鋼筋混凝土煙囪爆破拆除倒塌與受力過程研究

鋼筋混凝土煙囪爆破拆除倒塌與受力過程研究

褚懷保1，徐鵬飛2，葉紅宇1，楊小林1

(1.河南理工大學土木工程學院，河南焦作454000； 2.中國礦業(yè)大學，北京100083)

摘要：以高速攝影監(jiān)測、數(shù)值模擬結(jié)果為基礎(chǔ)，對鋼筋混凝土煙囪爆破拆除倒塌過程及保留筒壁受力過程與狀態(tài)進行綜合分析研究。煙囪倒塌經(jīng)歷爆破切口形成、中性軸形成、定軸轉(zhuǎn)動及塌落觸地4階段。爆破切口形成后保留筒壁須有0.5～3.0 s穩(wěn)定階段保證在荷載重新分布過程中中性軸的穩(wěn)定形成。爆破切口形成后初始短時間內(nèi)保留筒壁均承受壓應(yīng)力，隨中性軸形成出現(xiàn)受壓、受拉區(qū)；定向窗銳角頂點處應(yīng)力集中程度較高，先發(fā)生破壞，且內(nèi)側(cè)承受壓應(yīng)力大于外側(cè)。該研究對進一步完善鋼筋混凝土煙囪精確爆破拆除理論具有重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土煙囪；爆破拆除；倒塌過程；受力過程；數(shù)值計算；高速攝影

中圖分類號:O389文獻標志碼：A

基金項目：國家自然科學基金(51008041，51178071);教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃(NCET-12-0751);中國博士后科學基金 (2013M540226,2014T70250);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(3132014073, 3132014326)

收稿日期：2014-05-13修改稿收到日期：2014-10-11

基金項目：河北省自然科學基金(E2014502052)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2014MS156)

收稿日期：2014-09-09修改稿收到日期：2014-10-23

Collapse process and load-bearing process of reinforced concrete chimney during blasting demolition

CHUHuai-bao1,XUPeng-fei2,YEHong-yu1,YANGXiao-lin1(1. College of Civil Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China；2. China University of Mining &Technology, Beijing 100083, China)

Abstract:Based on the high-speed photography monitoring results and numerical simulation results, the collapse process and load-bearing process of reinforced concrete chimney during blasting demolition were analysed comprehensively. The collapse process of reinforced chimney experiences four stages, including the formation of blasting cut, formation of neutral axis, fixed-axis rotation and collapsing touchdown, the remained supporting segment should have a stable stage of 0.5～3.0 s to ensure a steady formation of the neutral axis in the process of load redistribution. The remained supporting segment retains a short duration of compressive stress state after the formation of a blasting cut, and then compressive areas together with tensile regions will appear. At the top point of the acute angle of directional window, there is high degree of stress concentration, so, here, the structure will be destroyed at first, and at the medial part larger compressive stress exhibits. The results have important practical significance for improving the theory of accurate blasting demolition of reinforced concrete chimneys.

Key words:reinforced concrete chimney; blasting demolition; collapse process; load-bearing process; numerical simulation; high speed photography

隨我國上大壓小、節(jié)能減排政策提出，煙囪拆除工程量及周邊環(huán)境復(fù)雜程度不斷增多增大。煙囪越高、薄壁結(jié)構(gòu)特性越明顯、爆破拆除難度越大。而爆破拆除因具有高效、安全、經(jīng)濟等優(yōu)點[1]，成為絕大多數(shù)煙囪尤其鋼筋混凝土煙囪拆除的首選，但目前煙囪爆破拆除從方案制定到參數(shù)設(shè)計、計算基本以經(jīng)驗為主，缺乏準確性、系統(tǒng)性，給煙囪的安全精確爆破拆除埋下一定隱患。

本文綜合實際工程高速攝影監(jiān)測及數(shù)值結(jié)果對鋼筋混凝土煙囪爆破拆除倒塌過程、爆破切口形成瞬間保留筒壁的受力狀態(tài)進行分析，完善鋼筋混凝土煙囪精確爆破拆除理論。

1鋼筋混凝土煙囪控制爆破拆除倒塌機理

鋼筋混凝土煙囪控制爆破拆除需先設(shè)計爆破切口形式及參數(shù)。在煙囪筒體切口范圍內(nèi)鉆孔裝藥，用爆炸能量對設(shè)計范圍內(nèi)筒體進行破壞形成切口，在自身重力產(chǎn)生的傾倒力矩及結(jié)構(gòu)極限彎矩共同作用下，切口處保留筒壁在各類荷載重新分布過程中形成中性軸，煙囪繞中性軸做定軸轉(zhuǎn)動，方向為過煙囪重心且垂直于中性軸方向，轉(zhuǎn)動過程中伴有中性軸后移及保留筒壁的壓剪破壞，煙囪在倒塌、觸地碰撞中解體。

鋼筋混凝土煙囪控制爆破拆除時，為保證煙囪按設(shè)計方向及狀態(tài)倒塌，在確保爆破切口幾何、爆破參數(shù)前提下，需先對煙囪進行局部加固補強或局部鋼筋切割、切除及混凝土破碎等弱化處理，以保證筒體(尤其爆破切口范圍內(nèi)筒體)結(jié)構(gòu)、強度的對稱性與均勻性，調(diào)控傾倒力矩與結(jié)構(gòu)極限彎矩比例關(guān)系、控制保留筒壁中性軸形成位置與時間，實現(xiàn)精確爆破拆除。

2鋼筋混凝土煙囪爆破拆除倒塌過程

以某150 m鋼筋混凝土煙囪兩段單向爆破拆除數(shù)值結(jié)果與高速攝影儀拍攝結(jié)果為基礎(chǔ)，對鋼該煙囪爆破拆除倒塌過程與爆破切口形成后保留筒壁的受力狀態(tài)進行綜合分析，為精確爆破拆除設(shè)計提供依據(jù)。

2.1煙囪倒塌過程高速攝影監(jiān)測結(jié)果

150 m鋼筋混凝土煙囪上部半徑2.19 m，底部半徑5.93 m；底部有1出灰口，10 m高處有2個4 m×5 m煙道口。在充分考慮煙囪結(jié)構(gòu)特征及周邊環(huán)境后制定兩段單向兩次爆破拆除方案。兩爆破切口均為倒梯形，三角形定向窗。上部切口設(shè)在標高70 m信號平臺處；切口高2.0 m，圓心角201°，定向窗銳角20°；底部切口距地面16 m處，切口高度3.5 m，圓心角216°，定向窗銳角25°。爆破拆除前對出灰口、煙道口加固補強，預(yù)拆除爆破切口范圍內(nèi)襯，爆前切斷爆破切口處人行爬梯與避雷針連接線。

為實際觀測爆破切口形成后保留筒壁受力變形及煙囪傾倒過程，用高速攝影儀從側(cè)后面觀測保留筒壁，拍攝結(jié)果見圖1。其中，圖1(a)為爆破切口內(nèi)炸藥爆炸瞬間；圖1(b)、(c)、(d)為爆破切口形成后的穩(wěn)定階段，此階段荷載重新分布形成中性軸；圖1(e)為倒梯形爆破切口銳角頂角首先出現(xiàn)壓裂破壞，切口背面鋼筋受拉保護層破壞揚起粉塵；圖1(f)為壓碎區(qū)擴展中心軸中性軸后移；圖1(g)為煙囪傾倒爆破切口保留筒體受壓剪變形鼓包；圖1(h)為煙囪倒塌觸地前瞬間。

(a)　2′11″ (b)　2′12″ (c)　2′13″ (d)　2′14″

(e)　2′15″ (f)　2′16″ (g)　2′17″ (h)　2′19″ 圖1　上部倒塌及受力過程 Fig.1 The collapse and load-bearing process of the upper chimney

為實際觀測爆破切口形成及煙囪倒塌過程，在下段煙囪爆破過程中用高速攝影儀正對切口、側(cè)面進行拍攝，見圖2。

2.2倒塌過程數(shù)值模擬結(jié)果

據(jù)煙囪結(jié)構(gòu)特征及爆破切口參數(shù)，利用數(shù)值計算軟件對該煙囪倒塌過程及受力狀態(tài)進行研究。由于兩段單向分次爆破上段拆除難度較大，故只針對上段進行數(shù)值模擬分析。采用鋼筋、混凝土復(fù)合材料模型*MAT_BRITTLE_DAMAGE，煙囪筒體選SOLID164單元，彈塑性損傷材料按結(jié)構(gòu)實際尺寸整體建模。地面設(shè)為彈塑性及雙線性各向同性材料，并添加無反射邊界條件，地面尺寸100 m×40 m×4 m。設(shè)置*MAT_ADD_EROSION控制煙囪筒體單元失效模擬延時起爆，筒壁處單元尺寸設(shè)為0.2 m保證計算結(jié)果的精確性。

(a)　1′42″　　　　 (b)　1′43″　 　　 (c)　1′45″

(d)　1′48″　 　　　(e)　1′49″　　　　 (f)　1′54″ 圖2　下部爆破切口形成及倒塌過程圖 Fig.2 The formation of blasting cut and collapse process of lower chimney

該煙囪倒塌過程數(shù)值計算結(jié)果見圖3。由圖3看出，0.49 s時爆破切口形成，煙囪處于穩(wěn)定狀態(tài)； 2.3 s時煙囪開始有微小傾倒趨勢；4.7 s時爆破切口上下沿閉合，保留筒壁部位已見局部破壞現(xiàn)象； 8.3 s時上、下段完全分離。

(a)　0.49 s　　(b)　2.3 s　　(c)　4.7 s　　(d)　8.3 s 圖3　鋼筋混凝土煙囪數(shù)值模擬倒塌過程 Fig.3 Numerical simulation collapse process of reinforced concrete chimney

在煙囪計算模型頂部取與爆破切口中心線對應(yīng)單元點記錄水平位移、水平及豎向速度曲線，見圖4。

2.3煙囪控制爆破拆除倒塌過程分析

(1)由圖2看出，炸藥爆炸釋放的能量致爆破切口內(nèi)混凝土發(fā)生粉碎性破壞并完全脫離鋼筋，使切口以上煙囪重量瞬間作用于保留筒壁及切口范圍內(nèi)鋼筋上(鋼筋瞬間失穩(wěn))，上部荷載基本由保留筒壁支撐。隨后在煙囪自身重力作用下產(chǎn)生傾倒力矩，為煙囪順利傾倒創(chuàng)造基本條件。爆破切口對煙囪初始傾倒階段具有輔助支撐、準確定向、防止折斷及控制后坐的作用，爆破切口形成質(zhì)量成為保證煙囪順利準確傾倒的最關(guān)鍵因素[2-3]。

(a)　水平位移 (b)　水平速度 (c)　豎直速度 圖4　頂點位移及速度曲線圖 Fig.4 Displacement and velocity curves of the vertices

(2)由圖1～圖4知，煙囪爆破切口形成后未立刻呈傾倒趨勢，即存在一穩(wěn)定階段。圖1(a)～(d)歷時3 s；圖2(a)～(c)歷時近3 s；圖3(a)～(b)歷時1.81 s。圖4(a)中水平位移在近1 s時出現(xiàn)，(b)中水平速度也在0.5 s時出現(xiàn)，(c)中豎直方向運動速度在近2 s時開始出現(xiàn)。雖數(shù)值計算與實測結(jié)果有一定出入，但均可看出煙囪在爆破切口形成后存在0.5～3.0 s的穩(wěn)定階段即保留筒壁上荷載重新分布中性軸的形成階段，中性軸位置[4-5]由煙囪自重及受拉區(qū)彎矩載荷與受壓區(qū)抗力的縱向平衡決定。由圖1(e)、(f)、(g)知，爆破切口形成后保留筒壁呈明顯的受壓、拉區(qū)域，受壓區(qū)域混凝土被壓縮破壞，定向窗銳角頂點應(yīng)力集中處先遭破壞；受拉區(qū)鋼筋受拉致保護層混凝土破壞、粉塵飄揚。

(3)由圖1(g)、圖3(b)、圖4(c)知，在定軸轉(zhuǎn)動中因保留筒壁的壓、剪破壞而伴隨下坐現(xiàn)象，但由圖4(c)看出，初始下坐速度較小。由圖4(a)看出，煙囪在定軸轉(zhuǎn)動過程中，水平位移一直增大最終達48 m。由圖4(b)看出，煙囪轉(zhuǎn)動過程中水平方向速度呈不規(guī)律增長趨勢，8 s前緩慢增大，8 s后出現(xiàn)短時迅速增大階段(圖3(d))，上、下段煙囪已完全脫離，水平方向運動速度迅速增大，且隨煙囪高度增大尤其超過150 m的鋼筋混凝土煙囪在傾角超過40°～60°后，由于截面彎矩超過極限抗矩而會在離頂部1/3高處受彎破壞解體[6]，在距爆破切口底邊約1/3、1/2、2/3處筒體應(yīng)力集中部位，煙囪倒塌中易折斷[7]。

(4)由圖1(h)、圖2(f)看出，上、下段煙囪完全分離后，上段筒體在初始慣性與自身重力作用下塌落觸地，該過程中煙囪塌落動能[8]一部分轉(zhuǎn)化為土體對筒體反作用促其進一步解體的能量，一部分轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生觸地地震波能量。

3煙囪爆破拆除保留筒壁受力

3.1保留筒壁受力數(shù)值計算結(jié)果

在所建計算模型保留筒壁上從定向窗銳角頂點向背向倒塌方向依次取A、B、C、D四個單元點記錄應(yīng)力時程曲線，見圖5(a)。在銳角頂點A處取筒壁內(nèi)外兩側(cè)兩個元點記錄應(yīng)力時程曲線見圖5(b)。

圖5　保留筒壁測點應(yīng)力時程曲線 Fig.5 Stress-time curve of the remained supporting segment

3.2保留筒壁受力過程分析

(1)由圖1(e)、(f)、(g)看出，爆破切口形成后保留筒壁在切口銳角頂點處先承受壓應(yīng)力遭破壞，且應(yīng)力集中程度較高。切口背面筒壁鋼筋、混凝土受拉，導(dǎo)致保護層混凝土破壞揚起粉塵灰霧。傾倒到一定角度時保留筒壁外側(cè)出現(xiàn)鼓包，即保留筒壁發(fā)生破壞(剪切壓縮綜合破壞)，并伴有煙囪下坐現(xiàn)象。

(2)由圖5(a)看出，在爆破切口形成瞬間，煙囪在自身重力作用下保留筒壁均承受壓應(yīng)力，持時約0.5 s，之后保留筒壁中荷載重新分布中性軸形成，A、B點承受壓應(yīng)力，而C、D點承受拉應(yīng)力，且增大到最大值后減小為0，C點較D點先減小到0點，即中性軸隨煙囪傾倒向后移動。

(3)由圖5(b)看出，切口定向窗銳角頂點在切口閉合式內(nèi)側(cè)承受的壓應(yīng)力大于外側(cè)，內(nèi)側(cè)點單元失效較外側(cè)點早。切口上沿先與切口下沿內(nèi)側(cè)接觸，轉(zhuǎn)動超過一定角度后切口上沿所處煙囪半徑較切口下沿小，亦導(dǎo)致內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力大于外側(cè)。

4結(jié)論

(1)煙囪倒塌過程經(jīng)歷爆破切口形成、中性軸形成、定軸轉(zhuǎn)動及塌落觸地4階段。爆破切口的形成為煙囪在自重作用下失穩(wěn)傾倒創(chuàng)造最關(guān)鍵條件；之后荷載在保留筒壁及切口范圍內(nèi)鋼筋中進行重新分布形成中性軸，煙囪做定軸轉(zhuǎn)動，且中性軸后移，并伴有煙囪因保留筒壁壓剪破壞引起的下坐過程，爆破拆除煙囪與下段煙囪或底部完全分離完成倒塌觸地碰撞階段。

(2)鋼筋混凝土煙囪爆破切口形成后保留筒壁需0.5～3.0 s穩(wěn)定時間，確保煙囪保留筒壁在荷載重分布過程中穩(wěn)定、準確形成中性軸，實現(xiàn)煙囪定軸轉(zhuǎn)動傾倒，避免煙囪在爆破切口形成后隨即發(fā)生壓剪破壞下坐影響順利傾倒。

(3)爆破切口形成后初始短時間內(nèi)保留筒壁均承受壓應(yīng)力，出現(xiàn)受壓、受拉區(qū)，且隨煙囪傾倒后移；定向窗銳角頂點處應(yīng)力集中程度較高，且內(nèi)側(cè)承受的壓應(yīng)力大于外側(cè)。

(4)本文研究基于鋼筋混凝土煙囪兩段單向兩次起爆方案，若采用雙向折疊爆破拆除，上下段煙囪爆破切口的起爆時差應(yīng)大于上段煙囪中性軸形成所需時間，即在上段煙囪中性軸形成瞬間，下段煙囪爆破切口起爆。下段煙囪中性軸形成過程中上段已有一定傾斜角度，利于下段順利倒塌。

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第一作者孫治國男，博士后，講師，1980年生

通信作者王東升男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，1974年生

郵箱：dswang@dlmu.edu.cn

第一作者劉尚坤男，博士生，講師，1979年生

通信作者唐貴基男，教授，博士生導(dǎo)師，1962年生