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1、第41卷第6期Vol.41，No.62015年12月SichuanBuildingMaterialsDecember，2015钢结构烟囱爆破拆除力学模型对比研究余家杨(解放军理工大学野战工程学院,江苏南京210007)摘要:基于两个材料力学原理建立了钢结构烟囱爆式中,I′为承载断面对y轴(见图1)的惯性矩。z破拆除的力学模型,并运用实际爆破拆除案例对两个模型进行计算验算分析;结合ANSYS/LS-DYNA进行数值模zy拟,与理论计算进行对比分析;引入冲击动荷因数对模型进行了修正,分析总结了不同模型的优劣,为以后钢烟囱的爆破切口最小圆心角
2、的选取提供理论依据。0R关键词:钢结构烟囱;力学模型;爆破拆除αr中图分类号:TU746．5文献标志码:BOz文章编号:1672-4011(2015)06-0063-03DOI:10.3969/j.issn.1672-4011.2015.06.0330前言z′钢结构烟囱作为烟囱的一种,其特点是壁薄、强度大、图1计算示意图[1]整体性强、自重小。虽然钢烟囱在材料和结构等方面与如图1所示,筒体承载截面的应力分布以中性轴为界,砖烟囱和混凝土烟囱不同,但是仍属于高耸筒式构筑物。中性轴左侧为拉应力区,右侧为压应力区,最大拉应力和这类构筑物的特点是
3、重心高而支撑面积小,因此,很容易最大压应力发生在中性轴最远的左右端点处,分别记为在重力的作用下倾倒失稳。对于高耸筒式构筑物的倾倒失σ,σ,则有:tmaxcmax稳理论,目前的理论研究比较多,都是通过建立适当的力GGe(e-Rcosθ)学模型,以确定高耸筒式构筑物爆破拆除时的切口参数,σcmax=--(3)AIz包括切口圆心角等。因此,钢烟囱的爆破拆除切口参数也GGe(R-e)σ=-+(4)可以通过建立力学模型来确定。tmaxAIz由公式(3)、(4)可见最大拉、压应力与切口截面大1力学模型的确定小成反比,与筒体高度、密度成正比,与切角、
4、壁厚大小1．1基于筒体材料抗拉、抗压强度的模型[2-3]密切相关,对于具体的工程实例,筒体高度、密度、壁厚钢烟囱施爆前,烟囱本身的重力作用在其中心线上,以及切口处半径均是已知,而切口截面大小仅是切角的函烟囱各断面上承受着均匀的压缩作用。烟囱切口形成后,数。因此,由公式(3)、(4)可见,对于具体的工程实例[3]切口处的烟囱承载面发生变化(如图1),而且承载截面的应最大拉、压应力与切角大小具有近似线性关系。力分布也发生变化,这时的承载面相当于受到偏心压缩。显然在数值上压应力大于拉应力,所以右侧受压区首此时偏心压力为烟囱本身的重力G,对承载
5、截面形心的偏心先发生屈服,因此对于钢烟囱,其发生倾倒失稳的条件为:距为e,由定义有:σcmax≥σs(5)Rπ+θGGe(e-Rcosθ)即+≥σ(6)2AIszdA∫∫ρcosθdρdθz∫2sinθ(R3-r3)rπ-θ式中,σ为筒身材料的屈服极限。e===-(1)sA2222θ(R-r)3θ(R-r)[2]1．2基于筒体材料抗弯强度的模型由筒体重力对支撑体偏心压缩产生的弯矩应大于或等筒体承载截面对形心轴Zc的惯性矩I,根据惯性矩平移z于承载截面的极限抗弯力矩,即:公式有:M≥M(7)2GRI=I′-Aezz根据偏心压缩理论,M=G
6、e,其中e可由(1)式求出。承G22=∫zdA-Ae载截面极限抗弯矩为中性轴两侧截面抗压和抗弯矩之和,假Rπ+θ定截面上各处同时达到最大屈服应力σ,则截面最大抗弯矩s322=∫∫ρcosθdρdθ-Ae为:rπ-θαθ44=R-r(2θ+sin2θ)-θ(R2-r2)e2M=2(Rcosθ-e)σdA+2(e-Rcosθ)σdAR∫s∫s80α2=2(R-r)Rσ(2sinα-sinθ)+2e(R-r)Rσ(θ-ss作者简介:余家杨(1988-),男,江苏南京人,在读硕士研究生,主要2α)(8)研究方向:爆破拆除研究。但实际中截面在受到
7、纯弯矩时,其表面的应力分布如图·63·Vol.41，No.6第41卷第6期December，2015SichuanBuildingMaterials2015年12月2中箭头所示,如果用假定截面上各处同时达到最大屈服应DYNA软件,以上例为模型进行验证。钢材的密度取7．8×33力σ,则最后的结果会多出图2中的阴影部分,根据几何对10kg/m,泊松比取0．3,E取200GPa,由于钢烟囱为薄s称性可知,M应当除以2才是实际的值,所以由M≥M可壁结构,因此,模型单元选择shell163单元。模拟初始切RGR得:口圆心角选择235°,依次减小切
8、口圆心角进行模拟。结果GR(2sinα-sinβ)显示,在切口圆心角为235°~196°之间,模型顺利实现倾≥+(θ-2α)(9)(R-r)Rσes倒,如图3。LS-DYNAuserinputLS-DYNA
