支撑部非对称雷达站塔的爆破拆除及数值模拟

何 怡， 张兆龙， 何治良

(1.成都建筑材料工业设计研究院， 成都 610010； 2.武汉铁四院控制爆破技术有限公司， 武汉 430000；3.西南科技大学 环境与资源学院， 四川绵阳 621010)



支撑部非对称雷达站塔的爆破拆除及数值模拟

何 怡1， 张兆龙2， 何治良3

(1.成都建筑材料工业设计研究院， 成都 610010； 2.武汉铁四院控制爆破技术有限公司， 武汉 430000；3.西南科技大学 环境与资源学院， 四川绵阳 621010)

摘要：介绍了一座32 m高支撑部非对称雷达站塔的定向爆破拆除工程。通过对雷达站塔自身结构特点及周边环境的分析，为了确保起爆后雷达站塔沿设计方向顺利倒塌，选择合理的爆破切口参数，预先采用ANSYS/LS-DYNA软件针对支撑部强度非对称雷达站塔进行纠偏设计。最终，爆破拆除的雷达站塔倒塌在设计范围内，四周建(构)筑物和设施完好无损。该雷达站塔的爆破拆除在安全和质量上都达到了预期效果，可为类似爆破工程提供经验。

关键词：非对称； 爆破切口； 纠偏设计； LS-DYNA； 定向爆破； 雷达站塔； 支撑部； 数值模拟

1引言

为了确保构筑物拆除控制爆破安全顺利实施，国内学者采用数值模拟技术对构筑物拆除爆破开展了一系列的研究工作并取得了重要的进展〔1-7〕。特别是用有限元法研究拆除爆破取得了一系列的成果，如许沛、刘伟、万震雄、叶振辉等利用动力有限元程序ANSYS/LS-DYNA研究爆破拆除问题〔8-10〕，为运用有限元法对拆除爆破进行研究打下了基础。

以往，国内对高耸构筑物爆破拆除的研究主要集中分析构筑物是否能够顺利倒塌，对爆堆长度、倾倒历时和断裂应力分布、倾倒方向的研究却很少。本文运用ANSYS/LS-DYNA对支撑部材料强度非对称雷达站塔定向爆破拆除倾倒方向进行研究，并根据模拟倾倒偏转角度值进行纠偏设计，运用于工程实例。

2工程实例

武汉天河国际机场拟将一座旧雷达站塔体实施爆破拆除。雷达站为钢筋混凝土结构筒式塔体，高32m，底部外直径4.48m，壁厚0.2m；体积约90m3，重约226t，其重心高度为18m。塔体西侧开有一塔门，宽1.2m、高2m。底部配筋：竖向主筋直径20mm，间距200mm；环形钢筋直径6mm，间距200mm，配筋率为0.5%。塔门处的钢筋被移至塔门两侧，塔门两侧0.4m范围内的配筋率为1.25%。

雷达站塔体位于东西长60m、南北宽66m的院墙内，院内南北有两处平房，均需拆除；塔体距离北围墙22m；距离南围墙38m；距离东、西侧围墙均为30m。西侧围墙上有一条重要外挂高压电缆线，并与墙外的临时变压器相连，爆破时要保证其安全。爆破倒塌的环境如图1所示。

图1　雷达站塔周边环境Fig.1　Surrounding environment of radar station tower

高耸构筑物爆破拆除中，爆破定向窗对倾倒方向的控制具有关键作用〔11〕。设计中通常应严格保持定向窗的形状、大小和位置。

本例中，塔门位于正西方向，经过适当人工处理，便可作为定向窗。由于塔门两侧的配筋率是其他部位配筋率的2.5倍，导致两个定向窗旁侧支撑部材料强度并不对称，在倾倒过程中，难以控制其倒塌方向，极有可能发生意外。施工前采用ANSYS/LS-DYNA进行数值模拟，确定倾倒偏转角度，进行纠偏设计。

3有限元模型建立

3.1定义单元和材料属性

数值计算中，用于模拟混凝土钢筋材料的有限元模型主要有三类〔11〕，此次模拟并不需要研究钢筋和混凝土滑移现象，采用整体式模型：将钢筋化为等效的混凝土，把钢筋和混凝土包含在一个单元之中，统一考虑钢筋和混凝土的作用，然后按照一种材料计算单元刚度矩阵。

塔体和南侧平房建模均采用SOLID164单元，选用LS-DYNA自带的*MAT_BRITTLE_DAMAGE钢筋混凝土材料关键字。地面采用SHELL163单元，不需要测定振动速度，地面设置为刚体材料。

3.2建立模型及网格划分

建立一个与实际结构外形相似的几何体，爆破切口中心线方向与+X(正南)方向重合，对模型进行网格划分，如图2所示。

图2　有限元模型Fig.2　Finite element model

3.3定义接触

倒塌过程和触地过程都非常复杂，模拟采用*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE自动单面接触方式。构筑物倒塌后触地解体，塔体与地面接触比较粗糙，静摩擦系数取0.5，动摩擦系数取0.4。

3.4模型的加载及约束

对构筑物底部节点进行水平和竖直位移约束，并对模型施加重力荷载。

3.5材料参数

在关键字文件中，采用特定的钢筋混凝土复合材料*MAT_BRITTLE_DAMAGE关键字设定钢筋混凝土材料参数，见表1。通过*MAT_ADD_EROSION关键字中失效主应变控制材料的失效值，雷达站塔底部配筋为Ⅰ级钢，失效应变取0.25。

表1　雷达站塔材料的物理力学参数

3.6数值分析

将修改后的关键字文件通过LS-DYNA求解后，得到以下顶部节点5507，在X(正南)方向和Z(正东)方向时间位移曲线，如图3、图4所示。

图3　顶部节点在X方向的时间位移曲线Fig.3　Displacement-time curve of top node in X direction

图4　顶部节点在Z方向的时间位移曲线Fig.4　Displacement-time curve of top node in Z direction

塔体模型爆破后，倾倒长度为28.16m，在X(正南)方向水平位移为28m，在Z(正东)方向水平位移为3m，由三角函数计算得到支撑部材料强度非对称雷达站塔在倾倒时会向材料强度低的一侧偏转6.1°。

4纠偏设计

爆破设计时，根据塔体周围环境条件、塔体结构尺寸，决定采用向南偏东定向倾倒爆破方案，让塔身避开南侧平房，远离西侧外挂高压电缆。由几何关系，根据三角函数计算得爆破中心线位置为南偏东20°。根据上述模拟结果，塔体在倾倒时会向材料强度低的一侧偏转6.1°，运用于工程实例爆破切口设计，将爆破切口中心线沿顺时针方向偏转6.1°，爆破中心线位置纠为南偏东13.9°，如图5所示。

图5　爆破切口展开Fig.5　Expanded blasting cut

4.1纠偏后模拟结果与实际情况比较

将纠偏设计后的爆破切口参数输入ANSYS程序，对雷达站塔倾倒过程进行模拟，得到倾倒过程动态图像和顶部节点5507时间位移曲线，并与塔体实际爆破倾倒情况进行对比。

4.1.1倾倒过程历时模拟分析

图6是雷达站塔定向倾倒过程模拟动态图。当t=0.1s时，炸药起爆，爆破切口形成，塔体在倾覆力矩作用下，重心开始向倾倒方向偏移，支撑部为部分受压，部分受拉。支撑部位形成铰支，塔体开始旋转；t=4.1s时，爆破切口闭合，塔体以触地部位为支点继续偏转；t=5.64s时，支撑部拉应力超出钢筋混凝土等效模型抗拉强度，模型受拉折断，单元被删除；t=6.6s时，整个塔体倒塌在地面上。

图6　倒塌过程数值模拟结果Fig.6　Numerical simulation collapse process

4.1.2倾倒方向模拟分析

图7～图8为塔体倾倒过程中顶部节点5507在X方向和Z方向的水平时间位移曲线。在t=6.6s时，顶部5507节点触地，X方向和Z方向水平位移均不再增加，倒塌长度L为30.7m。

图7　顶部节点在X方向的时间位移曲线Fig.7　Displacement-time curve of top node in X direction

图8　顶部节点在Z方向的时间位移曲线Fig.8　Displacement-time curve of top node in Z direction

4.1.3塔体倾倒堆散范围

起爆后数秒钟内，塔体经历了倾斜，下坐，上下切口闭合，塔体翻转，最后触地解体。图9是塔体倒塌后的爆渣堆积范围。

图9　模拟爆破效果与实际爆破效果对比Fig.9　Simulated blasting effect compared with actual blasting effect

4.2实际爆破效果与模拟结果对比

雷达站塔体数值模拟结果与实际情况相吻合，其对比结果见表2。

表2　模拟结果与实际效果对比

起爆后，塔体按照预定方向倒塌，整个倒塌过程历时6.7s，塔体与南侧平房擦肩而过，倒塌堆积长度为31m。纠偏设计成功避免了塔体倾倒过程中与南侧混凝土平房发生碰撞，有效防止了飞石向西侧外挂高压电缆的飞溅。

5结论

(1)支撑部材料强度不对称雷达站塔爆破拆除前，运用ANSYS/LS-DYNA进行纠偏设计后的模拟结果与实际爆破情况相吻合，此次数值模拟研究结果可靠，可为实际工程安全进行提供参考。

(2)雷达站塔按照预定偏转方向倾倒，避免了与平房碰撞，向西侧飞溅的飞石被平房阻止，确保了外挂高压电缆及周边环境的安全。

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文章编号：1006-7051(2016)03-0054-04

收稿日期：2016-04-30

作者简介：何 怡(1989-)，男，工程师，从事采矿工程、爆破工程的研究。E-mail： 125180836@qq.com

中图分类号：TD235.4+7

文献标识码：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