冷卻塔爆破拆除倒塌機理分析
2015-04-29 00:00:00劉凱王文琦周美紅呂圣橋李文超
【摘 要】以北京京豐熱電廠150m高煙囪和95m高鋼筋混凝土雙曲線冷卻塔為例，分析其爆破拆除后倒塌的特點，從而得出兩者在爆破切口角形成后的異同。結(jié)果表明，冷卻塔的破壞屬于殼體失穩(wěn)，不同于煙囪的剛體破壞。采用預(yù)先在冷卻塔身切割豎向切縫，可以減小其剛度，使其在倒塌中解體更充分，效果更好。
【關(guān)鍵詞】爆破拆除；雙曲線冷卻塔；爆破切口角；豎向切縫
自二次世界大戰(zhàn)以后，拆除爆破技術(shù)逐漸發(fā)展起來，并且在過去的六七十年里取得了輝煌成就，目前它已成為工程爆破的一個重要組成部分?，F(xiàn)如今，關(guān)于框架結(jié)構(gòu)、高聳結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、橋梁等的爆破拆除，其計算理論或經(jīng)驗公式己經(jīng)比較成熟，在實踐中也取得了很好的效果。但對于一些結(jié)構(gòu)比較特殊的建（構(gòu)）筑物的爆破拆除，系統(tǒng)的理論研究尚顯不足，只能以工程實踐取得的經(jīng)驗數(shù)據(jù)為主要設(shè)計依據(jù)，其中，雙曲線冷卻塔就有待進一步研究。
1997年5月，鐵道部第三工程局劉宏剛等[1]，利用爆破手段拆除了太原第一熱電廠一高度40m，底面直徑30m的冷卻塔，這是雙曲線冷卻塔爆破拆除的較早的一個工程案例。2002年1月底，大連理工大學(xué)和遼寧工程技術(shù)大學(xué)崔玉璞、何慶志、李守巨等[2]，爆破拆除了阜新發(fā)電廠里一座高度為54m，底部直徑為46m的冷卻塔。2004年12月，白立剛[3]等在太原第二熱電廠拆除的一個高度為70.15m，底部半徑為59.14m的冷卻塔。劉宏剛，白立剛，李俊[4]通過不同直徑和角度的冷卻塔定向爆破時間，討論了各種冷卻塔爆破的切口問題。李守巨，上官子昌，張立國等[5]理論上研究了冷卻塔拆除爆破的傾倒條件，提出了結(jié)構(gòu)極限彎矩和傾倒力矩的公式。
0.工程概況
北京京豐熱電廠有一工作多年的95m高冷卻塔和150m高煙囪，由于污染嚴重，兩者于2011年都被爆破拆除。冷卻塔為鋼筋混凝土雙曲線圓筒型，高95m，底部直徑59.264m，上部直徑31.526m，高寬比1.6。筒壁厚70cm（底部）至14cm（喉部）不等，下部為24對預(yù)制鋼筋混凝土X型支柱，截面550mm×650mm，高11.5m，上有鋼性環(huán)圈梁截面550mm×1235mm，立柱主筋為14?25，箍筋為?10@150，筒壁底部配筋為2×4?16，?16@200。中央有直徑5.6m圓形堅井，高約12m。通風(fēng)筒、上鋼性環(huán)、X型支柱鋼筋混凝土約為1863m3，重4844t。
1.爆破設(shè)計
該拆除爆破工程中冷卻塔筒壁采用正梯形復(fù)合爆破切口形式，設(shè)計切口立柱圓心角為210°，共計爆破14對X柱和兩側(cè)定向窗下方的各半根柱子，圈梁爆破切口角度234°。
在沿定向傾倒方向軸線上，中心處開設(shè)一個定位窗，尺寸為2.5m×11m。兩邊切口處對稱開設(shè)定向窗，尺寸6.5m×4m。兩定向窗邊界處沿筒壁夾角234°。從中心線向兩側(cè)，沿筒身每30°機械預(yù)拆除寬度為2.5m的切口，直到定向窗位置為止，每側(cè)3個，共6個。切口高度從10m向兩邊線性遞減至6m。在沿定向傾倒方向軸線上中心處開設(shè)一個定位窗尺寸為2.5m×11m，兩邊切口處對稱開設(shè)定向窗尺寸6.5m×4m，兩定向窗邊界處沿筒壁夾角234°， 從中心線向兩側(cè)沿筒身每30°機械預(yù)拆除寬度為2.5m的切口，直到定向窗位置為止。 每側(cè)3個共6個切口高度.從10m向兩邊線性遞減至6m。冷卻塔爆破切口展開圖分別如圖1所示。2010年10月30日此冷卻塔被成功爆破拆除。[6]現(xiàn)場效果如圖3所示。
2.設(shè)計和實踐中應(yīng)注意把握和解決的問題
現(xiàn)階段，在冷卻塔爆破切口的選擇上，一般采用大爆破切口，切口長度要達到底面周長的2/3，切口高度在10m以上，由于底面半徑大，爆破切口面積比傳統(tǒng)建筑物的拆除爆破要大得多。由于冷卻塔的塔壁相對半徑很薄，故其在倒塌過程中，不同于框架結(jié)構(gòu)、煙囪等的繞支撐點轉(zhuǎn)動倒塌，其在倒塌過程中，一般發(fā)生塔壁的撕裂和明顯的整體下坐，內(nèi)力變化非常復(fù)雜。
如今國內(nèi)在設(shè)計冷卻塔拆除方案時，很多時候在參照煙囪的拆除模式，兩者雖然都屬于高聳構(gòu)筑物，但是破壞機理上有著本質(zhì)區(qū)別。煙囪可近似為剛體，在爆破切口形成后，切口上方塔體受壓，塔體背部受拉，有明顯的中性軸，隨后煙囪背部被拉斷出現(xiàn)裂縫，在重力作用下，塔體向預(yù)定方向緩慢傾倒，在塔身觸地之前，煙囪筒體基本不變形，見圖2。而冷卻塔倒塌則屬于殼體失穩(wěn)。對于雙曲線形冷卻塔，塔身非常薄，是典型的殼體。在爆破切口形成后，整個冷卻塔體都處于受壓狀態(tài)，并且，由于塔身較薄，很快塔體失去整體穩(wěn)定性，發(fā)生扭曲，在塔身觸地之前，塔體已經(jīng)在扭矩作用下發(fā)生大的變形，甚至解體，最終破壞，見圖3。可以看出，冷卻塔在落地之前，塔身已經(jīng)發(fā)生了很大的扭曲變形。
從以上分析可以看出，冷卻塔和煙囪的爆破倒塌機理是完全不同的，國外在爆破拆除雙曲線冷卻塔時，常采用的是長條形小爆破切口，在筒壁上呈網(wǎng)格狀布置，爆破后，塔壁支撐部位發(fā)生破壞，從而塔身傾倒并解體。在傾倒過程中，由于筒壁很薄，筒體容易發(fā)生大的失穩(wěn)變形，在這種變形作用下，筒體落地并解體。
冷卻塔能否順利垂直下落和原地塌落并不取決于與爆破切口的高度，而取決于切口所處的位置。在爆破拆除雙曲線冷卻塔時，我們可以充分利用此類構(gòu)筑物在倒塌過程中塔身發(fā)生撕裂的特點，采用多個小的爆破切口形成切縫來破壞塔身的關(guān)鍵部位，減小其剛度，可取得良好的破碎效果。
3.結(jié)論
①冷卻塔在倒塌的初始階段，在重力的作用下，塔身主要受壓，隨著爆破切口的形成，支撐部位以壓屈失穩(wěn)為主，塔身不會拉裂。
②爆破切口形成后，支撐部位由軸心受壓轉(zhuǎn)為偏心受壓，此處不同于煙囪，是以中和軸為界，一側(cè)受壓，一側(cè)受拉。這是冷卻塔這種薄壁結(jié)構(gòu)的自身特點。
③在設(shè)計冷卻塔等薄壁結(jié)構(gòu)爆破方案時，應(yīng)充分考慮該類結(jié)構(gòu)特點，采用預(yù)先在冷卻塔身切割豎向切縫，可以減小其剛度，使其在倒塌中解體更充分，效果更好。
【參考文獻】
[1]劉宏剛，常民生.太原第一熱電廠冷卻塔定向控制爆破拆除[J].爆破，2000，vol.17（增）：67-71.
[2]崔玉璞，何慶志，李守巨等.太原第一熱電廠冷卻塔定向控制爆破拆除[J].爆破，2000，vol.17（增）：67-71.
[3]白立剛.大唐太原第二熱電廠70.15m高冷卻塔爆破拆除[J].鐵道建筑，2005（增）：54-56.
[4]劉宏剛，白立剛，李俊.薄壁雙曲線冷卻塔定向爆破切口問題的探討[J].2005，9：68-70.
[5]李守巨，上官子昌，張立國等.爆破拆除冷卻塔傾倒條件的研究[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1999，1（18）：9-14.
[6]李勝林，劉殿書，劉凱等.雙曲線冷卻塔爆破拆除數(shù)值模擬研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，34（2）：123-126.
