支撐部非對稱雷達站塔的爆破拆除及數值模擬

何 怡， 張兆龍， 何治良

(1.成都建筑材料工業設計研究院， 成都 610010； 2.武漢鐵四院控制爆破技術有限公司， 武漢 430000；3.西南科技大學 環境與資源學院， 四川綿陽 621010)

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支撐部非對稱雷達站塔的爆破拆除及數值模擬

何 怡1， 張兆龍2， 何治良3

(1.成都建筑材料工業設計研究院， 成都 610010； 2.武漢鐵四院控制爆破技術有限公司， 武漢 430000；3.西南科技大學 環境與資源學院， 四川綿陽 621010)

摘要：介紹了一座32 m高支撐部非對稱雷達站塔的定向爆破拆除工程。通過對雷達站塔自身結構特點及周邊環境的分析，為了確保起爆后雷達站塔沿設計方向順利倒塌，選擇合理的爆破切口參數，預先采用ANSYS/LS-DYNA軟件針對支撐部強度非對稱雷達站塔進行糾偏設計。最終，爆破拆除的雷達站塔倒塌在設計范圍內，四周建(構)筑物和設施完好無損。該雷達站塔的爆破拆除在安全和質量上都達到了預期效果，可為類似爆破工程提供經驗。

關鍵詞：非對稱； 爆破切口； 糾偏設計； LS-DYNA； 定向爆破； 雷達站塔； 支撐部； 數值模擬

1引言

為了確保構筑物拆除控制爆破安全順利實施，國內學者采用數值模擬技術對構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、葉振輝等利用動力有限元程序ANSYS/LS-DYNA研究爆破拆除問題〔8-10〕，為運用有限元法對拆除爆破進行研究打下了基礎。

以往，國內對高聳構筑物爆破拆除的研究主要集中分析構筑物是否能夠順利倒塌，對爆堆長度、傾倒歷時和斷裂應力分布、傾倒方向的研究卻很少。本文運用ANSYS/LS-DYNA對支撐部材料強度非對稱雷達站塔定向爆破拆除傾倒方向進行研究，并根據模擬傾倒偏轉角度值進行糾偏設計，運用于工程實例。

2工程實例

武漢天河國際機場擬將一座舊雷達站塔體實施爆破拆除。雷達站為鋼筋混凝土結構筒式塔體，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，塔門兩側0.4m范圍內的配筋率為1.25%。

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

圖1　雷達站塔周邊環境Fig.1　Surrounding environment of radar station tower

高聳構筑物爆破拆除中，爆破定向窗對傾倒方向的控制具有關鍵作用〔11〕。設計中通常應嚴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，經過適當人工處理，便可作為定向窗。由于塔門兩側的配筋率是其他部位配筋率的2.5倍，導致兩個定向窗旁側支撐部材料強度并不對稱，在傾倒過程中，難以控制其倒塌方向，極有可能發生意外。施工前采用ANSYS/LS-DYNA進行數值模擬，確定傾倒偏轉角度，進行糾偏設計。

3有限元模型建立

3.1定義單元和材料屬性

數值計算中，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單元之中，統一考慮鋼筋和混凝土的作用，然后按照一種材料計算單元剛度矩陣。

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

3.2建立模型及網格劃分

建立一個與實際結構外形相似的幾何體，爆破切口中心線方向與+X(正南)方向重合，對模型進行網格劃分，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雜，模擬采用*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE自動單面接觸方式。構筑物倒塌后觸地解體，塔體與地面接觸比較粗糙，靜摩擦系數取0.5，動摩擦系數取0.4。

3.4模型的加載及約束

對構筑物底部節點進行水平和豎直位移約束，并對模型施加重力荷載。

3.5材料參數

在關鍵字文件中，采用特定的鋼筋混凝土復合材料*MAT_BRITTLE_DAMAGE關鍵字設定鋼筋混凝土材料參數，見表1。通過*MAT_ADD_EROSION關鍵字中失效主應變控制材料的失效值，雷達站塔底部配筋為Ⅰ級鋼，失效應變取0.25。

表1　雷達站塔材料的物理力學參數

3.6數值分析

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

圖3　頂部節點在X方向的時間位移曲線Fig.3　Displacement-time curve of top node in X direction

圖4　頂部節點在Z方向的時間位移曲線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，由三角函數計算得到支撐部材料強度非對稱雷達站塔在傾倒時會向材料強度低的一側偏轉6.1°。

4糾偏設計

爆破設計時，根據塔體周圍環境條件、塔體結構尺寸，決定采用向南偏東定向傾倒爆破方案，讓塔身避開南側平房，遠離西側外掛高壓電纜。由幾何關系，根據三角函數計算得爆破中心線位置為南偏東20°。根據上述模擬結果，塔體在傾倒時會向材料強度低的一側偏轉6.1°，運用于工程實例爆破切口設計，將爆破切口中心線沿順時針方向偏轉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糾偏后模擬結果與實際情況比較

將糾偏設計后的爆破切口參數輸入ANSYS程序，對雷達站塔傾倒過程進行模擬，得到傾倒過程動態圖像和頂部節點5507時間位移曲線，并與塔體實際爆破傾倒情況進行對比。

4.1.1傾倒過程歷時模擬分析

圖6是雷達站塔定向傾倒過程模擬動態圖。當t=0.1s時，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；t=4.1s時，爆破切口閉合，塔體以觸地部位為支點繼續偏轉；t=5.64s時，支撐部拉應力超出鋼筋混凝土等效模型抗拉強度，模型受拉折斷，單元被刪除；t=6.6s時，整個塔體倒塌在地面上。

圖6　倒塌過程數值模擬結果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點5507在X方向和Z方向的水平時間位移曲線。在t=6.6s時，頂部5507節點觸地，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　頂部節點在X方向的時間位移曲線Fig.7　Displacement-time curve of top node in X direction

圖8　頂部節點在Z方向的時間位移曲線Fig.8　Displacement-time curve of top node in Z direction

4.1.3塔體傾倒堆散范圍

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

圖9　模擬爆破效果與實際爆破效果對比Fig.9　Simulated blasting effect compared with actual blasting effect

4.2實際爆破效果與模擬結果對比

雷達站塔體數值模擬結果與實際情況相吻合，其對比結果見表2。

表2　模擬結果與實際效果對比

起爆后，塔體按照預定方向倒塌，整個倒塌過程歷時6.7s，塔體與南側平房擦肩而過，倒塌堆積長度為31m。糾偏設計成功避免了塔體傾倒過程中與南側混凝土平房發生碰撞，有效防止了飛石向西側外掛高壓電纜的飛濺。

5結論

(1)支撐部材料強度不對稱雷達站塔爆破拆除前，運用ANSYS/LS-DYNA進行糾偏設計后的模擬結果與實際爆破情況相吻合，此次數值模擬研究結果可靠，可為實際工程安全進行提供參考。

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

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文章編號：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：TD235.4+7

文獻標識碼：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