111
/猞赵植«-
o
时间/s
(b)竖向速度
12 14 16
*.
A0 2 4 6 8 10 12 14
rS
S
lllllffi
4
时间/s
(c〕輪离位移
16
倒塌中心线顶端单元速度与位移时间曲线
Velocity and displacement time curve of the top unit of the collapsed central line
c2.2保留支撑体受力模拟结果与分析
分别在两种烟囱模型支撑部位切P角端选取茼壁 外侧单元A和内侧单元F提取应力时间曲线,见图7。 分别在两种烟囱模型支撑部位筒壁上从切口角端向支 撑部位中间每间隔3个单元(对应.圆心角11.25°)依次 选取A、B、C、D、E五个单元点提取应力时间曲线,见
ffl8〇
时间/s
(a)倒三角矩形组合切口
(1)由图7可以出,爆破切ft形成后,切口定向 窗角端筒壁内侧单元产生的应力要高于筒壁外侧单 元》内侧单元较外层单元更先发生失效、破坏。从图7 (a)可以看浊,倒三角矩形组合切口定向窗角端筒壁 内、外单元的最大应力分别为69 MPa和43.9 MPa,内、 外辱元失效时间分别为l.
9s
和2.6 s。由图7(b)可以
看毋角矩形组合切口定向窗角端筒壁内、外单元 的最大应力分别为65 MPa和24 MPa,内、外单元的失 效时间分别在1.6 s和2.4 说明烟囱爆破拆除采用高位倒三角矩形组合切叮较B三角矩形组合切口 I能够 延迟束撑体过早压剪破坏、下坐,有利于烟囱倒塌 定向。
(b)正三角矩形组合切口
图7切口角端观测单元应力时间曲线
Fig. 7 Stress time curve of the observation unit
at the corner of notch
第15期徐鹏飞等:烟囱高位组合切口定向爆破倒塌过程数值研究269
共同作用下破坏,引起上部筒体下坐。在中性轴后移 过程中,由图8(a)可以看出,单元A、B、C产生的最大
mm
压应力分别为43. 9 MPa,36 MPa,47 MPa,对应的时间 分别为1.7 s,3.0 s,4.5 s;由图8(b)可以看出,单元
A
/
「
^
ui
tnm
、B、C产生的最大压应力分别为26. 1 MPa,35 MPa,
28 MPa,对应的时间分别为1.7 s,2. 7 s,3. 7 s。说明倒 三角矩形组合切口支撑部位能够承受较正三角矩形组
(a)倒三角矩形组合切口
合切口支撑部位更高的压应力,且倒H角矩形组合切 口支撑部位中性轴后移速度要慢于正三角矩形组合切 口支撑部位中性轴后移速度,进一步说明倒三角矩形 组合切口能够延迟支撑体压剪破坏、下坐,有利于烟囱 定向倒塌。
d
ds/TNr^^u
3
(b)IH二角矩形组合切口
烟囱高位切口定向控制爆破技术应用
目前,烟囱高位切口定向控制爆破技术已在沈阳 热力厂(图9( a))、焦作华润电厂(图9( b))、焦作电厂 (图9( c))和鹤壁电厂(图9( d))等多个高耸烟囱爆破 拆除工程中进行了成功应用,所有烟囱高位切口形状 均采用倒三角矩形组合切口,切口系数为〇. 56〜0. 58, 切口高度为2.0〜2.5 m,定向窗角度约为30°,切口均 布置在百米处信号平台。复杂环境下高耸烟函采用高 位倒M角矩形组合切口控制爆破技术均实现了烟囱安 全精确定向倒塌,达到了高位切口烟囱准确定向、安全 顺利倒塌的目的6
图8 切口支撑部位观测单元应力时间曲线
Fig. 8
Stress time curve of observation unit of incision support body
(2)由图8可以看出,切口形成瞬间,支撑部位中 性轴形成,考虑对称性,切口角端至B单元支撑区域受 压,B单元至支撑部中间支撑区域由受压转为受拉。 随着切口角端混凝土变形、破裂、破坏,中性轴开始向 后移动,支撑部位在受压区压剪应力和受拉区拉应力
(d)
图9
Fig. 9
烟囱高位切口爆破技术应用
Application of high location cut blasting technology of chimney
4
结论
(1)
部位承受更高压应力,避免烟函过早下坐,有利于烟囱
倒塌定向。
高位切口烟囱爆破拆除倒塌过程可分为4个 (3)由于倒三角矩形组合切口与倒梯形、倒3角
梯形组合切口具有1定共性,为了确保复杂环境下高 位切口烟函爆破拆除安全精确定向,建议优先选用倒
三角型切口。
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程
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