支撐部非對(duì)稱雷達(dá)站塔的爆破拆除及數(shù)值模擬

何 怡， 張兆龍， 何治良

(1.成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院， 成都 610010； 2.武漢鐵四院控制爆破技術(shù)有限公司， 武漢 430000；3.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院， 四川綿陽 621010)

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支撐部非對(duì)稱雷達(dá)站塔的爆破拆除及數(shù)值模擬

何 怡1， 張兆龍2， 何治良3

(1.成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院， 成都 610010； 2.武漢鐵四院控制爆破技術(shù)有限公司， 武漢 430000；3.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院， 四川綿陽 621010)

摘要：介紹了一座32 m高支撐部非對(duì)稱雷達(dá)站塔的定向爆破拆除工程。通過對(duì)雷達(dá)站塔自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及周邊環(huán)境的分析，為了確保起爆后雷達(dá)站塔沿設(shè)計(jì)方向順利倒塌，選擇合理的爆破切口參數(shù)，預(yù)先采用ANSYS/LS-DYNA軟件針對(duì)支撐部強(qiáng)度非對(duì)稱雷達(dá)站塔進(jìn)行糾偏設(shè)計(jì)。最終，爆破拆除的雷達(dá)站塔倒塌在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，四周建(構(gòu))筑物和設(shè)施完好無損。該雷達(dá)站塔的爆破拆除在安全和質(zhì)量上都達(dá)到了預(yù)期效果，可為類似爆破工程提供經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：非對(duì)稱； 爆破切口； 糾偏設(shè)計(jì)； LS-DYNA； 定向爆破； 雷達(dá)站塔； 支撐部； 數(shù)值模擬

1引言

為了確保構(gòu)筑物拆除控制爆破安全順利實(shí)施，國內(nèi)學(xué)者采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)構(gòu)筑物拆除爆破開展了一系列的研究工作并取得了重要的進(jìn)展〔1-7〕。特別是用有限元法研究拆除爆破取得了一系列的成果，如許沛、劉偉、萬震雄、葉振輝等利用動(dòng)力有限元程序ANSYS/LS-DYNA研究爆破拆除問題〔8-10〕，為運(yùn)用有限元法對(duì)拆除爆破進(jìn)行研究打下了基礎(chǔ)。

以往，國內(nèi)對(duì)高聳構(gòu)筑物爆破拆除的研究主要集中分析構(gòu)筑物是否能夠順利倒塌，對(duì)爆堆長度、傾倒歷時(shí)和斷裂應(yīng)力分布、傾倒方向的研究卻很少。本文運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA對(duì)支撐部材料強(qiáng)度非對(duì)稱雷達(dá)站塔定向爆破拆除傾倒方向進(jìn)行研究，并根據(jù)模擬傾倒偏轉(zhuǎn)角度值進(jìn)行糾偏設(shè)計(jì)，運(yùn)用于工程實(shí)例。

2工程實(shí)例

武漢天河國際機(jī)場(chǎng)擬將一座舊雷達(dá)站塔體實(shí)施爆破拆除。雷達(dá)站為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)筒式塔體，高32m，底部外直徑4.48m，壁厚0.2m；體積約90m3，重約226t，其重心高度為18m。塔體西側(cè)開有一塔門，寬1.2m、高2m。底部配筋：豎向主筋直徑20mm，間距200mm；環(huán)形鋼筋直徑6mm，間距200mm，配筋率為0.5%。塔門處的鋼筋被移至塔門兩側(cè)，塔門兩側(cè)0.4m范圍內(nèi)的配筋率為1.25%。

雷達(dá)站塔體位于東西長60m、南北寬66m的院墻內(nèi)，院內(nèi)南北有兩處平房，均需拆除；塔體距離北圍墻22m；距離南圍墻38m；距離東、西側(cè)圍墻均為30m。西側(cè)圍墻上有一條重要外掛高壓電纜線，并與墻外的臨時(shí)變壓器相連，爆破時(shí)要保證其安全。爆破倒塌的環(huán)境如圖1所示。

圖1　雷達(dá)站塔周邊環(huán)境Fig.1　Surrounding environment of radar station tower

高聳構(gòu)筑物爆破拆除中，爆破定向窗對(duì)傾倒方向的控制具有關(guān)鍵作用〔11〕。設(shè)計(jì)中通常應(yīng)嚴(yán)格保持定向窗的形狀、大小和位置。

本例中，塔門位于正西方向，經(jīng)過適當(dāng)人工處理，便可作為定向窗。由于塔門兩側(cè)的配筋率是其他部位配筋率的2.5倍，導(dǎo)致兩個(gè)定向窗旁側(cè)支撐部材料強(qiáng)度并不對(duì)稱，在傾倒過程中，難以控制其倒塌方向，極有可能發(fā)生意外。施工前采用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值模擬，確定傾倒偏轉(zhuǎn)角度，進(jìn)行糾偏設(shè)計(jì)。

3有限元模型建立

3.1定義單元和材料屬性

數(shù)值計(jì)算中，用于模擬混凝土鋼筋材料的有限元模型主要有三類〔11〕，此次模擬并不需要研究鋼筋和混凝土滑移現(xiàn)象，采用整體式模型：將鋼筋化為等效的混凝土，把鋼筋和混凝土包含在一個(gè)單元之中，統(tǒng)一考慮鋼筋和混凝土的作用，然后按照一種材料計(jì)算單元?jiǎng)偠染仃嚒?/p>

塔體和南側(cè)平房建模均采用SOLID164單元，選用LS-DYNA自帶的*MAT_BRITTLE_DAMAGE鋼筋混凝土材料關(guān)鍵字。地面采用SHELL163單元，不需要測(cè)定振動(dòng)速度，地面設(shè)置為剛體材料。

3.2建立模型及網(wǎng)格劃分

建立一個(gè)與實(shí)際結(jié)構(gòu)外形相似的幾何體，爆破切口中心線方向與+X(正南)方向重合，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2　有限元模型Fig.2　Finite element model

3.3定義接觸

倒塌過程和觸地過程都非常復(fù)雜，模擬采用*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE自動(dòng)單面接觸方式。構(gòu)筑物倒塌后觸地解體，塔體與地面接觸比較粗糙，靜摩擦系數(shù)取0.5，動(dòng)摩擦系數(shù)取0.4。

3.4模型的加載及約束

對(duì)構(gòu)筑物底部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行水平和豎直位移約束，并對(duì)模型施加重力荷載。

3.5材料參數(shù)

在關(guān)鍵字文件中，采用特定的鋼筋混凝土復(fù)合材料*MAT_BRITTLE_DAMAGE關(guān)鍵字設(shè)定鋼筋混凝土材料參數(shù)，見表1。通過*MAT_ADD_EROSION關(guān)鍵字中失效主應(yīng)變控制材料的失效值，雷達(dá)站塔底部配筋為Ⅰ級(jí)鋼，失效應(yīng)變?nèi)?.25。

表1　雷達(dá)站塔材料的物理力學(xué)參數(shù)

3.6數(shù)值分析

將修改后的關(guān)鍵字文件通過LS-DYNA求解后，得到以下頂部節(jié)點(diǎn)5507，在X(正南)方向和Z(正東)方向時(shí)間位移曲線，如圖3、圖4所示。

圖3　頂部節(jié)點(diǎn)在X方向的時(shí)間位移曲線Fig.3　Displacement-time curve of top node in X direction

圖4　頂部節(jié)點(diǎn)在Z方向的時(shí)間位移曲線Fig.4　Displacement-time curve of top node in Z direction

塔體模型爆破后，傾倒長度為28.16m，在X(正南)方向水平位移為28m，在Z(正東)方向水平位移為3m，由三角函數(shù)計(jì)算得到支撐部材料強(qiáng)度非對(duì)稱雷達(dá)站塔在傾倒時(shí)會(huì)向材料強(qiáng)度低的一側(cè)偏轉(zhuǎn)6.1°。

4糾偏設(shè)計(jì)

爆破設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)塔體周圍環(huán)境條件、塔體結(jié)構(gòu)尺寸，決定采用向南偏東定向傾倒爆破方案，讓塔身避開南側(cè)平房，遠(yuǎn)離西側(cè)外掛高壓電纜。由幾何關(guān)系，根據(jù)三角函數(shù)計(jì)算得爆破中心線位置為南偏東20°。根據(jù)上述模擬結(jié)果，塔體在傾倒時(shí)會(huì)向材料強(qiáng)度低的一側(cè)偏轉(zhuǎn)6.1°，運(yùn)用于工程實(shí)例爆破切口設(shè)計(jì)，將爆破切口中心線沿順時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)6.1°，爆破中心線位置糾為南偏東13.9°，如圖5所示。

圖5　爆破切口展開Fig.5　Expanded blasting cut

4.1糾偏后模擬結(jié)果與實(shí)際情況比較

將糾偏設(shè)計(jì)后的爆破切口參數(shù)輸入ANSYS程序，對(duì)雷達(dá)站塔傾倒過程進(jìn)行模擬，得到傾倒過程動(dòng)態(tài)圖像和頂部節(jié)點(diǎn)5507時(shí)間位移曲線，并與塔體實(shí)際爆破傾倒情況進(jìn)行對(duì)比。

4.1.1傾倒過程歷時(shí)模擬分析

圖6是雷達(dá)站塔定向傾倒過程模擬動(dòng)態(tài)圖。當(dāng)t=0.1s時(shí)，炸藥起爆，爆破切口形成，塔體在傾覆力矩作用下，重心開始向傾倒方向偏移，支撐部為部分受壓，部分受拉。支撐部位形成鉸支，塔體開始旋轉(zhuǎn)；t=4.1s時(shí)，爆破切口閉合，塔體以觸地部位為支點(diǎn)繼續(xù)偏轉(zhuǎn)；t=5.64s時(shí)，支撐部拉應(yīng)力超出鋼筋混凝土等效模型抗拉強(qiáng)度，模型受拉折斷，單元被刪除；t=6.6s時(shí)，整個(gè)塔體倒塌在地面上。

圖6　倒塌過程數(shù)值模擬結(jié)果Fig.6　Numerical simulation collapse process

4.1.2傾倒方向模擬分析

圖7～圖8為塔體傾倒過程中頂部節(jié)點(diǎn)5507在X方向和Z方向的水平時(shí)間位移曲線。在t=6.6s時(shí)，頂部5507節(jié)點(diǎn)觸地，X方向和Z方向水平位移均不再增加，倒塌長度L為30.7m。

圖7　頂部節(jié)點(diǎn)在X方向的時(shí)間位移曲線Fig.7　Displacement-time curve of top node in X direction

圖8　頂部節(jié)點(diǎn)在Z方向的時(shí)間位移曲線Fig.8　Displacement-time curve of top node in Z direction

4.1.3塔體傾倒堆散范圍

起爆后數(shù)秒鐘內(nèi)，塔體經(jīng)歷了傾斜，下坐，上下切口閉合，塔體翻轉(zhuǎn)，最后觸地解體。圖9是塔體倒塌后的爆渣堆積范圍。

圖9　模擬爆破效果與實(shí)際爆破效果對(duì)比Fig.9　Simulated blasting effect compared with actual blasting effect

4.2實(shí)際爆破效果與模擬結(jié)果對(duì)比

雷達(dá)站塔體數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際情況相吻合，其對(duì)比結(jié)果見表2。

表2　模擬結(jié)果與實(shí)際效果對(duì)比

起爆后，塔體按照預(yù)定方向倒塌，整個(gè)倒塌過程歷時(shí)6.7s，塔體與南側(cè)平房擦肩而過，倒塌堆積長度為31m。糾偏設(shè)計(jì)成功避免了塔體傾倒過程中與南側(cè)混凝土平房發(fā)生碰撞，有效防止了飛石向西側(cè)外掛高壓電纜的飛濺。

5結(jié)論

(1)支撐部材料強(qiáng)度不對(duì)稱雷達(dá)站塔爆破拆除前，運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行糾偏設(shè)計(jì)后的模擬結(jié)果與實(shí)際爆破情況相吻合，此次數(shù)值模擬研究結(jié)果可靠，可為實(shí)際工程安全進(jìn)行提供參考。

(2)雷達(dá)站塔按照預(yù)定偏轉(zhuǎn)方向傾倒，避免了與平房碰撞，向西側(cè)飛濺的飛石被平房阻止，確保了外掛高壓電纜及周邊環(huán)境的安全。

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文章編號(hào)：1006-7051(2016)03-0054-04

收稿日期：2016-04-30

作者簡介：何 怡(1989-)，男，工程師，從事采礦工程、爆破工程的研究。E-mail： 125180836@qq.com

中圖分類號(hào)：TD235.4+7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.03.011

Blastingdemolitionandnumericalsimulationofradarstationtowerwithasymmetricsupport

HEYi1,ZHANGZhao-long2,HEZhi-liang3

(1.ChengduDesign&ResearchInstituteofBuildingMaterialsIndustryCo.,Ltd.,Chengdu610010,China;2.ChinaRailwayFourthSurveyandDesigninstituteControlledBlastingTechnologyCo.,Ltd.,Wuhan430000,China;3.SchoolofEnvironmentandResource,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,Sichuan,China)

ABSTRACT：The directional blasting demolition of a 32m-high radar station tower with asymmetric support was introduced.The radar station's structural characteristics and surrounding environment were analyzed. In order to ensure that the tower collapse exactly towards the designed direction, reasonable blasting cut parameters were chosen, especially, ANSYS/LS-DYNA software was used in advance to rectify deviation design. The radar station collapsed within the design scope and surrounding buildings, structures and equipments remained intact. The expected effect was achieved in terms of safety and quality, and it could provide an experience for similar blasting projects.

KEY WORDS:Asymmetric; Blasting cut; Rectifying deviation design; LS-DYNA; Directional blasting； Radar station tower；Support department; Numerical simulation