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关键词:高耸钢筋混凝土结构烟囱;爆破拆除;数值模拟;本构关系;有限元模型
1.引言
随着城市化进程和产业升级的不断推进,在城市建设和企业技术改造中,经常要开展烟囱、水塔等废弃高耸建筑物的控制性拆除爆破工作。拆除爆破既要达到预定拆除目的,又必须有效控制爆破振动影响、飞石抛掷距离和破坏范围等,以保障周围环境安全[1]。目前,国内外已广泛应用爆破方法拆除高耸建筑物,定向爆破拆除烟囱的高度已达210米[2]。
本文基于弹塑性力学和有限元基本理论,针对一150m高耸钢筋混凝土结构烟囱定向爆破拆除工程,对该烟囱爆破拆除的力学条件、烟囱爆破倾覆时间、烟囱爆破倾覆时的支座内力以及烟囱爆破倾覆时的本构关系进行研究,并采用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,通过分离式共节点建模,建立高耸钢筋混凝土烟囱有限元模型,对烟囱爆破拆除过程进行了有限元模拟。
2.爆破拆除方案
烟囱爆破拆除的原理是在烟囱倾倒一侧的烟囱支承筒壁底部炸开一个爆破缺口,破坏烟囱结构稳定性,导致整个结构失稳和重心外移,使烟囱在自重作用下形成倾覆力矩,进而使烟囱按预定方向倾倒。若烟囱爆破缺口长度过短,上部结构产生的倾覆力矩可能小于下部支撑结构可以承受的弯矩,爆破时结构不易发生破坏;若烟囱爆破缺口尺寸过长,下部支撑结构不能承受上部结构的自重,上部结构将直接压塌下部结构,影响烟囱倒塌方向,产生严重后果。因此烟囱爆破缺口尺寸对烟囱控制爆破拆除至关重要。
某电厂一个150m高度的钢筋混凝土结构烟囱,烟囱底部壁厚400mm,外径为5.83m、内径为5.43m;110m高度处烟囱璧厚为180mm,外径为3.68m、内径为3.5m;烟囱顶部壁厚200mm,外径为2.905m、内径为2.705m;烟囱体积为1299.87m3,质量为3.37966×106Kg,烟囱自重为33121KN。图1为该电厂150m高度的钢筋混凝土烟囱。
在爆破缺口中部长度7.5m范围内,采用137发瞬发导爆管雷管,总装药量8.22kg;第二段起爆雷管布置在爆破缺口余下的炮孔,采用140发导爆管毫秒延期雷管,总装药量8.4kg。此外,为保证烟囱顺利倒塌,在烟囱爆破缺口两端各开设了1个高1.46m、长4m的三角形作为定向窗。
3.烟囱爆破倾覆时间历程
烟囱爆破倾覆时间是烟囱爆破过程控制的一个重要因素,烟囱爆破倾覆时间可由烟囱倾覆过程的角加速度ε与烟囱倾覆过程的角速度求得,即:
在公式(1)中,dt为烟囱爆破倾覆时间。针对论文中150m高度的钢筋混凝土结构烟囱,其爆破倾覆时间为:
4.烟囱爆破拆除过程有限元模拟
4.1有限元模型
鉴于钢筋混凝土烟囱由钢筋和混凝土两种不同性能的材料组成,采用分离式共节点有限元建模,可事先分别计算混凝土和钢筋的单元刚度矩阵,然后统一集成到结构整体刚度矩阵中,可按实际配筋划分单元,并可在钢筋混凝土之间嵌入粘结单元。因此,论文针对该150m高度钢筋混凝土结构烟囱,基于ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件[11],采用分离式有限元建模方法建立钢筋混凝土烟囱有限元模型。论文建立的烟囱有限元整体模型如图3所示。
建模过程时,为模拟烟囱倾覆过程,通过在特定时间定义爆破缺口处材料失效的方法来模拟爆破缺口的形成。筒体之间以及筒体与地面之间采用自动单面接触,钢筋与地面之间采用点面接触模拟烟囱倾覆触地。其中在ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件环境下可通过在K文件中加入使材料失效的命令流来模拟爆破形成缺口,并可修改K文件使烟囱筒体和缺口处的材料具有失效准则功能。
4.2数值模拟结果
图4为烟囱爆破倾覆历程数值模拟结果,图5为实际烟囱爆破倾覆历程图,图6和图7为有限元计算得到的烟囱顶部、质心及缺口等不同部位在爆破倾覆过程中的位移、运动速度随时间的变化曲线,图8为有限元计算得到的烟囱爆破倾覆历程不同时刻的烟囱等效应力场分布图。
由图4和图5可知,烟囱爆破倾覆历程数值模拟结果与实际烟囱爆破倾覆过程吻合较好。由图6和图7可知,计算得到的烟囱顶部、质心及缺口等不同部位在爆破倾覆过程中的位移、运动速度随时间的变化情况较符合实际。图7中烟囱顶部、质心及缺口部位在爆破倾覆过程中的运动速度随时间变化出现振动是因为爆破倾覆初期烟囱筒体出现晃动,图7中烟囱顶部、质心及缺口部位运动速度在5.8秒出现突变是因为烟囱爆破倾覆过程中爆破缺口发生闭合,图7中烟囱顶部、质心及缺口部位运动速度在5.8秒出现跃变是因为烟囱爆破倾覆触地造成的。
5.结论
(1)采用数值模拟方法对烟囱爆破拆除过程进行模拟分析,可较全面地研究烟囱倾覆历程、烟囱倾覆历程的应力、位移、烟囱倾覆时间和速度、烟囱爆破倾覆时的支座内力等,可开展烟囱模拟爆破拆除实验,以指导烟囱爆破拆除设计。
(2)采用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA可模拟烟囱控制爆破拆除过程,采用分离式共节点有限元建模方法建模,实际烟囱倾覆历程、倾覆方位、倾覆长度与有限元数值模拟结果吻合较好。
(3)论文提出的烟囱爆破倾覆历程的本构关系符合实际;论文采用的材料塑性随动硬化模型以及可Cowper-Symonds材料应变率模型可较好地反应烟囱爆破倾覆过程的钢筋及混凝土材料力学性能。
(4)数值模拟结果与理论计算结果存在一定差别的主要原因是理论计算所采用的模型没有考虑烟囱爆破过程形成的塑性铰对烟囱倾覆运动的影响作用。数值模拟结果与实际烟囱爆破倾覆过程存在一定差别的主要原因是数值模拟所用材料参数与实际烟囱爆破倾覆过程材料力学性能存在偏差。
参考文献
[1] 张成化、罗惠敏、谢斌等.城市改造建设中拆除爆破安全管理的几点做法[J].采矿技术,2001.11(5):178-179.
[2] 王希之、谢兴博、谭雪刚等.210m高烟囱爆破拆除技术.工程爆破,2011.17(2):53-55.
[3] 汪浩、郑炳旭.拆除爆破综合技术[J].工程爆破,2003.9(1):27-31.
[4] 叶海旺、薛江波、房泽法.基于LS-DYNA的砖烟囱爆破拆除模拟研究[J].爆破,2008.25(2):39-42.
[5] 言志信、叶振辉、刘培林、曹小红.钢筋混凝土高烟囱定向爆破拆除倒塌过程研究[J].振动与冲击,2011.30(9):197-210.
[6] 王斌、赵伏军、林大能、谷建新.筒形薄壁建筑物爆破切口形状的的有限元分析[J].采矿技术,2005.9:95-97.123.
[7] 赵根、张文煊、李永池.钢筋混凝土定向爆破参数与效果的DAA模拟[J].工程爆破,2006.12(3):19-21.49.
论文关键词:水塔,拆除方法
1.工程概况
1.1工程概况
本工程位于市区某大院内,拆除水塔总高为30m,结构为钢筋砼构筑物。拆除的周边环境狭小,居民较多,因此安全、快速、高效为本次施工的中心。
2.施工前准备及主要施工设备
2.1技术准备工作
2.1.1首先熟悉被拆建筑物的周边环境,弄清建筑物的结构情况、建筑情况、水电及设备管道情况。
2.1.2对施工员进行安全技术交底,加强安全意识。
2.1.3踏看施工现场,熟悉周围环境、场地、道路、水电设备管路、建筑物情况等。
2.2现场准备
2.2.1需拆除周边影响工程施工的建筑物、构筑物(包括塔内的管子和铁梯)并清理施工场地,保证运输道路畅通。
2.2.2搭设临时防护设施,避免拆除时的砂、石、灰尘飞扬影响生产的正常进行。
2.2.3在拆除危险区设置警戒区标志。
2.2.4接引好施工用临时电源、水源,现场照明不能使用被拆建筑物内的配电设施,应另外敷设。保证施工时水电畅通。
2.3机械材料设备的准备
项目
序号
设备名称
数量(台)
备注(型号)
1
拖拉机
2
2
空压机
2
3
风镐
一、答辩考核方法:
由专业组对申报者面对面的答辩考核
二、答辩考核内容
(一) 申报者简要介绍基本情况
1、什么时间毕业什么学校、什么专业及学制(如:2009年8月毕业于福大机械专业四年制本科)
2、工作经历,什么时间任工程师和在本专业工作年限
(如96年毕业就到省机电控股公司工作(讲重要的几个工作地点),2002年8月任工程师,在本专业已工作了13年)。
3、任现职以来主要专业工作业绩(按简明表讲重点部分,含获奖情况、发表的论文、专著等){如独立完成、主持、参与、负责(负责研制“豪迈”摩托车柱孔加工专用机床液压系统、电气控制部分的设计制作,采用PLC控制,由原来五道工序改为一道加工工序,提高了精度和生产效率,获公司科技奖;在机械杂志上发表三篇专业技术论文)*设备的设计研发,解决了什么,实现了什么,该产品销售收入利润各获奖情况;在***刊物发表了****文章及获奖}。
4、本人代表作的主要内容与价值(讲重点、如对摩托车脚蹬支架和上联板行高强度零件,研究应用有色金属液态技术,提高产品性能、质量和精度,实现产品零件轻量化取得成效)
5、指导下级专业人员工作和学习(讲重点,举例说明)
6、 简要介绍本专业发展现状、本人今后开展本专业的工作思路、设想和计划(简要说明如:工程爆破已发展到调室爆破、中深孔爆破、隧道掘进爆破、城镇拆除爆破、水下工程爆破等已积累了丰富的经验。如城镇拆除爆破,用控制爆破拆除比人工或机械方法可靠、快速、省工省力。结合本专业,我认为发展炸药能量转化过程精密控制技术,提高炸药能量利用率。降低有害效应是本发展方向;今后应以发展新型爆破提高控制爆破水平,是爆破安全技术的发展方向。)。
时间不超过五分钟
(二)申报者回答必答题(论文代表作中的问题)
具备条件的每人回答两道问题;不具备条件回答三道问题
(三)专业组提问
针对一下问题提问
1、对学历等基本情况和业绩、论文有疑问的地方进行核实、质疑。
2、对论文的论点、论据及正确性、科学性进行质疑
3、对获省部级以上科技进步奖,提问在该获奖项目中的作用,该成果的技术水平。
(时间不超过15分钟,破格不超过20分钟)
三、答辩考核成绩与评价
1、专业组无记名投票,按优、良、合格、不合格四个档次定性。
2、写出综合评价意见
①根据申报者介绍的基本情况、论文、业绩成果等填报是否真实。
②根据理论知识是否达到相应高级工职务水平
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