高耸钢混结构造粒塔的定向爆破拆除设计及分离式共节点模拟研究.pdf

:./.高耸钢混结构造粒塔的定向爆破拆除设计及分离式共节点模拟研究孔庆亮 夏治园 王 刚 钱明渊 刘明锋 杨 帆 高朋飞浙江省第一水电建设集团股份有限公司(浙江杭州)安徽江南爆破工程有限公司(安徽宣城)摘 要 为成功爆破拆除复杂环境下.高钢筋混凝土结构造粒塔结合塔身结构特点及周围环境情况选用梯形爆破切口开设高度对称的定向窗、定位窗结合数据分析最终确定切口圆心角为、切口高度为.采用定向倾倒方式进行爆破拆除 为验证爆破设计方案的可行性采用 仿真软件建立造粒塔分离式共节点三维有限元模型进行仿真计算 结果表明:总体方案的爆破技术参数选取准确造粒塔往右偏移约.基本沿原设计方向倒塌筒体轻微下坐未发生前冲现象拆除爆破效果达到预期目标 数值模拟结果显示塔身顶端节点位移、速度变化趋势与实际倒塌过程基本一致 可为类似工程提供参考关键词 钢混造粒塔定向爆破爆破设计分离式共节点数值模拟分类号.().().引言随着城市结构布局的不断优化老旧工业区逐步进入改造升级阶段 因此不可避免会遇到废弃高耸建(构)筑物的拆除作业如化工造粒塔、钢混烟囱的拆除等 鉴于高耸建(构)筑物的结构特征常会采用爆破法进行拆除 相较于传统机械拆除法爆破拆除可有效减短施工工期提高本质安全具有高效、安全、经济性好等诸多优点得到了广第 卷 第 期 爆 破 器 材 .年 月 .收稿日期:第一作者:孔庆亮()男高级工程师主要从事爆破施工管理与爆破技术的研究工作:.通信作者:高朋飞()男博士高级工程师主要从事爆破施工管理与爆破技术的研究工作:.泛应用 在高耸建(构)筑物爆破拆除工程中往往是采用经验公式进行爆破拆除设计并进行一定的参数优化 盖四海通过提高爆破切口高度对造粒塔部分塔体采取适当的预处理并根据试爆效果确定合理的爆破参数确保了造粒塔按照方案设计方向倒塌 李本伟等参考烟囱及冷却塔爆破方法同时根据自身的结构特点采用大切口的预处理措施、高切口定向爆破技术成功爆破拆除了 栋 高的尿素造粒塔 迟力源等采用套入式爆破拆除方法拆除了一栋复杂环境下的 高钢混烟囱张英才等基于 高的双层套筒烟囱拆除工况采用高切口、单向倒塌控制技术顺利爆破拆除了该钢混烟囱但是现场工程控制参数变化多样无法有效预料建(构)筑物倒塌后具体的形态 因此国内学者将有限元仿真技术应用于预测建(构)筑物爆破拆除实际倒塌过程推测建(构)筑物倒塌方位、倒塌距离、爆堆标高、触地振动、解体形态及爆破危害情况弥补工程经验指导的不足 董星等选取适当参数并基于 有限元分析软件对 高烟囱的爆破拆除过程进行了等比例数值仿真计算模拟结果与实际倒塌过程基本一致顺利拆除了该高耸钢混烟囱 高文乐等研究了多截面、承重立柱型钢混建(构)筑物爆破倾倒过程并结合数值模拟方法分析了框架部分的受力状态 薛克军等采用整体式建模法建立了造粒塔有限元模型对 高造粒塔定向倒塌过程进行了仿真分析就现有研究成果来看高耸造粒塔爆破拆除相关课题研究相对较少研究方向主要放在爆破参数的优化和爆破有害效应防治方面造粒塔爆破倾倒数值模拟研究也基本停留在整体式建模法上无法有效还原钢混结构在爆破倾倒过程中不同力学特性仿真精度一般 基于某地化工厂.高钢混结构造粒塔爆破拆除工程通过 有限元仿真软件建立 三维结构模型采用分离式共节点方法建模模拟钢筋、混凝土等材料不同的力学特性提高了数值仿真精度和仿真结果的准确性有效预测了造粒塔倾倒过程整体运动的变化情况 为类似工况数值仿真及爆破拆除设计提供了参考 工程概况.地理环境应国家政策需要某化工厂区须整体拆除相关设备部分已完成人工拆除现余钢混结构造粒塔一座因待拆除体结构高大且坚固需进行爆破拆除造粒塔东侧约 处、东南侧约 处为待拆除厂房南侧为待拆除生产设备厂房与造粒塔楼梯间相连西侧约 处为待拆除加工包装车间由产品输料带相连北侧约 处为待拆除液汽管道约 处为待拆除旧尿素造粒塔及附属建(构)筑物 待周边建(构)筑物全部拆除后再进行造粒塔的爆破拆除施工 爆区环境如图 所示图 造粒塔拆除爆破环境图(单位:).(:).工程结构造粒塔为圆柱形的框架结构(图)左侧为长方体楼梯和电梯间典型的异型建(构)筑物 筒身采用 混凝土浇筑总高.外径 内径 塔身底部周长约.左侧楼梯间外壁厚.为尺寸.的剪力墙结构 电梯间为.的正方体剪力墙构造壁厚依次为.和.工程难点)造粒塔高且重高径比为.下落势能大倾倒触地的冲量大须制定减振措施防止出现前冲等现象)造粒塔筒壁较厚钢混结构强度较高易出现爆后不倒现象)造粒塔整体质量较高爆破时易产生严重下坐导致倒塌方向偏离设计方向等问题出现)造粒塔整体结构为圆筒加电梯间的异型建(构)筑物重心偏向电梯间方向爆破过程中易因质量分布特性导致倒塌方向偏移 控制爆破拆除总体方案设计.倒塌方向造粒塔自身结构为圆筒形框架和电(楼)梯间 爆 破 器 材 第 卷第 期 图 造粒塔结构(单位:).相结合的现浇钢混厚壁结构考虑到造粒塔东侧厂房和管道等设备设施均待拆除有足够的倒塌空间便于铺设缓冲材料故倾倒方向选择正东方向 待东侧厂房和管道机械拆除后实施按照开窗口、断钢筋、余留支撑板块以及多打孔、少装药、适度破坏的设计方针进行爆破拆除.技术要点)考虑到圆筒型造粒塔结构特点拟定采用中间起爆、逐段向双侧起爆的方式实现向东定向 内合的倒塌效果 对设计切口范围内圆筒、电(楼)梯间进行机械预拆除 仅对外壁进行钻孔爆破爆破时采用开挖减振沟、设置防振土堤等方式控制爆破振动和筒体前冲)针对造粒塔筒壁厚、强度高的特点设计时适当提高爆破缺口高度增大切口圆心角适当减小支撑部位强度保障筒体整体倾倒)针对造粒塔重心向电梯间偏离易产生下坐等问题爆破设计时须严格核准筒体重心所在位置在重心两侧均匀布置切口开设高度对称定向窗采用高精度雷管进行爆破保障倒塌过程中筒体倒塌方向不发生偏移.爆破切口设计.切口形式根据造粒塔的构造特点切割形式选取正梯形切割位置选在地基以上.处.切口尺寸根据以下经验公式确定切口尺寸切口长度()式中:为造粒塔切口处外径取 运算后得出 .切口高度()()按照式()计算造粒塔的切口高度 .为保证塔体倒塌的精准度本次爆破切口高度取.切口平面如图 所示 图 切口平面图(单位:).(:)附属电(楼)梯间切口高度与塔体切口高度一致 钻孔区域参数设置如表 所示 该切口高度范围内剪力墙全部钻孔爆破或人工拆除确保机械预拆除部分不超过保留部分表 造粒塔爆破切口参数.爆破切口标高/切口长度/余留长度/切口圆心角/切口高度/.筒体定向窗的布置及尺寸按照确定的切口形式将定向窗口设计成三角形 三角形的基底宽为.高度约为.底角为 在倒塌中心线位置开设定位窗定位窗为矩形 定向窗、定位窗与切口高度一致 如图 所示 年 月 高耸钢混结构造粒塔的定向爆破拆除设计及分离式共节点模拟研究 孔庆亮等 图 切口展开及爆破区分布(单位:).(:).爆破参数及装药量设计.爆破参数设计根据高耸建(构)筑物爆破拆除炮孔参数设计原则确定爆破参数炮孔深度 ().()式中:为壁厚取.取.最小抵抗线.()炮孔孔距 (.).()取.炮孔排距 (.).()取.装药量设计人工钻孔孔径为 造粒塔爆破孔网参数如表 所示 为保证爆破效果造粒塔中间孔适当增加药量表 造粒塔孔网参数.炮孔位置最小抵抗线/炮孔孔距/炮孔排距/单耗/()单孔药量/筒壁.外墙.总装药量计算 筒体:爆区布置于切口范围钻孔爆破区中方向均朝向造粒塔中央且相邻排间的爆区均呈梅花状排列 钻爆范围内共布置了 排炮孔每排 个炮孔共 个炮孔 装药量为.计划用 楼(电)梯间:对内部部分步梯、钢结构以及非承重墙体先进行机械预拆除墙体钻孔个数为(.)/(.)可得装药量为 .考虑到柱化处理炮孔数和装药量均减半.起爆网路设计为减少一次齐发药量以及因爆破时产生振动而对周围环境造成的干扰采取孔内同段别、孔外延期的起爆方法 造粒塔沿倾倒的中心线出发整个切口区域分成 个爆破破碎区 区分布如图 所示 区位电(楼)梯间 因爆破器材供应问题现场未使用数码电子雷管采用高精度导爆管雷管进行缺口爆破控制延期误差 其中:区孔外使用 簇并联 区孔外使用 簇并联 区孔外使用 簇并联 区孔外使用 簇并联 有限元仿真分析.分离式共节点模型不同于普通整体式建模分离式建模方法是将框架结构中钢筋、混凝土材料分开建模采用不同单元类型和材料进行仿真计算分开计算出钢筋单位刚度矩阵、混凝土单位刚度矩阵 而后再系统地整合汇总成总体刚度矩阵 如图 所示分离式共结点模型中钢筋采用梁单元或者杆单元混凝土采用实体单元 钢筋单元与混凝土单元共同节点与建(构)筑物实际建造状态更为吻合 计算过程中根据倒塌时的应力变化钢筋和混凝土结构呈现不同的力学形态从而更为 ()整体建模结构 ()分离式共节点单元 混凝土单元 钢筋单元 节点图 分离式共节点建模示意图.爆 破 器 材 第 卷第 期精确地模拟出爆破拆除过程中各组分材料力学的变化情况 当混凝土单元达到失效条件被系统自动删除后钢筋单元仍然承担抗压、抗拉作用直至达到失效条件提高了爆破拆除过程的仿真精度.模型建立基于分离式共节点建模法使用 建立 三维有限元仿真模型 模型单位制选取为 其中:钢筋材料采用梁单元 进行建模混凝土材料和地面采用实体单元 建模 造粒塔钢筋骨架与混凝土筒体有限元模型如图 所示 图 钢混结构造粒塔有限元模型.材料选取钢筋材料与混凝土材料均采用经典塑性随动模型 加以描述地面材料采用 刚体材料描述采用 关键字定义爆破切口并模拟混凝土的压碎破坏过程 材料参数如表 所示表 有限元模型的材料参数.参数钢筋混凝土材料密度/()弹性模量/.泊松比.切线模量/.屈服应力/.载荷施加在造粒塔模型上施加自身重力载荷和重力加速度 ./造粒塔底部施加固结约束.接触设置选用单面自动接触关键字模拟各组分间的接触采用节点单元穿透控制接触关键字模拟钢筋与地面的接触防止钢筋穿透地面节省计算时长.倒塌过程采用 对数值模拟结果进行后处理钢混造粒塔倒塌过程如图 所示 图 造粒塔模拟倒塌过程.由图 中可以看出在 .时筒体产生缺口在上部筒体重力载荷影响下余留截面应力部分改变短暂处于完全受压的极限状态形成倒塌中性轴而余留的支撑体外部混凝土因为拉应力而变形进而断裂、破坏 受拉部位从中间向两边发展逐渐出现横向裂缝(图)钢筋骨架也随之受拉失效 图 横向裂缝.伴随着中性轴的持续后退余留截面逐渐转变为受拉与受压 种受力状态并存的情况受拉和受压区域以中心轴为界线对称分布在倾倒中心线两侧 缺口处保留的筒体被部分压碎 .时在倾倒力矩的作用下造粒塔开始加速倾斜筒体开始下坐、定向偏转如图 所示 筒体内钢筋也处于应力极限状态进而发生拉伸、断裂等物理行为 年 月 高耸钢混结构造粒塔的定向爆破拆除设计及分离式共节点模拟研究 孔庆亮等 图 筒体下坐.结构经历约.左右的应力重分布后由于惯性作用支撑部位逐渐扩大和前移 触地支撑部位开始前移与地面接触面积增大 地面的约束加强上部结构质心越过支撑部位的中性轴加上地面的摩擦阻力的约束作用产生新的支点 上部结构发生转动、坍落筒体将绕新的转动支点下倾 随着转动力矩的不断增大筒体转动加速度不断加大筒体加速倾倒直至倒塌完成整体倒塌过程历时约.观测造粒塔筒体上部关键节点(图)的运动规律结合该节点位置的位移、速度变化特征计算、校核、确定在该造粒塔筒体结构的倒塌倾覆过程中有无出现明显偏离 图 造粒塔顶部节点.、个方向的位移和速度变化如图 所示 由图 可以看到:.内造粒塔 个方向的速度变化缓慢可以判断此阶段为余留支撑体的破坏过程在.左右余留支撑体的混凝土出现了损伤结构出现下坐现象 方向速度突跃增长至./余留支撑体大致经过爆破切口形成、中性轴形成、中性轴后退、断裂微倾 个过程筒体倾斜幅度非常小位移随着缓慢变化在.时间段内 方向速度突跃增长因为在该时间段内造粒塔下坐完成产生新支点筒体围绕新的支()位移曲线()速度曲线图 造粒塔顶部节点的位移和速度变化趋势.点定轴旋转旋转角度及速度进而迅速增大 当倒塌结束后筒体顶部选取节点在 向移动约.对比造粒塔标高(.)较小充分证明在筒体倾倒过程中有一定下坐筒体压碎长度约.由于造粒塔呈弧线运动方式故出现速度先增大、后降低的拱状变化 向最大位移.与造粒塔高度较为接近 向整体运动速度无明显变化最终位移.表明造粒塔倒塌方向与正东方向存在一定夹角约为.主要是由于造粒塔南侧有一电(楼)梯间筒体重心往南偏下落时方向朝该侧偏移少许但整体结构偏移的角度不大符合预期效果 爆破效果根据拟定爆破方案进行现场爆破作业造粒塔爆破倒塌过程如图 所示 对比现场实地倒塌结果与数值仿真结果可以发现造粒塔倒塌轨迹基本相同均有一定的下坐现象倒塌时长较为吻合基本沿设计方向倒塌触地后部分解体整体结构基本破坏未发生前冲现象爆破效果较为理想 爆 破 器 材 第 卷第 期图 实际倒塌过程.结论)基于高耸造粒塔实际爆破拆除工况依据开窗口、断钢筋、余留支撑板块以及多打孔、少装药、适度破坏的原则结合相关理论及工程实际开设定向窗、定位窗并进行了爆破切口设计、爆破参数计算同时采用数值模拟进行了预分析高效精确地完成了造粒塔定向爆破拆除)开设高度对称定向窗采用高精度雷管对称起爆方式确保了造粒塔沿设计方向倒塌 采用高精度导爆管雷管若结合电子雷管可将爆破延期时间误差控制在 内保证沿缺口中心线对称爆区起爆时间的高度一致从而提高缺口成型效果有效保障了造粒塔沿筒体中心线倾倒提高了现场爆破的可靠性)根据顶部节点位移变化数值仿真计算结果发现造粒塔受右端楼梯、电梯间影响重心偏右倒塌时相较于原设计正东方向上往右偏移约.计算过程中 向位移略小于筒体长度约.说明产生了一定的下坐与实际爆破倒塌过程较为相符)采用分离式共节点建模方法对造粒塔爆破倒塌过程进行仿真计算仿真计算有效模拟了余留体裂缝伸展、筒体下坐等多种倒塌过程形态 通过观察筒体关键节点的运动曲线有效预测了筒体支撑体破坏中性轴形成、后退、失效新支点形成筒体沿新支点定轴转动加速倾倒等多个运动过程现场爆破实际倒塌结果与仿真运动趋势较为一致参 考 文 献 田水龙 张程娇 黄雄 等.层框架结构楼房爆破拆除后坐数值模拟.工程爆破 ():.():.王铁 刘伟 李洪伟.小高宽比框架结构建筑物拆除爆破数值模拟分析.现代矿业 ():.孙细刚 张光雄 王汉军 等.爆破拆除双曲线冷却塔倒塌过程动态仿真.工程爆破 ():.():.言志信 刘培林 叶振辉.框架剪力墙结构的定向爆破倒塌过程.爆炸与冲击 ():.():.刘龙泉.钢筋混凝土结构爆破拆除的分离式模拟研究.兰州:兰州大学.:.袁绍国 张飞 姬志勇 等.控制爆破理论与实践.天津:天津大学出版社.:.盖四海.高造粒塔控制爆破拆除.工程爆破():.():.李本伟 陈德志 周应军 等.复杂环境下 尿素造粒塔的爆破拆除.爆破器材 ():.年 月 高耸钢混结构造粒塔的定向爆破拆除设计及分离式共节点模拟研究 孔庆亮等 .():.迟力源 杨军.超高钢筋混凝土烟囱套入式爆破拆除的数值模拟.爆破 ():.():.张英才 赵玉龙 高帅杰.高的双层套筒烟囱的爆破拆除.工程爆破 ():.():.董星 张哲 刘永强 等.钢筋混凝土烟囱定向爆破拆除实践与数值模拟.爆破 ():.():.高文乐 李元振 赵德龙 等.多截面承重立柱框架结构爆破拆除数值模拟研究.爆破 ():.():.薛克军 胡坤伦 杨辉 等.复杂环境下 高造粒塔定向控制拆除爆破.工程爆破 ():.():.余德运 杨军 陈大勇 等.基于分离式共结点模型的钢筋混凝土结构爆破拆除数值模拟.爆炸与冲击 ():.():.杨军 陈国梁 张光雄.建筑物结构爆破拆除数值模拟.北京:科学出版社.:.版权声明、本刊对发表的文章拥有出版电子版、网络版版权并拥有与其他网站交换信息的权利 本刊支付的稿酬已包含以上费用、本刊文章版权所有未经书面许可不得以任何形式转载爆破器材编辑部 爆 破 器 材 第 卷第 期