基于LS-DYNA的砖烟囱爆破拆除模拟研究
摘 要: 为确保安全地拆除地处复杂环境中的高耸建筑物———砖烟囱,在正式爆破拆除前采用现有的数字技术和计算机科技对砖烟囱爆破拆除进行模拟,这一环节变得越来越必要。试着采用有限元软件LS-DYNA来模拟砖烟囱的爆破拆除倒塌过程。模拟了砖烟囱单向倒塌过程中倒塌倾角与历时的变化关系、倒塌触地长度随时间的变化情况、砖烟囱倒塌过程中的筒体应力分布等,且模拟结果与实际相吻合。通过模拟分析,可知砖烟囱在倒塌过程中的一些特有的变化过程,从而在设计中对某些细节问题加以重视。可见,对砖烟囱爆破拆除进行数值模拟,对具体工程具有一定的实际指导意义和帮助作用,同时对拆除爆破科学研究的发展也有一定的推动作用。
1 概 述
社会的快速发展使得许多城区内的烟囱等高耸建筑物被拆除,剩下未被拆除且即将要被拆除的高耸建筑物大多处于密集的建筑群或居民区内,拆除环境极其复杂。欲想拆除这类高耸建筑物,不仅需要非常高的拆除技术,而且要冒非常大的风险,而以往的爆破拆除大都建立在半经验、半理论的基础上,为此,很多爆破专家和爆破工程师都在寻求新的解决方法。如果在正式爆破拆除建筑物前,能采用现代化的高科技在计算机上模拟建筑物的爆破拆除全过程,那将会为爆破专家和爆破工程师提供有力的理论技术支持,从而最终保证高耸建筑物的安全拆除。采用有限元程序软件LS-DYNA来模拟砖烟囱的爆破拆除倒塌过程,以期找到更为科学、安全的爆破拆除设计。
2 砖烟囱结构特点及爆破拆除的关键
砖烟囱是砖和砂浆砌成的高耸建筑物,主要有圆筒形和方筒形2种。现今存在的基本上都是圆筒形的砖烟囱,内部有一层耐火砖砌成的内衬,其与主筒壁间有5—12 cm的间隙(隔热层)。烟囱底部通常有烟道和出灰口,其所在位置千变万化;烟囱顶部一般比筒体要坚固。就烟囱整体而言,底部直径大于顶部,整个烟囱是砖和砂浆的混合体。
由于砖烟囱本身的结构特殊性,同时因长久的风化作用,使得砖烟囱的结构强度极不均匀、对称。
爆破拆除砖烟囱的关键是控制烟囱的倒塌方向和倒塌长度。控制倒塌方向的关键是控制爆破切口的位置、切口中心线的位置和切口的形状等,考虑的因素主要是爆破切口部位结构的对称性及其结构强度的对称性。控制倒塌长度主要考虑应该采用单向倒塌爆破还是折叠倒塌爆破。
3 模型的建立
3. 1 材料的选取
砌体是由砌块和砂浆组成的二相复合材料,对其进行有限元分析常有2类模型:分离模型和整体连续体模型。分离模型即是将砌块和砂浆分别建模,可采用2种处理方式:一种是不考虑砖与砂浆之间的粘结滑移,将砌块与砂浆接触面的所有节点自由度耦合在一起;另一种是考虑砖与砂浆之间的粘结滑移,将砌块与砂浆通过接触单元或非线性弹簧单元联系在一起。由于砖与砂浆之间的粘结滑移关系曲线研究尚不成熟,接触面的水平粘附强度难以得到,目前使用前一种方式较多,且较易实现。本次模拟采取第一种方式建模[1-2]。
3. 2 本构关系
根据文献[3]中的ANSYS/LS-DYNA砖结构模拟和文献[4]中的材料介绍,砖烟囱按双线性随动模型材料建模比较合适。双线性随动模型是经典的双线性随动硬化模型,用2个斜率(弹性和塑性)来表示材料的应力、应变特性。
当定义接触、加载模式、边界条件的确定、失效准则的选取等各步求解设置完成后,即生成LS-DY-NA的输出文件Jobname k,对Jobname k文件中的内容部分进行修改,然后向LS-DYNA 970求解器递交关键字文件进行求解。
4 模拟实例
4. 1 不同倾倒方案的模拟
通过地面底部、烟囱底部施加固定约束,施加重力场,设置求解时间求解步长,用ANSYS/LS-DYNA程序求解,用LS-PREPOST读取计算结果,即可得到砖烟囱单向倾倒、双向折叠、原地坍塌等倾倒方案动态模拟效果。
从模拟的结果可以看出,对于不同倾倒方式,其倾倒过程都能够按既定方案倾倒,不同的倾倒方式其爆破体残渣堆积范围不同。分别用LS-PREPOST后处理器读取位移极值点的坐标,单向倾倒范围为0—65 m,双向折叠范围为-15—25 m,原地坍塌倾倒范围为-4—4m。由此可知,对于同一根烟囱,不同的爆破方案其爆破体残渣堆积范围有很大不同,单向倾倒范围最大,原地坍塌范围最小。
4. 2 砖烟囱单向倒塌过程模拟与分析模拟的砖烟囱高35 m,底部直径3. 2 m,内径1.4 m,壁厚0. 6 m,内衬厚0. 24 m,顶部内直径1. 0m。爆破缺口形状为梯形,缺口展开长度为6. 0 m,占爆破部位外周长的60%,缺口高度为1. 8 m。在缺口两端预先挖定向窗,定向窗为直角三角形,高为1. 2 m,底边长为1. 2 m。
选取SOLID164单元双线性随动材料进行分离式建模,将砖块和砂浆简化成一层砖块厚0. 18 m、一层砂浆厚0. 02 m,划分网格,选取自动单面接触。地面底部、烟囱底部施加固定约束,施加重力场,设置求解时间求解步长,修改好K文件,用AN-SYS/LS-DYNA程序求解,用LS-PREPOST读取计算结果,砖烟囱动态模拟图如图1所示。图2为现场实拍的砖烟囱倒塌照片。
4. 2. 1倾倒过程倾角与历时分析
高耸构筑物在爆破拆除中,由于爆破场地和工程要求等原因,需要准确度量构筑物倾倒历时和起爆时差。比如相邻2个建筑物,其结构不同,一个为楼房,另一个为烟囱之类的高耸构筑物,两者相向倾倒,在爆破设计中需要确定两者起爆的先后顺序。此时,构筑物的倾倒历时就是一个非常重要的参考数据。用LS-DYNA模拟烟囱倾倒历时,可为爆破设计提供参考。
根据文献[5]中的有关算式可求得塑性角角度
总体来看, 3种结果趋势是一致的,但又存在一些差异。观测仪器是松下NV-DS系列数码摄相机,所得图像用其所带软件进行处理,可得到时间间隔为0. 02 s的图片。计算中假设烟囱倾倒时为一端固定、一端自由的杆转动,而实际倾倒过程中,其支承面不断前移,与假设存在一定差异。砖烟囱风化,倒塌时支承面不断前移,这些都是模拟的难点,是模拟结果与实际结果有误差的原因之一。
4. 2. 2 砖烟囱倒塌长度时程分析
在砖烟囱爆破拆除中,烟囱倒塌长度也是一个需要考虑的重要事项。烟囱倒塌长度可由顶点节点的位移得出。选取烟囱顶部节点A,在x方向(倾倒方向)时间位移曲线如图3所示,在y方向(竖直方向)时间位移曲线如图4所示。从图中可以看出,35 m的砖烟囱倒塌长度为40m,爆渣堆积长度之比大约为1. 15∶1。砖烟囱单向倾倒爆破拆除后,其实际倒向侧烟囱残渣堆积长度是烟囱高度的0. 7—1. 3倍。模拟与工程实际有出入的原因是:首先,砖烟囱单向倾倒爆破拆除倒塌长度值的大小,取决于烟囱高度、壁厚、筒体强度、风化程度,也取决于爆破缺口的形状、尺寸、每孔药量、起爆方式等因素;其次,较小的倒塌长度反映了烟囱在倾倒过程中产生了过大的下坐现象,下坐高度大于筒体顶部触地前冲长度,而较大的倒塌长度反映了烟囱在倾倒触地后产生了过大的前冲,这些内容未做进一步研究,需在今后模型建立中进行考虑。
4. 2. 3 倾倒过程中的折断分析
针对烟囱倾倒过程中折断部位的问题,前人对此进行了研究。通过理论分析和计算,指出烟囱单向爆破倾倒中首次折断的部位一般约在烟囱高度的1/3处,或最大弯矩在烟囱的1/3高度处,最大剪力在2/3高度处等[6-8]。
利用ANSYS/LS-DYNA建立模型,对砖烟囱在单向倾倒过程中筒体受力情况进行分析,找出其产生倾倒折断的位置。图5为35 m砖烟囱筒体多处折断的图片。
5 结 论
采用ANSYS LS-DYNA软件程序对砖烟囱爆破拆除进行数值模拟是非常行之有效的。从倾倒角度与倾倒历时关系的对比中可以看出,模拟的时间与实际倾倒时间非常接近;模拟出倾倒方向的倒塌长度和爆堆宽度对实际爆破设计和施工都有一定的指导意义;从砖烟囱倾倒过程中的筒体等效应变云图可以看出,烟囱距离地面1/3、1/2、2/3处均有应力集中现象,在烟囱倒塌过程中极有可能发生折断,这与前期学者的研究结果相吻合。
虽然,模拟结果是可喜的,但由于种种原因,模拟结果还有待进一步提高。如在选取材料时,考虑砂浆和砖之间的粘结滑移,将砂浆和砖体采用不同的强度,同时在划分单元时尽可能与实际尺寸相符,模拟的成果将会更有实际意义。
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