高耸钢筒结构定向拆除影响参数研究

2023-12-31刘慧群

特种结构 2023年6期

刘慧群

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司上海200092

引言

钢筒结构为圆筒式高耸结构，是石油化工、炼油等生产中最重要的设备之一。随着城市的发展，不可避免地需要对其进行拆除。定向倾倒是指利用建筑物自身的重力，将自身的重力势能转换为较大的冲击能，使建筑物在某个瞬间失去承载能力，从而达到破坏建筑物的目的。该方法安全、高效、成本低，不需要高成本的复杂设备。

目前国内外学者关于定向拆除工艺的研究主要集中在钢筋混凝土框架及烟囱、冷却塔等的定向爆破倒塌研究。Isobea D［1］等利用自适应变换积分法（ASI）自行编制了有限元程序，并以此对一爆破拆除的五层框架结构进行了数值模拟研究。杨建国［2］利用ANSYS有限元程序，对一栋多层框架结构的爆破倒塌过程进行了动态仿真，仿真计算结果与实际倒塌过程基本一致。Stangenberg和Friedhelm［3］则通过建立烟囱爆破拆除模型解决实际工程中的具体问题。李乌江，苗吉军［4］等结合工程实例，分析混凝土烟囱爆破拆除数值方法的优缺点。卢子冬［5］运用力学推导、数值模拟与工程类比的方法，以烟囱、冷却塔和框架结构楼房为例，对建（构）筑物倒塌机理和倒塌过程各阶段的力学变化进行了深入探讨。褚怀保、徐鹏飞［6］等以高速摄影监测、数值模拟为基础，对150m高烟囱爆破拆除倒塌过程进行研究，结果表明爆破切口形成后保留筒壁须有0.5s～3.0s稳定阶段以保证在荷载重分布过程中中性轴的稳定形成。刘世波［7］采用有限元软件分析不同切口形状对烟囱倒塌的影响。

国内学者对钢筒定向倒塌进行了一定的研究。余家杨［8］基于材料力学原理建立了钢结构烟囱爆破拆除的力学模型，并结合ANSYS／LS-DYNA进行数值模拟，与理论计算进行对比分析。刘丁等［9］结合工程实例，探讨钢结构炼钢高炉拆除方案的选择，以及爆破剪切切口参数、药包计算及起爆网路设计的优化，为实施类似钢结构特种切割拆除爆破提供借鉴与参考。

目前国内外关于钢筒体结构的定向拆除研究不多，且大多不考虑风荷载的影响。本文以100m高的钢筒结构为研究对象，通过理论分析、数值模拟研究不同切口尺寸及风荷载对钢筒定向倾倒的影响。

1 工程概况

选取高度为100m 的钢筒为研究对象，筒体外径为5m，壁厚30mm，材料为Q355B，结构总重量约380t。

本文所选用定向拆除方案为在离地0.5m 高度处，先切一个120°弧形切口，切口高约1m，再左右同时周向切割，周向切割总角度为θ，切口形状如图1 所示。

《建设工程施工现场安全防护、场容卫生及消防保卫标准》［11］第2.13.11 条规定，雨、雪、雾天气及风力大于四级（含四级）时不得进行拆除作业。因此本文考虑一至四级风对结构倒塌的影响。结构所在地面粗糙度为B 类，根据《高耸结构设计标准》（GB 50135—2019）［12］塔身风荷载如表1 所示。

2 理论分析

钢筒结构切口形成之前，在重力作用下，筒体断面均匀受压，而在切口形成之后，断面处为偏心受压构件，计算简图如图2 所示。由图2 可知，偏心荷载作用下，A点处拉应力最大，B、C点处压应力最大，且B、C点处压应力值大于A点处拉应力值。假定重力对断面形心的偏心矩为e，根据材料力学原理可知，截面最大压应力值σcmax、拉应力值σtmax如式（1）、式（2）所示。其中e、Iy如式（3）、式（4）所示。

图2 计算简图Fig.2 Calculation diagram

式中：G为结构自重；A为切面处有效面积；R为筒体外半径；r为筒体内半径；e为偏心矩。

由式（1）、式（2）计算所得结构底部切口处拉压最大应力如表2 所示，由表2 可知，不考虑风荷载时，当切口角度取246°时，切口处最大压应力为363.5MPa，大于屈服强度355MPa，此时结构出现倒塌。

表2 无风荷载时不同切口角度下截面最大应力Tab.2 The max-stress of the section in different incision angle without wind load

环境风荷载无处不在，当风荷载与倾倒方向同向时，风荷载对结构底部产生的倾覆弯矩与重力引起的偏心弯矩同向，二者的叠加作用会使结构更早出现倒塌破坏。因此有必要对风荷载下钢筒的定向倾倒进行研究。考虑风荷载对结构的影响时，截面最大压应力值σcmax、拉应力值σtmax如式（5）、式（6）所示。

式中：M为风荷载在切面高度处引起的弯矩。

根据式（5）、式（6）计算筒体在一至四级风下不同切口角度筒体最大压应力如图3 所示。由图3 可知，同一切口角度，随着风荷载的增加，截面最大压应力增大，结构倒塌所需切口角度减小。不考虑风荷载时，筒体在切口角度246°左右发生破坏，一级风由于风荷载较小，结果与不考虑风荷载时类似；二级风下，筒体在243°附近发生破坏；三级风下，筒体在239°附近发生破坏；四级风下，筒体在232°附近发生破坏。

图3 筒体最大压应力Fig.3 The maximum compressive stress value of cylinder

3 数值模拟

3.1 数值模拟方法

ABAQUS由两个主求解模块ABAQUS／Standard和ABAQUS／Explicit 以及一个人机交互前后处理模块ABAQUS／CAE（Complete ABAQUS Environment）组成，可分析工程中各种复杂的线性和非线性问题。本文采用ABAQUS软件研究不同缺口大小的钢筒结构失稳倒塌过程。

建模时长度单位为mm，时间单位为s，质量单位为t，压力单位为MPa。以竖直向上为Z轴正向，采用S4R 壳单元建模，网格密度取0.2m。不考虑基础刚度作用，筒体底部固结。材料密度为7.85 × 10-9t／mm3，屈服应力为355MPa，模型如图4 所示。

图4 钢筒体结构Fig.4 Structure model of the tower

为了简化问题，建模过程中进行了以下假定和简化处理：

（1）将钢筒体简化为一对称的圆柱筒体结构，事实上，筒体因施工和风化锈蚀等原因，并非完全对称；

（2）假定切面平整；

（3）忽略基础刚度的影响，假定筒体底部为完全固结。

3.2 切口角度对钢筒体定向倾倒的影响

为研究不同切口角度对钢筒失稳倒塌的影响，在离地0.5m高度处，先切一个120°弧形切口，切口高约1m，再左右同时周向切割，周向切割总角度分别取230°、250°、270°，切口形状如图1 所示。

分析发现切口角度为230°时，筒体未倒塌，此后逐渐将切割角度增大，直到250°时结构出现倒塌，分析结果如图5、图6 所示。

图5 周向切割250°时结构应力变化Fig.5 Structural stress variation diagram when circumferentially cutting at 250 °

图6 周向切割250°时结构底部应力Fig.6 Structural stress variation diagram when circumferentially cutting at 250 °

钢筒的定向倒塌可以分为4 个阶段，拆除切口形成阶段、失稳倒塌阶段、自由塌落阶段、触地阶段。由图5、图6 可知，t＝0s时，拆除切口形成。切口形成初期，预留支撑截面整体受压，切口边缘处（B、C点）出现应力集中，应力值为355MPa，之后压应力达到屈服强度355MPa 的区域逐渐扩大，结构在重力的作用下开始转动倾倒，预留支撑截面A处拉应力随之达到355MPa；t＝6s时，筒体底部大范围应力达到355MPa，筒体高度方向上应力达到355MPa 的区域也不断增大，结构底部逐渐进入弹塑性阶段，进而失稳；t＝12s时，拆除切口前部触地，切口闭合（切口上边缘在竖向变形的作用下，进入切口下部区域，称之为切口闭合），结构进入自由塌落阶段；t＝15s时，筒体大部分触地，整个倒塌过程历时约15s。

此后，继续加大切割角度至270°，分析钢筒倒塌过程，结果发现其倒塌过程与250°时类似，只是倒塌历时减少，t＝12s 时，筒体大部分触地，整个倒塌过程历时约12s。

由此可知，随着切口角度的增大，筒体底部提前进入弹塑性阶段，切口闭合时间逐渐减小，结构触地时间和整个倒塌历时也随之减小。与理论分析结果相对比，有限元模拟倒塌所需最小切除角度为250°，与数值计算所得246°基本一致，可论证有限元的正确性。

3.3 风荷载对钢筒体结构定向倾倒的影响

采用ABAQUS软件，对一至四级风下钢筒定向倒塌过程进行分析。不同风级下结构倒塌所需最小切口角度及倒塌历时如表3 所示。

表3 风荷载下钢筒倒塌过程Tab.3 Collapse process of steel tube under wind load

由表3 可知，随着风荷载的增加，倒塌所需切口角度减小，倒塌历时也随之减小，四级风下当切口角度大于235°时，结构出现倒塌，历时约13s，有限元计算结果与理论计算结果较为接近。因此，实际拆除时，可通过风速仪等关注风向及风速值，使切口尽可能位于背风向，同时结合风荷载大小选取切口角度。尽量在微风下拆除结构，以免发生不必要的危险。如有必要，可边切除边拿木板等支撑筒体，待切除至最小切除角度以后点火烧木板使结构倒塌。