高聳鋼筋混凝土煙囪定向爆破拆除傾覆歷程的數(shù)值模擬

付苗　吳昌長(zhǎng)

摘 要：基于彈塑性力學(xué)和有限元基本理論，針對(duì)一150m高聳鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)煙囪定向爆破拆除工程，研究了該煙囪爆破拆除的力學(xué)條件、煙囪爆破傾覆時(shí)間、煙囪爆破傾覆時(shí)的支座內(nèi)力以及煙囪爆破傾覆時(shí)的本構(gòu)關(guān)系；采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA，通過(guò)分離式共節(jié)點(diǎn)建模，建立了高聳鋼筋混凝土煙囪有限元模型，并對(duì)煙囪爆破拆除過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬。研究結(jié)果表明，論文提出的煙囪爆破傾覆歷程的本構(gòu)關(guān)系符合實(shí)際；論文建立的高聳鋼筋混凝土煙囪有限元爆破拆除分析模型合理；實(shí)際煙囪傾覆歷程、傾覆方位、傾覆長(zhǎng)度與有限元數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好。

關(guān)鍵詞：高聳鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)煙囪；爆破拆除；數(shù)值模擬；本構(gòu)關(guān)系；有限元模型

1.引言

隨著城市化進(jìn)程和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的不斷推進(jìn)，在城市建設(shè)和企業(yè)技術(shù)改造中，經(jīng)常要開(kāi)展煙囪、水塔等廢棄高聳建筑物的控制性拆除爆破工作。拆除爆破既要達(dá)到預(yù)定拆除目的，又必須有效控制爆破振動(dòng)影響、飛石拋擲距離和破壞范圍等，以保障周圍環(huán)境安全[1]。目前，國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用爆破方法拆除高聳建筑物，定向爆破拆除煙囪的高度已達(dá)210米[2]。

本文基于彈塑性力學(xué)和有限元基本理論，針對(duì)一150m高聳鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)煙囪定向爆破拆除工程，對(duì)該煙囪爆破拆除的力學(xué)條件、煙囪爆破傾覆時(shí)間、煙囪爆破傾覆時(shí)的支座內(nèi)力以及煙囪爆破傾覆時(shí)的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行研究，并采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA，通過(guò)分離式共節(jié)點(diǎn)建模，建立高聳鋼筋混凝土煙囪有限元模型，對(duì)煙囪爆破拆除過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬。

2.爆破拆除方案

煙囪爆破拆除的原理是在煙囪傾倒一側(cè)的煙囪支承筒壁底部炸開(kāi)一個(gè)爆破缺口，破壞煙囪結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和重心外移，使煙囪在自重作用下形成傾覆力矩，進(jìn)而使煙囪按預(yù)定方向傾倒。若煙囪爆破缺口長(zhǎng)度過(guò)短，上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩可能小于下部支撐結(jié)構(gòu)可以承受的彎矩，爆破時(shí)結(jié)構(gòu)不易發(fā)生破壞；若煙囪爆破缺口尺寸過(guò)長(zhǎng)，下部支撐結(jié)構(gòu)不能承受上部結(jié)構(gòu)的自重，上部結(jié)構(gòu)將直接壓塌下部結(jié)構(gòu)，影響煙囪倒塌方向，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。因此煙囪爆破缺口尺寸對(duì)煙囪控制爆破拆除至關(guān)重要。

某電廠一個(gè)150m高度的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)煙囪，煙囪底部壁厚400mm，外徑為5.83m、內(nèi)徑為5.43m；110m高度處煙囪璧厚為180mm，外徑為3.68m、內(nèi)徑為3.5m；煙囪頂部壁厚200mm，外徑為2.905m、內(nèi)徑為2.705m；煙囪體積為1299.87m3，質(zhì)量為3.37966×106Kg，煙囪自重為33121KN。圖1為該電廠150m高度的鋼筋混凝土煙囪。

在爆破缺口中部長(zhǎng)度7.5m范圍內(nèi)，采用137發(fā)瞬發(fā)導(dǎo)爆管雷管，總裝藥量8.22kg；第二段起爆雷管布置在爆破缺口余下的炮孔，采用140發(fā)導(dǎo)爆管毫秒延期雷管，總裝藥量8.4kg。此外，為保證煙囪順利倒塌，在煙囪爆破缺口兩端各開(kāi)設(shè)了1個(gè)高1.46m、長(zhǎng)4m的三角形作為定向窗。

3.煙囪爆破傾覆時(shí)間歷程

煙囪爆破傾覆時(shí)間是煙囪爆破過(guò)程控制的一個(gè)重要因素，煙囪爆破傾覆時(shí)間可由煙囪傾覆過(guò)程的角加速度ε與煙囪傾覆過(guò)程的角速度求得，即：

在公式（1）中，dt為煙囪爆破傾覆時(shí)間。針對(duì)論文中150m高度的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)煙囪，其爆破傾覆時(shí)間為：

4.煙囪爆破拆除過(guò)程有限元模擬

4.1有限元模型

鑒于鋼筋混凝土煙囪由鋼筋和混凝土兩種不同性能的材料組成，采用分離式共節(jié)點(diǎn)有限元建模，可事先分別計(jì)算混凝土和鋼筋的單元?jiǎng)偠染仃嚕缓蠼y(tǒng)一集成到結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣中，可按實(shí)際配筋劃分單元，并可在鋼筋混凝土之間嵌入粘結(jié)單元。因此，論文針對(duì)該150m高度鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)煙囪，基于ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件[11]，采用分離式有限元建模方法建立鋼筋混凝土煙囪有限元模型。論文建立的煙囪有限元整體模型如圖3所示。

建模過(guò)程時(shí)，為模擬煙囪傾覆過(guò)程，通過(guò)在特定時(shí)間定義爆破缺口處材料失效的方法來(lái)模擬爆破缺口的形成。筒體之間以及筒體與地面之間采用自動(dòng)單面接觸，鋼筋與地面之間采用點(diǎn)面接觸模擬煙囪傾覆觸地。其中在ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件環(huán)境下可通過(guò)在K文件中加入使材料失效的命令流來(lái)模擬爆破形成缺口，并可修改K文件使煙囪筒體和缺口處的材料具有失效準(zhǔn)則功能。

4.2數(shù)值模擬結(jié)果

圖4為煙囪爆破傾覆歷程數(shù)值模擬結(jié)果，圖5為實(shí)際煙囪爆破傾覆歷程圖，圖6和圖7為有限元計(jì)算得到的煙囪頂部、質(zhì)心及缺口等不同部位在爆破傾覆過(guò)程中的位移、運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間的變化曲線，圖8為有限元計(jì)算得到的煙囪爆破傾覆歷程不同時(shí)刻的煙囪等效應(yīng)力場(chǎng)分布圖。

由圖4和圖5可知，煙囪爆破傾覆歷程數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際煙囪爆破傾覆過(guò)程吻合較好。由圖6和圖7可知，計(jì)算得到的煙囪頂部、質(zhì)心及缺口等不同部位在爆破傾覆過(guò)程中的位移、運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間的變化情況較符合實(shí)際。圖7中煙囪頂部、質(zhì)心及缺口部位在爆破傾覆過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化出現(xiàn)振動(dòng)是因?yàn)楸苾A覆初期煙囪筒體出現(xiàn)晃動(dòng)，圖7中煙囪頂部、質(zhì)心及缺口部位運(yùn)動(dòng)速度在5.8秒出現(xiàn)突變是因?yàn)闊焽璞苾A覆過(guò)程中爆破缺口發(fā)生閉合，圖7中煙囪頂部、質(zhì)心及缺口部位運(yùn)動(dòng)速度在5.8秒出現(xiàn)躍變是因?yàn)闊焽璞苾A覆觸地造成的。

5.結(jié)論

（1）采用數(shù)值模擬方法對(duì)煙囪爆破拆除過(guò)程進(jìn)行模擬分析，可較全面地研究煙囪傾覆歷程、煙囪傾覆歷程的應(yīng)力、位移、煙囪傾覆時(shí)間和速度、煙囪爆破傾覆時(shí)的支座內(nèi)力等，可開(kāi)展煙囪模擬爆破拆除實(shí)驗(yàn)，以指導(dǎo)煙囪爆破拆除設(shè)計(jì)。

（2）采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA可模擬煙囪控制爆破拆除過(guò)程，采用分離式共節(jié)點(diǎn)有限元建模方法建模，實(shí)際煙囪傾覆歷程、傾覆方位、傾覆長(zhǎng)度與有限元數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好。

（3）論文提出的煙囪爆破傾覆歷程的本構(gòu)關(guān)系符合實(shí)際；論文采用的材料塑性隨動(dòng)硬化模型以及可Cowper-Symonds材料應(yīng)變率模型可較好地反應(yīng)煙囪爆破傾覆過(guò)程的鋼筋及混凝土材料力學(xué)性能。

（4）數(shù)值模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果存在一定差別的主要原因是理論計(jì)算所采用的模型沒(méi)有考慮煙囪爆破過(guò)程形成的塑性鉸對(duì)煙囪傾覆運(yùn)動(dòng)的影響作用。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際煙囪爆破傾覆過(guò)程存在一定差別的主要原因是數(shù)值模擬所用材料參數(shù)與實(shí)際煙囪爆破傾覆過(guò)程材料力學(xué)性能存在偏差。

參考文獻(xiàn)

[1] 張成化、羅惠敏、謝斌等.城市改造建設(shè)中拆除爆破安全管理的幾點(diǎn)做法[J].采礦技術(shù)，2001.11（5）：178-179.

[2] 王希之、謝興博、譚雪剛等.210m高煙囪爆破拆除技術(shù).工程爆破，2011.17（2）：53-55.

[3] 汪浩、鄭炳旭.拆除爆破綜合技術(shù)[J].工程爆破，2003.9（1）：27-31.

[4] 葉海旺、薛江波、房澤法.基于LS-DYNA的磚煙囪爆破拆除模擬研究[J].爆破，2008.25（2）：39-42.

[5] 言志信、葉振輝、劉培林、曹小紅.鋼筋混凝土高煙囪定向爆破拆除倒塌過(guò)程研究[J].振動(dòng)與沖擊，2011.30（9）：197-210.

[6] 王斌、趙伏軍、林大能、谷建新.筒形薄壁建筑物爆破切口形狀的的有限元分析[J].采礦技術(shù)，2005.9：95-97.123.

[7] 趙根、張文煊、李永池.鋼筋混凝土定向爆破參數(shù)與效果的DAA模擬[J].工程爆破，2006.12（3）：19-21.49.

[8] 孫金山、盧文波、謝先啟.框架結(jié)構(gòu)建筑物拆除爆破模擬技術(shù)研究[J].工程爆破，2004，10（4）：1-4.

[9] 王澤鵬、胡仁喜、康士廷.ANSYS13.0LS-DYNA非線性有限元分析實(shí)例指導(dǎo)過(guò)程[M].北京.機(jī)械工業(yè)出版社，2011.9.

摘 要：基于彈塑性力學(xué)和有限元基本理論，針對(duì)一150m高聳鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)煙囪定向爆破拆除工程，研究了該煙囪爆破拆除的力學(xué)條件、煙囪爆破傾覆時(shí)間、煙囪爆破傾覆時(shí)的支座內(nèi)力以及煙囪爆破傾覆時(shí)的本構(gòu)關(guān)系；采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA，通過(guò)分離式共節(jié)點(diǎn)建模，建立了高聳鋼筋混凝土煙囪有限元模型，并對(duì)煙囪爆破拆除過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬。研究結(jié)果表明，論文提出的煙囪爆破傾覆歷程的本構(gòu)關(guān)系符合實(shí)際；論文建立的高聳鋼筋混凝土煙囪有限元爆破拆除分析模型合理；實(shí)際煙囪傾覆歷程、傾覆方位、傾覆長(zhǎng)度與有限元數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好。

關(guān)鍵詞：高聳鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)煙囪；爆破拆除；數(shù)值模擬；本構(gòu)關(guān)系；有限元模型

1.引言

隨著城市化進(jìn)程和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的不斷推進(jìn)，在城市建設(shè)和企業(yè)技術(shù)改造中，經(jīng)常要開(kāi)展煙囪、水塔等廢棄高聳建筑物的控制性拆除爆破工作。拆除爆破既要達(dá)到預(yù)定拆除目的，又必須有效控制爆破振動(dòng)影響、飛石拋擲距離和破壞范圍等，以保障周圍環(huán)境安全[1]。目前，國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用爆破方法拆除高聳建筑物，定向爆破拆除煙囪的高度已達(dá)210米[2]。

本文基于彈塑性力學(xué)和有限元基本理論，針對(duì)一150m高聳鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)煙囪定向爆破拆除工程，對(duì)該煙囪爆破拆除的力學(xué)條件、煙囪爆破傾覆時(shí)間、煙囪爆破傾覆時(shí)的支座內(nèi)力以及煙囪爆破傾覆時(shí)的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行研究，并采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA，通過(guò)分離式共節(jié)點(diǎn)建模，建立高聳鋼筋混凝土煙囪有限元模型，對(duì)煙囪爆破拆除過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬。

2.爆破拆除方案

煙囪爆破拆除的原理是在煙囪傾倒一側(cè)的煙囪支承筒壁底部炸開(kāi)一個(gè)爆破缺口，破壞煙囪結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和重心外移，使煙囪在自重作用下形成傾覆力矩，進(jìn)而使煙囪按預(yù)定方向傾倒。若煙囪爆破缺口長(zhǎng)度過(guò)短，上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩可能小于下部支撐結(jié)構(gòu)可以承受的彎矩，爆破時(shí)結(jié)構(gòu)不易發(fā)生破壞；若煙囪爆破缺口尺寸過(guò)長(zhǎng)，下部支撐結(jié)構(gòu)不能承受上部結(jié)構(gòu)的自重，上部結(jié)構(gòu)將直接壓塌下部結(jié)構(gòu)，影響煙囪倒塌方向，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。因此煙囪爆破缺口尺寸對(duì)煙囪控制爆破拆除至關(guān)重要。

某電廠一個(gè)150m高度的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)煙囪，煙囪底部壁厚400mm，外徑為5.83m、內(nèi)徑為5.43m；110m高度處煙囪璧厚為180mm，外徑為3.68m、內(nèi)徑為3.5m；煙囪頂部壁厚200mm，外徑為2.905m、內(nèi)徑為2.705m；煙囪體積為1299.87m3，質(zhì)量為3.37966×106Kg，煙囪自重為33121KN。圖1為該電廠150m高度的鋼筋混凝土煙囪。

在爆破缺口中部長(zhǎng)度7.5m范圍內(nèi)，采用137發(fā)瞬發(fā)導(dǎo)爆管雷管，總裝藥量8.22kg；第二段起爆雷管布置在爆破缺口余下的炮孔，采用140發(fā)導(dǎo)爆管毫秒延期雷管，總裝藥量8.4kg。此外，為保證煙囪順利倒塌，在煙囪爆破缺口兩端各開(kāi)設(shè)了1個(gè)高1.46m、長(zhǎng)4m的三角形作為定向窗。

3.煙囪爆破傾覆時(shí)間歷程

煙囪爆破傾覆時(shí)間是煙囪爆破過(guò)程控制的一個(gè)重要因素，煙囪爆破傾覆時(shí)間可由煙囪傾覆過(guò)程的角加速度ε與煙囪傾覆過(guò)程的角速度求得，即：

在公式（1）中，dt為煙囪爆破傾覆時(shí)間。針對(duì)論文中150m高度的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)煙囪，其爆破傾覆時(shí)間為：

4.煙囪爆破拆除過(guò)程有限元模擬

4.1有限元模型

鑒于鋼筋混凝土煙囪由鋼筋和混凝土兩種不同性能的材料組成，采用分離式共節(jié)點(diǎn)有限元建模，可事先分別計(jì)算混凝土和鋼筋的單元?jiǎng)偠染仃?，然后統(tǒng)一集成到結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣中，可按實(shí)際配筋劃分單元，并可在鋼筋混凝土之間嵌入粘結(jié)單元。因此，論文針對(duì)該150m高度鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)煙囪，基于ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件[11]，采用分離式有限元建模方法建立鋼筋混凝土煙囪有限元模型。論文建立的煙囪有限元整體模型如圖3所示。

建模過(guò)程時(shí)，為模擬煙囪傾覆過(guò)程，通過(guò)在特定時(shí)間定義爆破缺口處材料失效的方法來(lái)模擬爆破缺口的形成。筒體之間以及筒體與地面之間采用自動(dòng)單面接觸，鋼筋與地面之間采用點(diǎn)面接觸模擬煙囪傾覆觸地。其中在ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件環(huán)境下可通過(guò)在K文件中加入使材料失效的命令流來(lái)模擬爆破形成缺口，并可修改K文件使煙囪筒體和缺口處的材料具有失效準(zhǔn)則功能。

4.2數(shù)值模擬結(jié)果

圖4為煙囪爆破傾覆歷程數(shù)值模擬結(jié)果，圖5為實(shí)際煙囪爆破傾覆歷程圖，圖6和圖7為有限元計(jì)算得到的煙囪頂部、質(zhì)心及缺口等不同部位在爆破傾覆過(guò)程中的位移、運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間的變化曲線，圖8為有限元計(jì)算得到的煙囪爆破傾覆歷程不同時(shí)刻的煙囪等效應(yīng)力場(chǎng)分布圖。

由圖4和圖5可知，煙囪爆破傾覆歷程數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際煙囪爆破傾覆過(guò)程吻合較好。由圖6和圖7可知，計(jì)算得到的煙囪頂部、質(zhì)心及缺口等不同部位在爆破傾覆過(guò)程中的位移、運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間的變化情況較符合實(shí)際。圖7中煙囪頂部、質(zhì)心及缺口部位在爆破傾覆過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化出現(xiàn)振動(dòng)是因?yàn)楸苾A覆初期煙囪筒體出現(xiàn)晃動(dòng)，圖7中煙囪頂部、質(zhì)心及缺口部位運(yùn)動(dòng)速度在5.8秒出現(xiàn)突變是因?yàn)闊焽璞苾A覆過(guò)程中爆破缺口發(fā)生閉合，圖7中煙囪頂部、質(zhì)心及缺口部位運(yùn)動(dòng)速度在5.8秒出現(xiàn)躍變是因?yàn)闊焽璞苾A覆觸地造成的。

5.結(jié)論

（1）采用數(shù)值模擬方法對(duì)煙囪爆破拆除過(guò)程進(jìn)行模擬分析，可較全面地研究煙囪傾覆歷程、煙囪傾覆歷程的應(yīng)力、位移、煙囪傾覆時(shí)間和速度、煙囪爆破傾覆時(shí)的支座內(nèi)力等，可開(kāi)展煙囪模擬爆破拆除實(shí)驗(yàn)，以指導(dǎo)煙囪爆破拆除設(shè)計(jì)。

（2）采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA可模擬煙囪控制爆破拆除過(guò)程，采用分離式共節(jié)點(diǎn)有限元建模方法建模，實(shí)際煙囪傾覆歷程、傾覆方位、傾覆長(zhǎng)度與有限元數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好。

（3）論文提出的煙囪爆破傾覆歷程的本構(gòu)關(guān)系符合實(shí)際；論文采用的材料塑性隨動(dòng)硬化模型以及可Cowper-Symonds材料應(yīng)變率模型可較好地反應(yīng)煙囪爆破傾覆過(guò)程的鋼筋及混凝土材料力學(xué)性能。

（4）數(shù)值模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果存在一定差別的主要原因是理論計(jì)算所采用的模型沒(méi)有考慮煙囪爆破過(guò)程形成的塑性鉸對(duì)煙囪傾覆運(yùn)動(dòng)的影響作用。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際煙囪爆破傾覆過(guò)程存在一定差別的主要原因是數(shù)值模擬所用材料參數(shù)與實(shí)際煙囪爆破傾覆過(guò)程材料力學(xué)性能存在偏差。

參考文獻(xiàn)

[1] 張成化、羅惠敏、謝斌等.城市改造建設(shè)中拆除爆破安全管理的幾點(diǎn)做法[J].采礦技術(shù)，2001.11（5）：178-179.

[2] 王希之、謝興博、譚雪剛等.210m高煙囪爆破拆除技術(shù).工程爆破，2011.17（2）：53-55.

[3] 汪浩、鄭炳旭.拆除爆破綜合技術(shù)[J].工程爆破，2003.9（1）：27-31.

[4] 葉海旺、薛江波、房澤法.基于LS-DYNA的磚煙囪爆破拆除模擬研究[J].爆破，2008.25（2）：39-42.

[5] 言志信、葉振輝、劉培林、曹小紅.鋼筋混凝土高煙囪定向爆破拆除倒塌過(guò)程研究[J].振動(dòng)與沖擊，2011.30（9）：197-210.

[6] 王斌、趙伏軍、林大能、谷建新.筒形薄壁建筑物爆破切口形狀的的有限元分析[J].采礦技術(shù)，2005.9：95-97.123.

[7] 趙根、張文煊、李永池.鋼筋混凝土定向爆破參數(shù)與效果的DAA模擬[J].工程爆破，2006.12（3）：19-21.49.

[8] 孫金山、盧文波、謝先啟.框架結(jié)構(gòu)建筑物拆除爆破模擬技術(shù)研究[J].工程爆破，2004，10（4）：1-4.

[9] 王澤鵬、胡仁喜、康士廷.ANSYS13.0LS-DYNA非線性有限元分析實(shí)例指導(dǎo)過(guò)程[M].北京.機(jī)械工業(yè)出版社，2011.9.

摘 要：基于彈塑性力學(xué)和有限元基本理論，針對(duì)一150m高聳鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)煙囪定向爆破拆除工程，研究了該煙囪爆破拆除的力學(xué)條件、煙囪爆破傾覆時(shí)間、煙囪爆破傾覆時(shí)的支座內(nèi)力以及煙囪爆破傾覆時(shí)的本構(gòu)關(guān)系；采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA，通過(guò)分離式共節(jié)點(diǎn)建模，建立了高聳鋼筋混凝土煙囪有限元模型，并對(duì)煙囪爆破拆除過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬。研究結(jié)果表明，論文提出的煙囪爆破傾覆歷程的本構(gòu)關(guān)系符合實(shí)際；論文建立的高聳鋼筋混凝土煙囪有限元爆破拆除分析模型合理；實(shí)際煙囪傾覆歷程、傾覆方位、傾覆長(zhǎng)度與有限元數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好。

關(guān)鍵詞：高聳鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)煙囪；爆破拆除；數(shù)值模擬；本構(gòu)關(guān)系；有限元模型

1.引言

隨著城市化進(jìn)程和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的不斷推進(jìn)，在城市建設(shè)和企業(yè)技術(shù)改造中，經(jīng)常要開(kāi)展煙囪、水塔等廢棄高聳建筑物的控制性拆除爆破工作。拆除爆破既要達(dá)到預(yù)定拆除目的，又必須有效控制爆破振動(dòng)影響、飛石拋擲距離和破壞范圍等，以保障周圍環(huán)境安全[1]。目前，國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用爆破方法拆除高聳建筑物，定向爆破拆除煙囪的高度已達(dá)210米[2]。

本文基于彈塑性力學(xué)和有限元基本理論，針對(duì)一150m高聳鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)煙囪定向爆破拆除工程，對(duì)該煙囪爆破拆除的力學(xué)條件、煙囪爆破傾覆時(shí)間、煙囪爆破傾覆時(shí)的支座內(nèi)力以及煙囪爆破傾覆時(shí)的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行研究，并采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA，通過(guò)分離式共節(jié)點(diǎn)建模，建立高聳鋼筋混凝土煙囪有限元模型，對(duì)煙囪爆破拆除過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬。

2.爆破拆除方案

煙囪爆破拆除的原理是在煙囪傾倒一側(cè)的煙囪支承筒壁底部炸開(kāi)一個(gè)爆破缺口，破壞煙囪結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和重心外移，使煙囪在自重作用下形成傾覆力矩，進(jìn)而使煙囪按預(yù)定方向傾倒。若煙囪爆破缺口長(zhǎng)度過(guò)短，上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩可能小于下部支撐結(jié)構(gòu)可以承受的彎矩，爆破時(shí)結(jié)構(gòu)不易發(fā)生破壞；若煙囪爆破缺口尺寸過(guò)長(zhǎng)，下部支撐結(jié)構(gòu)不能承受上部結(jié)構(gòu)的自重，上部結(jié)構(gòu)將直接壓塌下部結(jié)構(gòu)，影響煙囪倒塌方向，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。因此煙囪爆破缺口尺寸對(duì)煙囪控制爆破拆除至關(guān)重要。

某電廠一個(gè)150m高度的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)煙囪，煙囪底部壁厚400mm，外徑為5.83m、內(nèi)徑為5.43m；110m高度處煙囪璧厚為180mm，外徑為3.68m、內(nèi)徑為3.5m；煙囪頂部壁厚200mm，外徑為2.905m、內(nèi)徑為2.705m；煙囪體積為1299.87m3，質(zhì)量為3.37966×106Kg，煙囪自重為33121KN。圖1為該電廠150m高度的鋼筋混凝土煙囪。

在爆破缺口中部長(zhǎng)度7.5m范圍內(nèi)，采用137發(fā)瞬發(fā)導(dǎo)爆管雷管，總裝藥量8.22kg；第二段起爆雷管布置在爆破缺口余下的炮孔，采用140發(fā)導(dǎo)爆管毫秒延期雷管，總裝藥量8.4kg。此外，為保證煙囪順利倒塌，在煙囪爆破缺口兩端各開(kāi)設(shè)了1個(gè)高1.46m、長(zhǎng)4m的三角形作為定向窗。

3.煙囪爆破傾覆時(shí)間歷程

煙囪爆破傾覆時(shí)間是煙囪爆破過(guò)程控制的一個(gè)重要因素，煙囪爆破傾覆時(shí)間可由煙囪傾覆過(guò)程的角加速度ε與煙囪傾覆過(guò)程的角速度求得，即：

在公式（1）中，dt為煙囪爆破傾覆時(shí)間。針對(duì)論文中150m高度的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)煙囪，其爆破傾覆時(shí)間為：

4.煙囪爆破拆除過(guò)程有限元模擬

4.1有限元模型

鑒于鋼筋混凝土煙囪由鋼筋和混凝土兩種不同性能的材料組成，采用分離式共節(jié)點(diǎn)有限元建模，可事先分別計(jì)算混凝土和鋼筋的單元?jiǎng)偠染仃?，然后統(tǒng)一集成到結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣中，可按實(shí)際配筋劃分單元，并可在鋼筋混凝土之間嵌入粘結(jié)單元。因此，論文針對(duì)該150m高度鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)煙囪，基于ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件[11]，采用分離式有限元建模方法建立鋼筋混凝土煙囪有限元模型。論文建立的煙囪有限元整體模型如圖3所示。

建模過(guò)程時(shí)，為模擬煙囪傾覆過(guò)程，通過(guò)在特定時(shí)間定義爆破缺口處材料失效的方法來(lái)模擬爆破缺口的形成。筒體之間以及筒體與地面之間采用自動(dòng)單面接觸，鋼筋與地面之間采用點(diǎn)面接觸模擬煙囪傾覆觸地。其中在ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件環(huán)境下可通過(guò)在K文件中加入使材料失效的命令流來(lái)模擬爆破形成缺口，并可修改K文件使煙囪筒體和缺口處的材料具有失效準(zhǔn)則功能。

4.2數(shù)值模擬結(jié)果

圖4為煙囪爆破傾覆歷程數(shù)值模擬結(jié)果，圖5為實(shí)際煙囪爆破傾覆歷程圖，圖6和圖7為有限元計(jì)算得到的煙囪頂部、質(zhì)心及缺口等不同部位在爆破傾覆過(guò)程中的位移、運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間的變化曲線，圖8為有限元計(jì)算得到的煙囪爆破傾覆歷程不同時(shí)刻的煙囪等效應(yīng)力場(chǎng)分布圖。

由圖4和圖5可知，煙囪爆破傾覆歷程數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際煙囪爆破傾覆過(guò)程吻合較好。由圖6和圖7可知，計(jì)算得到的煙囪頂部、質(zhì)心及缺口等不同部位在爆破傾覆過(guò)程中的位移、運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間的變化情況較符合實(shí)際。圖7中煙囪頂部、質(zhì)心及缺口部位在爆破傾覆過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化出現(xiàn)振動(dòng)是因?yàn)楸苾A覆初期煙囪筒體出現(xiàn)晃動(dòng)，圖7中煙囪頂部、質(zhì)心及缺口部位運(yùn)動(dòng)速度在5.8秒出現(xiàn)突變是因?yàn)闊焽璞苾A覆過(guò)程中爆破缺口發(fā)生閉合，圖7中煙囪頂部、質(zhì)心及缺口部位運(yùn)動(dòng)速度在5.8秒出現(xiàn)躍變是因?yàn)闊焽璞苾A覆觸地造成的。

5.結(jié)論

（1）采用數(shù)值模擬方法對(duì)煙囪爆破拆除過(guò)程進(jìn)行模擬分析，可較全面地研究煙囪傾覆歷程、煙囪傾覆歷程的應(yīng)力、位移、煙囪傾覆時(shí)間和速度、煙囪爆破傾覆時(shí)的支座內(nèi)力等，可開(kāi)展煙囪模擬爆破拆除實(shí)驗(yàn)，以指導(dǎo)煙囪爆破拆除設(shè)計(jì)。

（2）采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA可模擬煙囪控制爆破拆除過(guò)程，采用分離式共節(jié)點(diǎn)有限元建模方法建模，實(shí)際煙囪傾覆歷程、傾覆方位、傾覆長(zhǎng)度與有限元數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好。

（3）論文提出的煙囪爆破傾覆歷程的本構(gòu)關(guān)系符合實(shí)際；論文采用的材料塑性隨動(dòng)硬化模型以及可Cowper-Symonds材料應(yīng)變率模型可較好地反應(yīng)煙囪爆破傾覆過(guò)程的鋼筋及混凝土材料力學(xué)性能。

（4）數(shù)值模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果存在一定差別的主要原因是理論計(jì)算所采用的模型沒(méi)有考慮煙囪爆破過(guò)程形成的塑性鉸對(duì)煙囪傾覆運(yùn)動(dòng)的影響作用。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際煙囪爆破傾覆過(guò)程存在一定差別的主要原因是數(shù)值模擬所用材料參數(shù)與實(shí)際煙囪爆破傾覆過(guò)程材料力學(xué)性能存在偏差。

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