某冷卻塔拆除爆破切口尺寸的數值模擬設計

段海霞,強智鐸,姜夏冰,包麗納

(沈陽理工大學 裝備工程學院,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構組成,呈雙曲線薄壁結構。 在爆破拆除過程中,切口尺寸選擇不當,會導致冷卻塔出現爆而不倒或者下坐現象,存在一定的危險系數[1]。 以爆破拆除理論為基礎,使用數值模擬軟件對冷卻塔的爆破拆除及倒塌過程進行數值模擬仿真,可以提前在計算機上觀察爆破拆除的模擬數據,有利于更好地優化爆破參數和改進設計方案,可提高爆破拆除的安全性和可靠性[2]。 數值模擬軟件的開發與應用,使爆破拆除方案在軟件中進行數值模擬,分析設計方案是否合理準確。 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鍵影響因素,通過軟件分析多組切口尺寸方案,在數值模擬方案中選出最優的切口尺寸,避免了傳統爆破拆除方案設計基于經驗或半經驗參數帶來的不確定性,并且在現場可根據工程實際情況隨時調整爆破倒塌方案,縮短了工期,降低了施工成本,為后續基于虛擬仿真開發爆破方案設計施工軟件奠定基礎。

1 工程概況及周圍環境

冷卻塔屬于薄壁雙曲線鋼筋混凝土結構,由人形立柱、環梁和塔壁3 部分構成。 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)

冷卻塔周圍環境十分復雜,冷卻塔西北側 25 m和西南側30 m 處為廠房;東北側45 m 處為機關樓,冷卻塔東南側50 m 處為員工宿舍。 冷卻塔的西側、南側、北側均為熱力管線,而南側30 m 是水池,北側和西側40 m 的2 個生產車間內有設備,具體環境如圖2 所示。 制訂爆破方案時需充分考慮周圍環境。

圖2 冷卻塔周圍環境(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構被破壞,在自身重力作用下發生失穩傾倒,在切口閉合過程中構筑物會嚴重扭曲變形,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[4]。 冷卻塔在爆破拆除時要防止切口閉合后產生后坐。 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,是目前國內外使用最廣泛的一種拆除方式。 根據冷卻塔的工程概況和周圍環境選擇向正東方向定向倒塌。

3 數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構建模,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的材料賦予很關鍵,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。 設置該材料模型時要輸入以下參數值:彈性模量、密度、泊松比及屈服應力值。 塔壁鋼筋混凝土材料模擬參數見表1。

表1 塔壁鋼筋混凝土材料模擬參數

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

4)網格劃分。 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,與地面發生接觸碰撞,合理選擇接觸類型、接觸方式是數值模擬取得合理分析效果的關鍵[8]。冷卻塔倒塌過程的數值模擬采用單面接觸的自動接觸類型。

7)施加約束。 根據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點和地面所有節點,并對其施加固定約束條件。

8)定義時間-載荷曲線。 動態模擬分析是比較復雜的問題,冷卻塔在重力載荷作用下的動態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、網格、接觸、約束和荷載等信息的K 文件。

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

11)求解。 打開LS-DYNA Solver,導入K 文件,選擇路徑,點擊Run,對關鍵字文件進行計算,輸出結果文件,得到模擬結果。 模擬結果在后處理器LS-PrePost 里查看。

12)結果后處理與分析。 在得到結果后,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、倒塌動態模擬及查看各個階段的應力變化等[10],通過將其分析對比,判斷結果是否合理,設計是否安全可靠。

4 冷卻塔切口尺寸數值模擬優化

4.1 切口尺寸的設計

爆破切口總高度滿足公式:

式中,s為爆破切口的周長,m。

根據爆破參數設計范圍,設計5 種不同切口尺寸的切口方案,通過比較分析其模擬結果,選出最佳方案。 方案見表2。

表2 冷卻塔切口尺寸方案

4.2 倒塌過程數值模擬

冷卻塔的爆破拆除過程包括爆破切口的生成、失穩傾倒、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也就不同。 從倒塌歷時的角度分析冷卻塔的倒塌過程動態模擬圖。

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,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,撕裂變形嚴重,冷卻塔進入自有坍塌階段;t=5.28 s,塔壁觸地,大部分冷卻塔已經坍塌落地;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 時塔壁開始嚴重變形,冷卻塔扭曲,向倒塌中心線左側偏移了一些;t=4.48 s 時,冷卻塔扭曲、擠壓嚴重變形;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致危險系數增高。

圖5 方案3 的冷卻塔倒塌模擬應力圖

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,冷卻塔發生下坐現象。 因此,直接排除。

4.3 數值模擬結果對比分析

4.3.1 倒塌過程模擬分析

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

根據5 組冷卻塔倒塌模擬結果,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 的冷卻塔發生下坐現象。

綜上,從倒塌過程模擬的時間來看,方案1 和方案4 更優。

4.3.2 結構頂點Y 軸方向的數據分析

打開LS-PrePost 后處理器,分別導出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 節點在Y 軸方向位移-時間曲線

圖8 節點在Y 軸方向速度-時間曲線

從頂端節點在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,速度是穩步增加,速度曲線的斜率基本不變,表明塔體的轉動角速度是恒定的。1.8 s 左右時出現拐點,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

冷卻塔經過失穩倒塌和扭曲變形,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,向倒塌中心線左側偏移,超出預估范圍;方案4 的倒塌寬度較大,且冷卻塔倒塌之后,中間部分出現冷卻塔塔壁折疊,導致爆堆較高。

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。

4.4 切口尺寸參數的確定

將5 組爆破方案的模擬結果對比分析,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。

根據模擬結果和工程經驗,最終選出最優方案為方案1。

5 結論

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行仿真模擬。 通過后處理器LS-PrePost 輸出冷卻塔的倒塌動態模擬圖、節點的速度-時間曲線和倒塌范圍等結果,對其進行分析對比得出以下結論:

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,會導致冷卻塔倒塌過程中偏離倒塌中心線,不能精準定向倒塌。

3)冷卻塔切口長度過小,導致冷卻塔倒塌之后范圍過大,爆堆過高,不好處理。 選出最優方案為方案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鍵影響因素,對比多組切口尺寸數值模擬設計方式,選出最優的切口尺寸,這種方法縮短了工期,提高了爆破方案設計的科學性。