高聳鋼筒結(jié)構(gòu)定向拆除影響參數(shù)研究

劉慧群

同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司 上海200092

引言

鋼筒結(jié)構(gòu)為圓筒式高聳結(jié)構(gòu)，是石油化工、煉油等生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一。隨著城市的發(fā)展，不可避免地需要對其進(jìn)行拆除。定向傾倒是指利用建筑物自身的重力，將自身的重力勢能轉(zhuǎn)換為較大的沖擊能，使建筑物在某個瞬間失去承載能力，從而達(dá)到破壞建筑物的目的。該方法安全、高效、成本低，不需要高成本的復(fù)雜設(shè)備。

目前國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于定向拆除工藝的研究主要集中在鋼筋混凝土框架及煙囪、冷卻塔等的定向爆破倒塌研究。Isobea D［1］等利用自適應(yīng)變換積分法（ASI）自行編制了有限元程序，并以此對一爆破拆除的五層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。楊建國［2］利用ANSYS有限元程序，對一棟多層框架結(jié)構(gòu)的爆破倒塌過程進(jìn)行了動態(tài)仿真，仿真計算結(jié)果與實際倒塌過程基本一致。Stangenberg和Friedhelm［3］則通過建立煙囪爆破拆除模型解決實際工程中的具體問題。李烏江，苗吉軍［4］等結(jié)合工程實例，分析混凝土煙囪爆破拆除數(shù)值方法的優(yōu)缺點。盧子冬［5］運用力學(xué)推導(dǎo)、數(shù)值模擬與工程類比的方法，以煙囪、冷卻塔和框架結(jié)構(gòu)樓房為例，對建（構(gòu)）筑物倒塌機理和倒塌過程各階段的力學(xué)變化進(jìn)行了深入探討。褚懷保、徐鵬飛［6］等以高速攝影監(jiān)測、數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，對150m高煙囪爆破拆除倒塌過程進(jìn)行研究，結(jié)果表明爆破切口形成后保留筒壁須有0.5s～3.0s穩(wěn)定階段以保證在荷載重分布過程中中性軸的穩(wěn)定形成。劉世波［7］采用有限元軟件分析不同切口形狀對煙囪倒塌的影響。

國內(nèi)學(xué)者對鋼筒定向倒塌進(jìn)行了一定的研究。余家楊［8］基于材料力學(xué)原理建立了鋼結(jié)構(gòu)煙囪爆破拆除的力學(xué)模型，并結(jié)合ANSYS／LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值模擬，與理論計算進(jìn)行對比分析。劉丁等［9］結(jié)合工程實例，探討鋼結(jié)構(gòu)煉鋼高爐拆除方案的選擇，以及爆破剪切切口參數(shù)、藥包計算及起爆網(wǎng)路設(shè)計的優(yōu)化，為實施類似鋼結(jié)構(gòu)特種切割拆除爆破提供借鑒與參考。

目前國內(nèi)外關(guān)于鋼筒體結(jié)構(gòu)的定向拆除研究不多，且大多不考慮風(fēng)荷載的影響。本文以100m高的鋼筒結(jié)構(gòu)為研究對象，通過理論分析、數(shù)值模擬研究不同切口尺寸及風(fēng)荷載對鋼筒定向傾倒的影響。

1 工程概況

選取高度為100m 的鋼筒為研究對象，筒體外徑為5m，壁厚30mm，材料為Q355B，結(jié)構(gòu)總重量約380t。

本文所選用定向拆除方案為在離地0.5m 高度處，先切一個120°弧形切口，切口高約1m，再左右同時周向切割，周向切割總角度為θ，切口形狀如圖1 所示。

《建設(shè)工程施工現(xiàn)場安全防護、場容衛(wèi)生及消防保衛(wèi)標(biāo)準(zhǔn)》［11］第2.13.11 條規(guī)定，雨、雪、霧天氣及風(fēng)力大于四級（含四級）時不得進(jìn)行拆除作業(yè)。因此本文考慮一至四級風(fēng)對結(jié)構(gòu)倒塌的影響。結(jié)構(gòu)所在地面粗糙度為B 類，根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50135—2019）［12］塔身風(fēng)荷載如表1 所示。

2 理論分析

鋼筒結(jié)構(gòu)切口形成之前，在重力作用下，筒體斷面均勻受壓，而在切口形成之后，斷面處為偏心受壓構(gòu)件，計算簡圖如圖2 所示。由圖2 可知，偏心荷載作用下，A點處拉應(yīng)力最大，B、C點處壓應(yīng)力最大，且B、C點處壓應(yīng)力值大于A點處拉應(yīng)力值。假定重力對斷面形心的偏心矩為e，根據(jù)材料力學(xué)原理可知，截面最大壓應(yīng)力值σcmax、拉應(yīng)力值σtmax如式（1）、式（2）所示。其中e、Iy如式（3）、式（4）所示。

圖2 計算簡圖Fig.2 Calculation diagram

式中：G為結(jié)構(gòu)自重；A為切面處有效面積；R為筒體外半徑；r為筒體內(nèi)半徑；e為偏心矩。

由式（1）、式（2）計算所得結(jié)構(gòu)底部切口處拉壓最大應(yīng)力如表2 所示，由表2 可知，不考慮風(fēng)荷載時，當(dāng)切口角度取246°時，切口處最大壓應(yīng)力為363.5MPa，大于屈服強度355MPa，此時結(jié)構(gòu)出現(xiàn)倒塌。

表2 無風(fēng)荷載時不同切口角度下截面最大應(yīng)力Tab.2 The max-stress of the section in different incision angle without wind load

環(huán)境風(fēng)荷載無處不在，當(dāng)風(fēng)荷載與傾倒方向同向時，風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)底部產(chǎn)生的傾覆彎矩與重力引起的偏心彎矩同向，二者的疊加作用會使結(jié)構(gòu)更早出現(xiàn)倒塌破壞。因此有必要對風(fēng)荷載下鋼筒的定向傾倒進(jìn)行研究。考慮風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)的影響時，截面最大壓應(yīng)力值σcmax、拉應(yīng)力值σtmax如式（5）、式（6）所示。

式中：M為風(fēng)荷載在切面高度處引起的彎矩。

根據(jù)式（5）、式（6）計算筒體在一至四級風(fēng)下不同切口角度筒體最大壓應(yīng)力如圖3 所示。由圖3 可知，同一切口角度，隨著風(fēng)荷載的增加，截面最大壓應(yīng)力增大，結(jié)構(gòu)倒塌所需切口角度減小。不考慮風(fēng)荷載時，筒體在切口角度246°左右發(fā)生破壞，一級風(fēng)由于風(fēng)荷載較小，結(jié)果與不考慮風(fēng)荷載時類似；二級風(fēng)下，筒體在243°附近發(fā)生破壞；三級風(fēng)下，筒體在239°附近發(fā)生破壞；四級風(fēng)下，筒體在232°附近發(fā)生破壞。

圖3 筒體最大壓應(yīng)力Fig.3 The maximum compressive stress value of cylinder

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬方法

ABAQUS由兩個主求解模塊ABAQUS／Standard和ABAQUS／Explicit 以及一個人機交互前后處理模塊ABAQUS／CAE（Complete ABAQUS Environment）組成，可分析工程中各種復(fù)雜的線性和非線性問題。本文采用ABAQUS軟件研究不同缺口大小的鋼筒結(jié)構(gòu)失穩(wěn)倒塌過程。

建模時長度單位為mm，時間單位為s，質(zhì)量單位為t，壓力單位為MPa。以豎直向上為Z軸正向，采用S4R 殼單元建模，網(wǎng)格密度取0.2m。不考慮基礎(chǔ)剛度作用，筒體底部固結(jié)。材料密度為7.85 × 10-9t／mm3，屈服應(yīng)力為355MPa，模型如圖4 所示。

圖4 鋼筒體結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure model of the tower

為了簡化問題，建模過程中進(jìn)行了以下假定和簡化處理：

（1）將鋼筒體簡化為一對稱的圓柱筒體結(jié)構(gòu)，事實上，筒體因施工和風(fēng)化銹蝕等原因，并非完全對稱；

（2）假定切面平整；

（3）忽略基礎(chǔ)剛度的影響，假定筒體底部為完全固結(jié)。

3.2 切口角度對鋼筒體定向傾倒的影響

為研究不同切口角度對鋼筒失穩(wěn)倒塌的影響，在離地0.5m高度處，先切一個120°弧形切口，切口高約1m，再左右同時周向切割，周向切割總角度分別取230°、250°、270°，切口形狀如圖1 所示。

分析發(fā)現(xiàn)切口角度為230°時，筒體未倒塌，此后逐漸將切割角度增大，直到250°時結(jié)構(gòu)出現(xiàn)倒塌，分析結(jié)果如圖5、圖6 所示。

圖5 周向切割250°時結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化Fig.5 Structural stress variation diagram when circumferentially cutting at 250 °

圖6 周向切割250°時結(jié)構(gòu)底部應(yīng)力Fig.6 Structural stress variation diagram when circumferentially cutting at 250 °

鋼筒的定向倒塌可以分為4 個階段，拆除切口形成階段、失穩(wěn)倒塌階段、自由塌落階段、觸地階段。由圖5、圖6 可知，t＝0s時，拆除切口形成。切口形成初期，預(yù)留支撐截面整體受壓，切口邊緣處（B、C點）出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力值為355MPa，之后壓應(yīng)力達(dá)到屈服強度355MPa 的區(qū)域逐漸擴大，結(jié)構(gòu)在重力的作用下開始轉(zhuǎn)動傾倒，預(yù)留支撐截面A處拉應(yīng)力隨之達(dá)到355MPa；t＝6s時，筒體底部大范圍應(yīng)力達(dá)到355MPa，筒體高度方向上應(yīng)力達(dá)到355MPa 的區(qū)域也不斷增大，結(jié)構(gòu)底部逐漸進(jìn)入彈塑性階段，進(jìn)而失穩(wěn)；t＝12s時，拆除切口前部觸地，切口閉合（切口上邊緣在豎向變形的作用下，進(jìn)入切口下部區(qū)域，稱之為切口閉合），結(jié)構(gòu)進(jìn)入自由塌落階段；t＝15s時，筒體大部分觸地，整個倒塌過程歷時約15s。

此后，繼續(xù)加大切割角度至270°，分析鋼筒倒塌過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其倒塌過程與250°時類似，只是倒塌歷時減少，t＝12s 時，筒體大部分觸地，整個倒塌過程歷時約12s。

由此可知，隨著切口角度的增大，筒體底部提前進(jìn)入彈塑性階段，切口閉合時間逐漸減小，結(jié)構(gòu)觸地時間和整個倒塌歷時也隨之減小。與理論分析結(jié)果相對比，有限元模擬倒塌所需最小切除角度為250°，與數(shù)值計算所得246°基本一致，可論證有限元的正確性。

3.3 風(fēng)荷載對鋼筒體結(jié)構(gòu)定向傾倒的影響

采用ABAQUS軟件，對一至四級風(fēng)下鋼筒定向倒塌過程進(jìn)行分析。不同風(fēng)級下結(jié)構(gòu)倒塌所需最小切口角度及倒塌歷時如表3 所示。

表3 風(fēng)荷載下鋼筒倒塌過程Tab.3 Collapse process of steel tube under wind load

由表3 可知，隨著風(fēng)荷載的增加，倒塌所需切口角度減小，倒塌歷時也隨之減小，四級風(fēng)下當(dāng)切口角度大于235°時，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)倒塌，歷時約13s，有限元計算結(jié)果與理論計算結(jié)果較為接近。因此，實際拆除時，可通過風(fēng)速儀等關(guān)注風(fēng)向及風(fēng)速值，使切口盡可能位于背風(fēng)向，同時結(jié)合風(fēng)荷載大小選取切口角度。盡量在微風(fēng)下拆除結(jié)構(gòu)，以免發(fā)生不必要的危險。如有必要，可邊切除邊拿木板等支撐筒體，待切除至最小切除角度以后點火燒木板使結(jié)構(gòu)倒塌。

4 結(jié)論

本文結(jié)合工程實例，采用ABAQUS有限元軟件，分析無風(fēng)荷載及一至四級風(fēng)下鋼筒結(jié)構(gòu)定向倒塌過程，得到以下結(jié)論：

1.鋼筒結(jié)構(gòu)的定向倒塌可以分為4 個階段，切口形成階段、失穩(wěn)倒塌階段、自由塌落階段、觸地階段。隨著切口角度的增大，結(jié)構(gòu)底部提前進(jìn)入彈塑性階段，切口閉合時間逐漸減小，結(jié)構(gòu)觸地時間和整個倒塌歷時都隨之減小。

2.對于100m高的鋼筒結(jié)構(gòu)，不考慮風(fēng)荷載的作用，當(dāng)切口角度≥250°時，結(jié)構(gòu)開始倒塌，隨著切口角度的增大，切口閉合所需時間逐漸變小，當(dāng)切口角度從250°增大到270°時，倒塌歷時從15s減小至12s。

3.隨著風(fēng)荷載的增加，倒塌所需切口角度減小，倒塌歷時也隨之減小，四級風(fēng)下當(dāng)切口角度大于235°時，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)倒塌，歷時約13s。

4.理論分析結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果較為接近，可論證有限元的正確性。

5.實際拆除時，應(yīng)關(guān)注環(huán)境風(fēng)荷載，選取相應(yīng)的切口角度，以免發(fā)生不必要的危害。