王牌 土木工程的发展 1687 - 8094 1687 - 8086 Hindawi 10.1155 / 2021/5511959 5511959 研究文章 研究碾压混凝土构件通过高压脉冲放电技术 https://orcid.org/0000 - 0002 - 8614 - 9847 王 小东 https://orcid.org/0000 - 0003 - 3035 - 9500 杜 嘉旭 https://orcid.org/0000 - 0001 - 5480 - 6497 李 Ningjing Smarzewski 彼得亚雷 学校的建筑和土木工程 哈尔滨科技大学 哈尔滨150080 中国 hrbust.edu.cn 2021年 24 5 2021年 2021年 22 2 2021年 30. 4 2021年 7 5 2021年 24 5 2021年 2021年 版权©2021王晓东et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

高压脉冲放电(HVPD)是一种节能、高效、和绿色技术,在混凝土破碎前景广阔。有限元模型的混凝土梁,板,柱段与ANSYS / LS-DYNA有限元软件建立了。基于平等原则的冲击压力,造成保险丝爆炸所产生的冲击波HVPD 50 kJ相当于炸药爆破荷载的影响,混凝土梁段的应力进行了分析。混凝土梁段有限元模型的建立探讨孔的直径和间距的影响混凝土梁段的破碎效果。每个梁段的宽度×高度是400毫米×800毫米,和有六个类型的梁段长度:600毫米,700毫米,800毫米,900毫米,1000毫米和1100毫米。两个洞都钻垂直表面的宽度×每个梁段的长度。相对应的孔间距梁段的长度类型是200毫米,300毫米,400毫米,500毫米,600毫米和700毫米。每个梁段的井深650毫米,有三种类型的孔径:30毫米,50毫米和70毫米。分析结果表明,混凝土梁段的破碎效果增加而增加的孔径和孔间距的减少。根据梁段的粉碎效果,50毫米的孔,400毫米的间距,和250毫米的洞结束(边缘)间距确定最优孔布局方案。 The finite element models of concrete slabs and columns were established. The square concrete slab thickness is 140 mm and side length is 700 mm, 800 mm, and 900 mm, respectively. Double-row holes were arranged in the slabs and the aperture is 50 mm and the hole spacing is 200 mm, 300 mm, and 400 mm, respectively. The section sizes of concrete columns are 500  mm × 500  mm, 600  mm × 600  mm, and 700  mm × 700  mm, respectively, and the aperture is 50 mm and the hole distance is 400 mm. According to the results of analysis, the optimal hole distribution scheme of concrete slab and column is chosen as the aperture of 50 mm and hole distance of 400 mm. The principle of the layout of multirow holes is that the spacing of row is not more than 400 mm, and the margin is not more than 250 mm.

 中国国家重点研发项目 2017年yfc0806100 1。介绍

HPVD指的是低功率能量的积累一段时间,然后在短时间内释放高功率能量( 1]。在20世纪中期,苏联利用水力影响拆除混凝土基础的原则,但它不是推广( 2]。然后,乌克兰科学院开发了电动液压破碎设备,拆除整个混凝土砌块与3 m公司的效率3/小时。莫斯科电力专业安装公司采用了一种新型的化学混合电解质的应用设备。电解液HPVD后化学反应后可以释放额外的能量,从而增加压力作用时间对混凝土结构的影响和改善混凝土拆除6∼8 m的能力3/小时( 3]。布鲁姆等人从德国卡尔斯鲁厄研究中心开发了一个半成品原型混凝土破碎和回收。设备可以用来回收大量的混凝土压碎后,和工作效率可以达到1000公斤/小时( 4]。2000年之后,俄罗斯科学院已研发了一种HPVD装置,可用于电液的破碎效果。该设备可以在混凝土形成强大的冲击波打超前钻眼,使其破碎,具有重要的工程应用价值( 5]。日立造船有限公司,在日本制造ESG-7K2放电冲击发电设备( 6),已应用于混凝土和砖石建筑的拆迁,道路和桥梁结构的维护,岩石破坏,水下清理和其他实际项目,并取得了良好的结果。设备的能源消耗是0.1 - -0.2 kW·h / m3。NASA还使用HPVD开采月球的岩石破碎技术。持续改进的脉冲功率的研究水平,HPVD破碎技术逐渐扩展到采矿工程、环境工程、岩土工程、结构工程、等,显示出良好的应用前景。

随着城市化进程的加速,拆迁的需求不断上升,原因如下:

生活环境的需求一直在增加。把中国作为一个例子,有超过600亿米2现有的建筑( 7),前面的小房间,列网,和公寓不再能满足生产和生活的高要求。

建筑结构设计的可靠性水平很低在过去,和可靠性水平的结构和材质的变化随着时间的减少。所以,建筑不安全。根据初步调查,30%在中国-50%的建筑物已经有一些问题,如功能退化或安全失败( 8),需要拆除。

一些建筑物必须被拆除,因为发展的城市规划和道路网规划。

HPVD技术具有效率高、污染低,噪声控制,没有有害气体( 9- - - - - - 11]。它可以弥补传统机械、爆破等混凝土破碎技术成本高,长时间,效率低的缺点 12),特别适用于环境,安全限制要求较高的人口密集地区。

虽然有一些HVPD技术实验研究,实验数据是不够的,主要用于岩石破碎的目的( 13- - - - - - 15]。岩石和混凝土之间有很大的差异在力学性能和材料组成,所以研究结果从岩石破碎不能直接应用于混凝土,以及从岩石的物质成分可以被认为是由一个单一的材料;混凝土材料组成更为复杂( 16]。因此,混凝土梁的有限元分析模型,建立了板,和列部分通过ANSYS / LS-DYNA软件。HPVD形成的冲击载荷应用于混凝土构件来分析整个过程。不同参数对粉碎效果的影响检查,如孔直径、间距、行间距,和结束(边缘)的间距。然后,混凝土结构破碎HVPD技术提出了最优方案。

 2。HVPD破碎原理

有三种类型的HVPD破碎技术如下:

2.1。保险丝爆炸法

保险丝爆炸破坏的方法,钻头插入的破碎的物体,以及两个电极之间的金属熔丝伤口的钻头。连接高压冲击电流在温度急剧上升,从保险丝和等离子体形式,迅速扩张。然后,周围的对象是受到强烈的冲击载荷,它将被打破 17]。

 2.2。电液效果的方法

苏联学者提出的这种方法是Yutkin应用于冲压,压碎,砂铸件的清理。主要的工作是钻孔的过程对象,并把放电电极放入洞充满了电解质(通常是硫酸铜)。介绍了高压脉冲电流时,电解液中的电子和分子碰撞,导致电子雪崩,转化为等离子体。等离子体膨胀瞬间和施加压力产生影响周围的对象,然后打破造成[ 18]。

 2.3。直接放电法

通过这种方法,对象是浸没在电解液,表面上的两个电极放置在一定的间距。脉冲电压时,电极之间的内部对象的分解,形成一个等离子体通道。然后,对象将等离子体的膨胀(抛锚了 19]。

与上述三种破碎方法相比,直接放电方法需要最高输出电压,体积,重量,设备成本也最高。经常被用于大规模岩石开挖等工程。电液效果方法提高电解液的质量要求。因此,在手术过程中,电解液不能被分解。不仅影响施工效率,还可能导致高压电流故障设备,导致安全事故。保险丝爆炸技术具有良好的放电可靠性、低电压,体积小,成本和更适合建筑工程。本文研究了混凝土破碎理论技术的基础上融合爆炸。

 3所示。HVPD混凝土破碎模型

基于HVPD引起的冲击载荷的特点,整个过程的混凝土梁,板,柱由ANSYS / LS-DYNA软件模拟和分析。

3.1。材料模型

假定混凝土材料和各向同性,平均和钻孔的密封材料覆盖,防止冲压具有相同的物理特性作为促进发展的观察混凝土的裂缝。MAT_72R3 (Concrete_Damage_Rel3)是采用模拟混凝土,可以反映混凝土构件在冲击载荷的动态响应( 20.),单位长度是10毫米。的屈服面本构关系MAT_72R3模型如图 1。从图可以看出 1该模型由三部分组成:初始屈服面,破坏面,表面残余强度( 21]。

MAT_72R3材料模型。(一)混凝土的屈服面模型。(b)混凝土的本构关系模型。

模型可以模拟的变化之间的后继屈服面初始屈服面和最终屈服面和模拟的变化软化表面表面极限强度和残余强度之间的表面( 22]。Concrete_Damage模型相似,损伤参量引入屈服面和软化表面的随后的公式,和张力和压缩的区别,应变率效应,在三轴压力和体积损伤效果被认为是( 23]。混凝土的损伤和应变率效应冲击载荷下可以有效地考虑。EOS8模型介绍了考虑应变率的影响混凝土的屈服强度和损伤。该模型反映了静水压力之间的函数关系和混凝土的体积应变张力和压缩 24]。

裂缝的发展是被添加的故障判据 ∗ MAT_ADD_EROSION。定义失败的最大拉应力可能过早删除元素,这些元素的压缩和剪切效应,达到最大主应力不能考虑。过早的元素可以通过定义拉伸应力的最大失败。混凝土的开裂引起的紧张可能被夸大了,因为它是不可能考虑删除元素的压缩和剪切效应达到最大主应力。通过定义的最大主应变和破坏应变控制混凝土的删除元素,可以有效地模拟混凝土的开裂。

 3.2。应用冲击载荷

电液造成的冲击压力效应是受到很多因素的影响,如峰值压力、电路电容,放电电压。释放能量的放电设备直接影响压力的影响。基于实验结果冲击波放电特性的液体由Touya [ 25),冲击压力的经验公式 P在洞的环形方向所示以下方程: (1) P = 9000年 d E 1 0.35 。

在这个公式, E1等于在液体和能量释放 d等于卸货点和测试点之间的距离。

基于平等原则的冲击压力,负载的影响HVPD相当于TNT炸药爆炸产生的冲击波,这在一个圆形的侧墙钻孔方向。的模型 ∗ MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料建成的用于模拟、ls - dyna程序和产生的冲击波可以传播作为一个汽缸从钻孔。模型的状态方程所示以下方程: (2) P = 一个 1 − ω R 1 V 经验值 − R 1 V + B 1 − ω R 2 V 经验值 − R 2 V + ω E 0 V 。

在这个公式, 一个, B, R1, R2, ω是常数决定的测试,例如,TNT炸药密度为1.2克/厘米吗3可以被视为 一个= 741 GPa, B= 689 GPa, ω= 0.35, R1= 5.56, R2= 1.65 ( 26];V是相对体积,炸药产品的膨胀体积比初始体积;和 E0是最初的内部能量密度。

 4所示。HVPD破碎混凝土构件的测试 4.1。测试设备

HPVD设备设计和制造来验证HVPD破碎混凝土结构的影响,如图 2。设备由球隙放电开关、变压器、电容器、控制台、配电箱等。最大充电电压100 kV,单一的峰值能量释放是100 kJ。放电电极图所示 3。

高压脉冲发生器。

放电电极。

 4.2。标本的参数

混凝土的抗压强度是40 MPa,抗拉强度为3.8 MPa,密度为2300公斤/米3弹性模量是33.0的绩点,泊松比是0.25。

4.2.1。准备混凝土块

混凝土立方体试块的断面尺寸是300 mm×300 mm×300 mm,钻一个洞的上表面垂直的中心混凝土块直径40毫米和270毫米的深度。

 4.2.2。一个钢筋混凝土板

广场混凝土板的边长是1600毫米和140毫米厚度。纵向钢筋直径8毫米和200毫米的间距排列板在两个方向上。钢筋的抗拉屈服强度380 MPa。行距离是400毫米的洞,洞口直径40毫米,孔深度是120毫米。的距离最外层孔板的边缘是200毫米。

 4.2.3。一个钢筋混凝土柱

混凝土的截面尺寸测试列 b× h= 600毫米×600毫米,长度是2.4米。8纵向钢筋直径14毫米统一安排在列。两排孔钻沿着一侧的上表面垂直的列。两排的间距为200毫米,每排孔的间距为300 mm,孔的直径是400毫米,570毫米孔的深度,最外层的距离洞的边缘列是200毫米。

 4.3。测试计划

HVPC破碎测试的步骤是首先在混凝土构件钻洞,然后将洞填满水并插入电极。然后,高压和低压电极的两端与铝电线。盖的孔是密封的,然后高压脉冲电源连接形成一个混凝土构件。HVPD造成的脉冲压力的工作原理如图 4。

HVPD造成的冲击压力。

 4.4。分析测试结果

的开裂影响测试混凝土砌块,板,和列HVPD方法,由ANSYS / LS-DYNA有限元分析软件,与试验结果比较,如图 5- - - - - - 7。从数据可以看出 5- - - - - - 7混凝土裂缝的发展形成的仿真分析与实验结果同意。结果表明,本文建立的有限元模型具有一定的精度,裂缝发展。

比较实验结果和仿真结果的混凝土砌块。(一)试验结果。(b)仿真结果。

比较实验结果和仿真结果的混凝土板。(一)试验结果。(b)仿真结果。

比较实验结果和仿真结果为混凝土柱。(一)试验结果。(b)仿真结果。

 5。模拟HVPD破碎混凝土构件 5.1。的参数

根据混凝土构件的对称性,一段混凝土构件被模拟的简化计算。电解液,液体模拟中提供的洞,爆炸。的有效放电能量HVPD 50 kJ。洞的顶部被避免液体排出。

 5.2。分析计算结果 5.2.1。分析整个过程的混凝土梁单列洞

带着梁段单行的洞为例。断面尺寸是宽×高= 500毫米×800毫米,长度900毫米,50毫米孔径,孔间距为400毫米,最后(边缘)间距为250毫米。整个过程梁段冲击荷载下的分析结果如图所示 8。

整个过程加载的混凝土梁段与单行洞。(一) t= 55 μ年代。(b) t= 75 μ年代。(c) t= 85 μs (d)。 t= 95 μ年代。(e) t= 120 μ年代。(f) t= 160 μ年代。

从图可以看出 8(一个)在混凝土梁的初始阶段加载(0-55轴承的影响 μ,出现了小范围的环向压应力波在洞里。这时,周围没有裂缝形成的洞里。压力波传播的洞,微小的裂缝开始出现。但是压力波不相邻孔之间的相交( t= 75 μ,如图 8 (b)。应力波扩展,应力波相邻两个洞之间的相交。在应力波的交集,拉伸应力垂直于两个洞之间的界线,成立和裂缝主要集中在洞口周围扩展( t= 85 μ,如图 8 (c)。当 t= 95 μ年代,如图 8 (d)形成的拉应力,应力波的交集达到混凝土梁段的抗拉强度时,混凝土梁段是裂纹。但两个洞之间的裂缝没有连接。两个洞之间的纵向裂缝出现,基本上集中在洞和裂缝扩展到混凝土梁的外缘部分( t= 120 μ,如图 8 (e)。然后,两个相邻孔的裂缝扩展,形成一个连接,横向裂缝和洞为中心向外扩展的外缘。整个梁段分为几块,从而达到破碎效果。

 5.2.2。混凝土梁的整个过程的分析多排的孔

如果混凝土构件的断面尺寸大,多排孔应安排达到破碎效果。带着梁段两排孔为例。断面尺寸是宽×高= 900毫米×1200毫米,长度900毫米,50毫米孔径,孔间距为400毫米,最后(边缘)间距为250毫米。整个过程梁段冲击荷载下的分析结果如图所示 9。

整个过程加载的混凝土梁段双排孔。(一) t= 55 μ年代。(b) t= 75 μ年代。(c) t= 85 μs (d)。 t= 95 μ年代。(e) t= 120 μ年代。(f) t= 160 μ年代。

从图可以看出 9(一个)在最初的阶段(0-60 μs)混凝土梁钻孔冲击载荷时,周围的环向压应力波产生黑洞。这时,周围没有裂缝形成的洞里。如图 9 (b)( t= 95 μ,随着应力波扩展出洞,相邻孔之间的压力波开始相交。如图 9 (c)( t= 115 μ,拉应力形成的结垂直于两个相邻孔之间的压力波接口,伴随着微裂隙。裂缝扩展,这是关键时刻断裂之间的连接孔,如图 9 (d)( t= 125 μs),如图 9 (e)( t= 140 μ年代),裂纹扩展从孔的中心向外的外边缘混凝土梁段,和连接孔之间的裂缝。然后,混凝土梁段分为9个主要部分载荷的作用下,从而达到破碎效果。

 5.2.3。分析混凝土梁的仿真结果

混凝土梁的断面尺寸是宽×高= 400毫米×800毫米,和梁段的长度是600毫米,700毫米,800毫米,900毫米,1000毫米和1100毫米。两个洞钻垂直在×表面的梁段长度,宽度和深度的孔是公元650毫米孔径30毫米,50毫米和70毫米。沿梁长度方向井距为200毫米,300毫米,400毫米,500毫米,600毫米和700毫米。孔距是两个孔中心之间的距离,孔边距是孔中心距离的成员,和孔间距是孔中心之间的距离和左边或者右边的标本。

(1)分析仿真结果当孔径30毫米。混凝土梁的裂缝发展段与孔距 年代= 200毫米,300毫米,400毫米和500毫米计算,分别。孔间距对混凝土梁的裂缝影响部分进行了研究。光圈是30毫米,最后(边缘)间距为250毫米。计算结果如图所示 10。

仿真结果的光束具有不同孔间距30毫米孔径时。(一) 年代= 200毫米。(b) 年代= 300毫米。(c) 年代= 400毫米。(d) 年代= 500毫米。

从图可以看出 10孔间距的减小,混凝土梁段的破碎效果越来越明显。当孔间距为200毫米和300毫米,如图 10 ()和 10 (b),有许多和连接相邻孔之间的裂缝,横向裂缝从洞也扩展到混凝土梁的外缘部分。当孔间距为400 mm,如图 10 (c),两个洞之间的连接主要裂纹形成、横向裂缝从洞也扩展到混凝土梁段的外缘。当孔间距为500 mm,如图 10 (d),两个主要的纵向裂缝形成之间的两个相邻孔但没有连接,而两个横向裂缝形成沿混凝土梁段和扩展从洞外边缘的混凝土梁。根据上述分析,当孔距是400毫米或更少,孔径是30毫米,相邻孔连接之间的骨折。当洞结束(边缘)间距为250 mm,横向裂缝从孔的外边缘与混凝土梁段达到破碎效果。考虑到施工效率和经济因素,400毫米的孔距是最优方案。

(2)仿真结果分析时,孔径是50毫米。混凝土梁的裂缝发展段与孔距 年代= 200毫米,300毫米,400毫米,500毫米,600毫米,700毫米计算,分别。孔距的影响对混凝土梁的裂缝效果调查。光圈是50毫米,最后(边缘)间距为250毫米。计算结果如图所示 11。

仿真结果的光束具有不同孔间距时,孔径是50毫米。(一) 年代= 200毫米。(b) 年代= 300毫米。(c) 年代= 400毫米。(d) 年代= 500毫米。(e) 年代= 600毫米。(f) 年代= 700毫米。

从图可以看出 11孔间距的减小,混凝土梁段的破碎效果越来越明显。孔距200 mm时,有许多骨折和相邻孔之间的连接,如图 (11日)。当孔间距为300 mm,如图 11 (b),相邻孔之间的缝隙连接和扩展到外缘的混凝土梁段。当孔间距为400 mm,如图 11 (c),两个主要横向和纵向裂缝形成集中的孔,而扩展到边缘的混凝土梁连接。当孔间距为500 mm,如图 11 (d)、横向裂缝从孔没有完全连接。孔间距大于500 mm时,相邻孔之间的横向裂缝没有连接,如图 11 (e)和 11 (f)。所以,400毫米的孔距是最优方案。

(3)分析仿真结果当孔径70毫米。混凝土梁的裂缝发展段与孔距 年代= 200毫米,300毫米,400毫米,500毫米,600毫米,700毫米计算,分别。孔间距对混凝土梁的裂缝影响部分进行了研究。光圈是70毫米,最后(边缘)间距为250毫米。计算结果如图所示 12。

仿真结果的光束具有不同孔距当孔径70毫米。(一) 年代= 200毫米。(b) 年代= 300毫米。(c) 年代= 400毫米。(d) 年代= 500毫米。(e) 年代= 600毫米。(f) 年代= 700毫米。

从图可以看出 12孔间距的减小,混凝土梁段的破碎效果越来越明显。当孔间距为200 mm,如图 12(一个),许多细微骨折周围生成洞,但是没有中生成压缩骨折区之间形成黑洞。当孔间距为300 mm,如图 12 (b),横向裂缝扩展到从洞外边缘混凝土梁段连接。当孔间距为400 mm,如图 12 (c)、横向裂缝从孔连接,延长混凝土梁的边缘。当孔间距为500 mm,如图 12 (d)、横向裂缝从孔扩展到混凝土梁段的边缘,但裂缝两孔之间的连接孔没有完全连接。孔间距大于500 mm时,两个相邻孔之间的横向裂缝没有连接,如图 12 (e)和 12 (f)。所以,400毫米的孔距是首选方案。

基于上述分析,可以看出,随着孔直径的增加,孔间距的减少,混凝土梁段的破碎效果增强。当孔间距小于400毫米,每个光圈下的混凝土梁可以有效地打破了。考虑到常见的孔径结构,合理的混凝土破碎尺寸,和工作效率,建议取50 mm的孔径和孔距离400 mm的最佳方案。

 5.2.4。分析混凝土板的仿真结果

对混凝土板部分,最后(边缘)间距为250毫米,140毫米厚度,孔径深度是120毫米。孔间距下的300毫米,400毫米,500毫米,破碎板与50毫米孔径的影响如图所示 13。

仿真结果的混凝土板具有不同孔间距。(一) 年代= 200毫米。(b) 年代= 300毫米。(c) 年代= 400毫米。

从图可以看出 (13日),当孔间距 年代= 300毫米,相邻孔之间的缝隙连接和生成斜裂缝,而裂缝扩展到混凝土板的外缘部分,粉碎效果好。如图 13 (b),当孔间距 年代= 400毫米,相邻孔之间的裂缝和扩展连接到混凝土板的外缘部分。如图 13 (c),当孔间距 年代= 500毫米,相邻孔之间的裂缝都没有连接,裂缝扩展到从洞外板的边缘。总之,破碎效果和经济效益是最好的孔距 年代= 400毫米。

 5.2.5。混凝土柱的分析仿真结果

混凝土柱可以钻纵向一方面,类似于混凝土梁。然而,列宽一般大,单个行无法达到的漏洞可能导致裂缝边缘的列。三种类型的建立了混凝土柱截面尺寸: b× h= 400毫米×400毫米,500毫米×500毫米,600毫米×600毫米。洞的边缘间隔的列与断面尺寸400毫米×400毫米200毫米,在列断面尺寸500毫米×500毫米250毫米,而在柱断面尺寸为600毫米×600毫米300毫米。每种类型的列的孔距是400毫米,孔径是50毫米。计算结果如图所示 14。

仿真结果的混凝土柱间距与不同的优势。(一) b= 400毫米。(b) b= 500毫米。(c) b= 600毫米。

从图可以看出 14,当孔间距为400 mm,骨折两个洞之间的联系。从数据可以看出 (14日)和 14 (b)当洞的边缘间距小于250毫米,裂缝从孔中心扩展到列的侧表面有效分割。图 14 (c)显示,当洞的边缘间距为300 mm,裂缝从孔中心没有扩展到列的侧表面,因此,混凝土柱不能有效地划分。建议当混凝土柱的断面尺寸500毫米或更少,可以选择孔的一行;否则,洞应该选择多行。洞的布局原则是行距离不超过400毫米,边间距不超过250毫米。

 6。结论

根据有限元分析的结果,增加的孔直径和孔间距的减小,提高混凝土构件的破碎效果。

在不同条件下的30毫米,直径50毫米和70毫米,当孔间距不超过400毫米,孔之间的裂缝的混凝土梁连接,当钻井结束之间的距离(边)的混凝土梁是250毫米,从钻井裂缝可以扩展到最后(边)的光束达到破碎效果。考虑到常见的孔径和施工效率在实际施工,建议采取50毫米的孔,孔距离400 mm,洞结束(边)的距离250 mm破碎的混凝土梁。

混凝土板的孔间距和列不应该超过400毫米,和多行布局方案的洞可以用于列大断面尺寸和板。孔距的原则不超过400毫米,和孔边距不超过250毫米。

 数据可用性

用来支持研究的数据是可用的网站, https://pan.baidu.com/s/1NpdTBZB-UGrSilFCGtFjvg(提取代码:2 ccy)。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

 确认

这项工作得到了中国国家重点研发项目(批准号2017 yfc0806100)。

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