煙囪傾倒過程中底座支撐部位破壞過程數值模擬研究

王 彬 楊 譯 吳馳騁 楊 吉 唐春海

煙囪傾倒過程中底座支撐部位破壞過程數值模擬研究

王 彬 楊 譯 吳馳騁 楊 吉 唐春海

爆破定向拆除煙囪過程中，支撐部位承受著缺口上部筒體的荷載并在煙囪傾倒過程中到轉軸作用。本文基于LS-DYNA軟件，參考工程實例，建立了煙囪傾倒過程的數值模擬模型，對煙囪傾倒過程中底座支撐部位的破壞過程進行了數值模擬研究，并把研究結果與現場實測結果進行了比較分析，說明所建模型正確，可為類似研究提供參考。

煙囪爆破拆除時，一般采用定向倒塌或折疊倒塌方案，這些爆破拆除方案，都是在煙囪設計倒塌部位，在傾倒一側，將煙囪筒體炸開一個大于1/2，小于2/3周長的爆破缺口，使煙囪向預定方向倒塌。而未鉆孔裝藥的支撐部分在煙囪失穩、下坐、傾倒過程中承受著煙囪的全部靜力或動力荷載，并在煙囪傾倒過程起到轉軸作用，研究煙囪支撐部位的破壞過程對于防止煙囪傾倒過程中產生過度下坐以及后坐等具有重要意義。

然而，由于支撐部位筒體破壞過程的復雜性，用常規計算方法研究煙囪支撐部位的破壞過程是不現實的，近年來隨著電子計算機的飛速發展和廣泛應用，數值分析方法應運而生，已經成為求解科學技術問題的主要工具。越來越多的人們把數值模擬方法引入到爆破拆除的研究中，以改善設計中的不足，使爆破拆除技術向著更科學的方向發展，并取得了很好的成績。例如1977年瑞士蘇黎世建筑靜力學和建設學院就采用了有限單元法對羅特巴赫橋的爆破拆除進行了數值模擬。此外，國內外的很多學者利用有限元方法和離散元研究建構筑物倒塌過程的數值模擬，以確定爆破缺口位移、爆破順序和分段時間差對爆破倒塌的影響。

LS-DYNA是一個通用顯式動力分析程序，特別適合求解各種二維、三維非線性結構的碰撞、爆炸和模壓等大變形動力響應。LS-DYNA程序功能齊全，材料模型多，在爆破工程數值模擬研究中被廣泛應用。

數值模擬模型的建立

圖1　煙囪傾倒過程模擬的幾何模型

圖2　煙囪傾倒過程模擬的有限元模型（局部）

圖3　煙囪底部支撐部位破壞過程圖

為了研究方便，在模擬過程中作了部分假設：

（1）煙囪筒壁各部分為均質的；

（2）結構倒塌過程中只考慮重力的作用；

（3）本次模擬沒有考慮爆破過程的影響，假設爆破切口已經形成，此時煙囪筒體在重力作用下開始傾倒。

計算模型

如圖1為煙囪傾倒過程的幾何模型。模型主要由二部分組成：第一部分是煙囪，模型底部外徑6.5m，底部內經6.0m，頂部外徑2.2m，頂部內徑2.0m，高150m；第二部分是土體，模型尺寸為長×寬×高=208m×40m×4m。本次數值模擬選擇的是正梯形切口。以六面體單元對模型進行網格剖分，圖2為煙囪傾倒過程的有限元模型。實際中的土體屬于半無限空間介質，因此土體的計算模型在軟件允許條件下取得盡可能大，且除自由面外，其余邊界均設為無反射邊界條件。此外，兩部分選擇的材料模型分別為：Plastic Kinematic、Plastic Kinematic。

本次數值模擬舍棄了炸藥爆炸部分的模擬，假設爆破缺口已形成，爆破缺口高3.0m，寬2100，0.1s施加重力。然后煙囪筒體在自身重力的作用下沿切口方向傾倒觸地產生塌落振動，并以地震波的形式沿土體介質向四周傳播，對周圍構筑物產生影響。由于拆除爆破一般選在無風天氣進行，故煙囪傾倒觸地過程中沒有考慮風載荷的作用。

底座支撐部位破壞過程的模擬

從0.1s施加重力載荷后，煙囪在自重作用下，定向傾倒。煙囪底座支撐部位的破壞過程見圖3。

從圖3可以看出：爆破缺口剛形成時（0.2s），支撐部位只承受壓應力，0.5s后出現拉應力；1.9s時，支撐部位（最靠近倒塌方向一側）的筒體開始失效破壞，此后，筒體沿爆破缺口底部進一步向里擴展，當筒體斷裂到一定距離時（3.5s），煙囪開始傾倒，同時，破壞繼續向里發展，直到根部被拉斷（5.3s）。

為與便于與文獻所測試的內容進行比較，選取與測試相同部位的三個點（圖4中的a，b，c三點），觀察它們的應變變化歷程。如圖5所示。

靠近缺口處的點在煙囪倒塌過程中一直是受壓狀態，而在支撐部位最外側，先是受壓，而后變成受拉，直至拉斷，筒體破壞，煙囪開始傾倒。而b點破壞過程復雜，先是微壓，而后是拉，第三階段受到較大壓力直至破壞。與現場實測的結果比較，可以看出，無論是支撐部位的破壞過程、破壞時間、還是各測點的應變變化歷程，都是很相近的，說明所建模型是基本正確的。

圖4　應變點觀測位置示意圖

圖5　煙囪支撐部位三個位置單元應變變化圖

結語

本文基于LS-DYNA顯式非線性動力分析通用有限元程序，模擬了150m高煙囪在倒塌過程中支撐部位的破壞過程，并與實際測量數據進行比較，說明所建模型可行，可對進一步研究煙囪整體倒塌破壞過程提供幫助。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.21.006