烟囱倾倒过程中底座支撑部位破坏过程数值模拟研究

王 彬 杨 译 吴驰骋 杨 吉 唐春海

烟囱倾倒过程中底座支撑部位破坏过程数值模拟研究

王 彬 杨 译 吴驰骋 杨 吉 唐春海

爆破定向拆除烟囱过程中，支撑部位承受着缺口上部筒体的荷载并在烟囱倾倒过程中到转轴作用。本文基于LS-DYNA软件，参考工程实例，建立了烟囱倾倒过程的数值模拟模型，对烟囱倾倒过程中底座支撑部位的破坏过程进行了数值模拟研究，并把研究结果与现场实测结果进行了比较分析，说明所建模型正确，可为类似研究提供参考。

烟囱爆破拆除时，一般采用定向倒塌或折叠倒塌方案，这些爆破拆除方案，都是在烟囱设计倒塌部位，在倾倒一侧，将烟囱筒体炸开一个大于1/2，小于2/3周长的爆破缺口，使烟囱向预定方向倒塌。而未钻孔装药的支撑部分在烟囱失稳、下坐、倾倒过程中承受着烟囱的全部静力或动力荷载，并在烟囱倾倒过程起到转轴作用，研究烟囱支撑部位的破坏过程对于防止烟囱倾倒过程中产生过度下坐以及后坐等具有重要意义。

然而，由于支撑部位筒体破坏过程的复杂性，用常规计算方法研究烟囱支撑部位的破坏过程是不现实的，近年来随着电子计算机的飞速发展和广泛应用，数值分析方法应运而生，已经成为求解科学技术问题的主要工具。越来越多的人们把数值模拟方法引入到爆破拆除的研究中，以改善设计中的不足，使爆破拆除技术向着更科学的方向发展，并取得了很好的成绩。例如1977年瑞士苏黎世建筑静力学和建设学院就采用了有限单元法对罗特巴赫桥的爆破拆除进行了数值模拟。此外，国内外的很多学者利用有限元方法和离散元研究建构筑物倒塌过程的数值模拟，以确定爆破缺口位移、爆破顺序和分段时间差对爆破倒塌的影响。

LS-DYNA是一个通用显式动力分析程序，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的碰撞、爆炸和模压等大变形动力响应。LS-DYNA程序功能齐全，材料模型多，在爆破工程数值模拟研究中被广泛应用。

数值模拟模型的建立

图1　烟囱倾倒过程模拟的几何模型

图2　烟囱倾倒过程模拟的有限元模型（局部）

图3　烟囱底部支撑部位破坏过程图

为了研究方便，在模拟过程中作了部分假设：

（1）烟囱筒壁各部分为均质的；

（2）结构倒塌过程中只考虑重力的作用；

（3）本次模拟没有考虑爆破过程的影响，假设爆破切口已经形成，此时烟囱筒体在重力作用下开始倾倒。

计算模型

如图1为烟囱倾倒过程的几何模型。模型主要由二部分组成：第一部分是烟囱，模型底部外径6.5m，底部内经6.0m，顶部外径2.2m，顶部内径2.0m，高150m；第二部分是土体，模型尺寸为长×宽×高=208m×40m×4m。本次数值模拟选择的是正梯形切口。以六面体单元对模型进行网格剖分，图2为烟囱倾倒过程的有限元模型。实际中的土体属于半无限空间介质，因此土体的计算模型在软件允许条件下取得尽可能大，且除自由面外，其余边界均设为无反射边界条件。此外，两部分选择的材料模型分别为：Plastic Kinematic、Plastic Kinematic。

本次数值模拟舍弃了炸药爆炸部分的模拟，假设爆破缺口已形成，爆破缺口高3.0m，宽2100，0.1s施加重力。然后烟囱筒体在自身重力的作用下沿切口方向倾倒触地产生塌落振动，并以地震波的形式沿土体介质向四周传播，对周围构筑物产生影响。由于拆除爆破一般选在无风天气进行，故烟囱倾倒触地过程中没有考虑风载荷的作用。

底座支撑部位破坏过程的模拟

从0.1s施加重力载荷后，烟囱在自重作用下，定向倾倒。烟囱底座支撑部位的破坏过程见图3。

从图3可以看出：爆破缺口刚形成时（0.2s），支撑部位只承受压应力，0.5s后出现拉应力；1.9s时，支撑部位（最靠近倒塌方向一侧）的筒体开始失效破坏，此后，筒体沿爆破缺口底部进一步向里扩展，当筒体断裂到一定距离时（3.5s），烟囱开始倾倒，同时，破坏继续向里发展，直到根部被拉断（5.3s）。

为与便于与文献所测试的内容进行比较，选取与测试相同部位的三个点（图4中的a，b，c三点），观察它们的应变变化历程。如图5所示。

靠近缺口处的点在烟囱倒塌过程中一直是受压状态，而在支撑部位最外侧，先是受压，而后变成受拉，直至拉断，筒体破坏，烟囱开始倾倒。而b点破坏过程复杂，先是微压，而后是拉，第三阶段受到较大压力直至破坏。与现场实测的结果比较，可以看出，无论是支撑部位的破坏过程、破坏时间、还是各测点的应变变化历程，都是很相近的，说明所建模型是基本正确的。

图4　应变点观测位置示意图

图5　烟囱支撑部位三个位置单元应变变化图

结语

本文基于LS-DYNA显式非线性动力分析通用有限元程序，模拟了150m高烟囱在倒塌过程中支撑部位的破坏过程，并与实际测量数据进行比较，说明所建模型可行，可对进一步研究烟囱整体倒塌破坏过程提供帮助。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.21.006