關(guān)于煙囪傾倒時(shí)折斷問題的探究

張佳怡

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的需求不僅是“吃飽穿暖”，對(duì)環(huán)保的要求也不斷提高。面對(duì)日益嚴(yán)重的大氣環(huán)境質(zhì)量問題，下達(dá)“控制總量、限制排量”的政策和不少老舊煙囪出現(xiàn)斷裂都導(dǎo)致和體現(xiàn)了煙囪傾倒拆除及相關(guān)問題的重要性！于是，我查找了相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)對(duì)于拆除煙囪人們通常采取埋藥爆破或人工拆除等方法，甚至還出現(xiàn)了大量“專業(yè)煙囪拆除公司”，足可見其危險(xiǎn)性和重要性。那么怎么樣才能在爆破或者人工拆除前，做好完備的準(zhǔn)備工作，清楚煙囪傾倒折斷運(yùn)動(dòng)的斷裂大概位置呢？由此困惑，我開始著手分析。為了便于分析煙囪的運(yùn)動(dòng)，分析過程中將煙囪的形狀簡(jiǎn)化為均勻的圓柱體（細(xì)長(zhǎng)桿），且將該傾倒過程視作固定鉸支座的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)用剛體動(dòng)力學(xué)求解出煙囪橫截面的剪力表達(dá)式， 運(yùn)用工程力學(xué)對(duì)其進(jìn)行內(nèi)力分析求解出煙囪橫截面上的彎矩表達(dá)式。發(fā)現(xiàn)影響其運(yùn)動(dòng)形態(tài)的最主要原因是彎矩的大小，剪力影響甚微。分析得出：煙囪爆破最易在距離底端三分之一或三分之二的位置斷裂。

關(guān)鍵詞：剛體力學(xué)；工程力學(xué)；剪力；彎矩

中圖分類號(hào)：TU746.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）22-0087-03

雖然出現(xiàn)了大批“專業(yè)煙囪拆除公司”，但在我出生長(zhǎng)大十余載的北京，仍有很多煙囪未被拆除。目前煙囪拆除分為人工拆除、機(jī)械拆除和爆破拆除。但由于北京常年居住人口密度高，而煙囪又因其用途本身而離居住區(qū)較近，可以安全讓其傾倒后落地的范圍就極小，為避免破壞建筑和傷害居民的人身安全，目前存在的煙囪拆除的問題也便尤為凸顯出來了。

北方的特性決定了在上世紀(jì)末和本世紀(jì)初需要建設(shè)大量以煤炭為燃料的電廠、供熱站，就此出現(xiàn)了眾多的煙囪。出于對(duì)環(huán)境保護(hù)和提升能源利用效率的考量，在2012年初北京通過政策支持，逐步開始實(shí)現(xiàn)5環(huán)以內(nèi)的無煤化。煙囪是一代人心中的一個(gè)符號(hào)，諸多人不舍其拆除，但即使只保存下來同時(shí)不投入使用，煙囪的風(fēng)化、老舊仍是一個(gè)極大的安全隱患。我認(rèn)為在像北京具有一樣特點(diǎn)的城市中，安全拆除煙囪及煙囪傾倒折斷時(shí)的折斷點(diǎn)仍是個(gè)十分值得研究和探討的問題。

后我對(duì)本研究主題范圍內(nèi)已有的文獻(xiàn)進(jìn)行綜合評(píng)述，發(fā)現(xiàn)雖然我們的模型簡(jiǎn)化程度差異不大，但是他們大多計(jì)算的方式過于復(fù)雜化。我對(duì)其計(jì)算的方法通過牛頓第二定律的妙用和微元力系力矩分析不考慮微小轉(zhuǎn)動(dòng)等方法，簡(jiǎn)化了繁復(fù)的運(yùn)算過程同時(shí)也得到了和實(shí)際爆破情況基本一致的可靠結(jié)果。當(dāng)然我的研究中也存在不足，我研究時(shí)忽略了煙囪爆破折斷時(shí)的前沖和下坐問題，也就不能完全依據(jù)數(shù)據(jù)和分析證明其是不是主要的因素，希望之后可以有機(jī)會(huì)作進(jìn)一步的分析研究。

1 具體問題的提出

高聳煙囪在傾倒過程中發(fā)生空中折斷是爆破拆除施工中較為常見的現(xiàn)象，一般出現(xiàn)在磚煙囪和超過150m的鋼筋混凝土煙囪。折斷和空中二次折斷現(xiàn)象一方面在一定程度上縮小了倒塌范圍，降低了整體塌落振動(dòng)，另一方面也形成了安全隱患和經(jīng)濟(jì)利益損失的潛在危害。

想要研究這個(gè)問題的想法來源于生活。一次開學(xué)體檢，體檢所的旁邊可以望見一個(gè)挺高的煙囪，直愣愣地立在那里，有些突兀。到了體檢所那個(gè)煙囪在我的腦海里揮之不去，我問了體檢所的老師才知道那個(gè)煙囪是否拆除爭(zhēng)議很大，所以一直無法著手拆除。二也是因?yàn)橹車ㄖ^多，沒有足夠的區(qū)域完成傾倒拆除，所以一拖再拖。那個(gè)見證了北京的發(fā)展和一代代人成長(zhǎng)的煙囪，雖是一個(gè)很好的標(biāo)志，但嚴(yán)重的風(fēng)化和破損現(xiàn)場(chǎng)很嚴(yán)重，我覺得對(duì)周圍環(huán)境市容和人民的生命安危都不利?；丶也檎伊讼嚓P(guān)新聞和資料也便有了這個(gè)想法。

圖1為清華大學(xué)內(nèi)一個(gè)正在進(jìn)行人工拆除的煙囪。

因?yàn)榍迦A內(nèi)建筑較多且其中有諸多價(jià)格高昂的精密儀器，不便使用埋藥爆破，所以采取人工拆除的方式。據(jù)悉，該煙囪已經(jīng)拆了小半年還沒有完工，且拆除這樣一個(gè)煙囪的價(jià)格也高達(dá)一百萬。如果在附近建筑中可承受相應(yīng)震動(dòng)的情況下，縮小爆破折斷所需的范圍，也就解決了范圍小不安全的問題。而且如果使用埋藥爆破的方式拆除煙囪有三大好處。一是成本相較于人工拆除大大降低，二是施工速度快、工期短，使煙囪所在的區(qū)域可以盡快發(fā)揮其正確的用途，三是從人文經(jīng)濟(jì)角度，相較于人工拆除其需要的工人數(shù)量大大減少，勞動(dòng)時(shí)間也大大縮短，所需低技術(shù)類人才減少必然推動(dòng)科技發(fā)展、提高對(duì)高端人才培養(yǎng)的重視度。

2 煙囪自身的折斷

爆破拆除因具有施工速度快、成本低和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛采用。

爆破拆除包括定向傾倒、折疊傾倒和原地坍塌三種方案，只要場(chǎng)地允許，一般采用定向傾倒方案。

煙囪爆破拆除的關(guān)鍵是保證定向及坍落范圍的準(zhǔn)確性及傾倒過程中煙囪上部的穩(wěn)定性，然而大部分都沒有足夠的區(qū)域讓它足夠落地，因煙囪傾倒過程中經(jīng)常出現(xiàn)二次折斷，進(jìn)而研究。

3 簡(jiǎn)化模型與理論分析

許多煙囪高達(dá)百米以上，為了便于分析，可以將煙囪簡(jiǎn)化為均勻的細(xì)長(zhǎng)直桿（均勻圓柱體），煙囪倒下過程中，忽略人為因素和空氣的干擾，將煙囪倒下過程視為繞底端旋轉(zhuǎn)的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2所示，煙囪總高H，質(zhì)量為m，重力加速度為g，傾倒角度為θ，則煙囪受重力mg，作用在其質(zhì)心處，即處。

圖2中黑色細(xì)長(zhǎng)桿的部分為煙囪，將其簡(jiǎn)化為密度均勻的實(shí)心圓柱。假設(shè)煙囪爆破后傾斜角度為θ時(shí)，找出其質(zhì)心為煙囪長(zhǎng)度的二分之一處，即為處。忽略其下坐和前沖，視為定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

所以由此可知，在爆破埋藥前應(yīng)首先考慮彎矩對(duì)該煙囪的影響，緊急情況下可忽略剪力等其他因素對(duì)煙囪爆破折斷的影響。

4 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

根據(jù)表1的實(shí)例結(jié)果，表明大部分煙囪折斷位置都在煙囪的1/3位置處，少部分在2/3處折斷，與前面的分析結(jié)果相符合，證明了上述理論分析的正確性。

由于忽略了空氣和認(rèn)為因素的影響，實(shí)際的煙囪和細(xì)長(zhǎng)直桿模型的差異，以及煙囪的材料的不均勻等，再者實(shí)際情況千差萬別，會(huì)使得實(shí)際情況和理論分析有一定的誤差。

實(shí)際的煙囪的形狀可用錐形管近似，可以在本文中細(xì)長(zhǎng)直桿的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，修正結(jié)果會(huì)使得斷裂位置在煙囪1/3偏上一些，但由于煙囪很高，直徑的變化和高度相比很小，也由于誤差來源很多，修正的意義不大，另由于時(shí)間關(guān)系，這里不再進(jìn)行修正。

所以，煙囪在傾倒的過程中最易在1/3或2/3高度處折斷。

5 結(jié)語

本文將煙囪模型合理簡(jiǎn)化后，分析得到煙囪爆破折斷時(shí)最易在1/3高度處或者2/3高度處折斷的結(jié)果，實(shí)例證明結(jié)果與實(shí)際工程基本一致。

此外，由顯示，煙囪傾倒角為零時(shí)無彎矩，無剪力，不會(huì)折斷，橫截面上彎矩M隨傾倒角度θ增大而增大，直到強(qiáng)度失效時(shí)發(fā)生折斷，如果材料強(qiáng)度足夠大，θ=90°時(shí)，即剪力T、彎矩M都達(dá)到最大值仍不失效，則煙囪不會(huì)在空中傾倒過程中折斷。

在爆破也應(yīng)清楚煙囪的構(gòu)造和材質(zhì)，以便判斷其是否會(huì)發(fā)生二次折斷。

現(xiàn)在身處的北京城仍存在不少煙囪未被拆除，它們大都也因?yàn)橹苓吘用瘛⒔ㄖ涂晒┢鋬A倒后的范圍過小。而利用計(jì)算研究中的煙囪的二次折斷，判斷煙囪的形狀在三分之一處或者三分之二處進(jìn)行合理的埋藥和對(duì)周圍的安全保護(hù)措施，即使范圍小也可以實(shí)現(xiàn)煙囪的低價(jià)快速拆除，提高首都市容市貌更保護(hù)了居民的生命安全。

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