發(fā)電廠雙曲線型冷卻塔的定向爆破拆除及爆破效果數(shù)值分析?

高文樂 朱茂迅 李元振 張澤華

①山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院(山東青島，266590)②中國石油大學(xué)(華東)儲運與建筑工程學(xué)院(山東青島，266580)

引言

目前，國內(nèi)冷卻塔多為薄壁雙曲線型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，具有自重大、重心低、直徑下大上小的結(jié)構(gòu)特點。 冷卻塔穩(wěn)定的塔體結(jié)構(gòu)使其在爆破拆除過程中容易產(chǎn)生塔體后坐、塌而不倒和爆堆過高等現(xiàn)象。國內(nèi)冷卻塔的爆破施工技術(shù)主要依靠以往的工程經(jīng)驗，爆破拆除理論研究滯后于工程實踐。 而采用LS-DYNA 數(shù)值模擬技術(shù)對冷卻塔的爆破拆除進(jìn)行預(yù)演和重現(xiàn)，則能較好地彌補理論爆破設(shè)計方面的缺陷和不足。 利用LS-DYNA 數(shù)值模擬技術(shù)建立冷卻塔整體式模型，對冷卻塔倒塌過程中的整體失穩(wěn)進(jìn)行數(shù)值計算，并驗證爆破方案。

1 工程概況

冷卻塔位于十里泉電廠，實體圖見圖1。 塔高92.0 m，底部外徑73.6 m，頂部外徑為43.2 m。 筒體為雙曲線型，標(biāo)高5.8 m 以下有40 對支撐筒體的人字形立柱，立柱斷面尺寸為0.4 m×0.4 m。 環(huán)形梁高度為1.2 m，混凝土強度等級為C30。 混凝土總體積約3 100 m3，質(zhì)量約8 060 t。 冷卻塔所處電廠位于市區(qū)內(nèi)，電廠周圍西側(cè)是居民區(qū)。 待爆破的3＃冷卻塔周圍環(huán)繞車庫、辦公樓、架空電纜和管道等設(shè)施，周邊環(huán)境十分復(fù)雜。 周邊環(huán)境示意圖見圖2。

2 爆破方案設(shè)計

在對高大型建筑物的爆破拆除中，倒塌方式為定向倒塌和原地倒塌。 如果采用原地倒塌的爆破拆除方式，首先鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的冷卻塔經(jīng)過常年風(fēng)化導(dǎo)致四周結(jié)構(gòu)強度不一致，難以保證爆破時底部結(jié)構(gòu)破壞相同，冷卻塔將會出現(xiàn)任意方向的傾倒，造成不可預(yù)估的后果；其次，冷卻塔爆破后會產(chǎn)生堆積物過高等現(xiàn)象，影響后續(xù)工程運輸處理。 而定向倒塌則可以充分運用機械開鑿的定向窗口讓冷卻塔向預(yù)定方向傾倒，并且倒塌距離也可以得到有效控制。為保證冷卻塔周邊電廠設(shè)施不被破壞，確保冷卻塔順利倒塌，根據(jù)環(huán)境確定冷卻塔倒塌方式為定向倒塌，方向為西偏南10°。

2.1 預(yù)拆除

為減少鉆孔工作量，使冷卻塔順利坍塌，對其進(jìn)行人工機械預(yù)拆除。 用油錘拆除冷卻塔內(nèi)、外部152 根頂柱、4 個提水井、爬梯、鑄鐵篦子和導(dǎo)水槽等構(gòu)件；在爆破切口圈梁上方(直徑67.8 m)，用油錘開鑿7 個窗口，窗口高6.6 m、寬5.6 m，中間預(yù)留支撐墻6 個，每個支撐墻的寬度是16 ～17 m；在靠近倒塌中心線的3 個定向窗上方，開鑿3 條縱向切縫[1]；為減少炮眼數(shù)目和保證冷卻塔倒塌的方向，將爆破切口內(nèi)的中間人字支柱機械拆除一對。

2.2 爆破切口

爆破切口要確保冷卻塔按預(yù)定的方向順利倒塌。 根據(jù)高大筒形建筑物的爆破拆除經(jīng)驗，爆破切口的長度一般約為切口處周長的2/3，即爆破圓心角為220° ～240°[2-3]。 經(jīng)比較，本次工程爆破中切口圓心角取235°，切口長151.0 m，對底部26 對人字柱進(jìn)行爆破(人工拆除一對)；冷卻塔爆破切口為矩形，切口高度H＝人字形立柱高度＋圈梁高度＝5.8 m ＋1.2 m ＝7.0 m，爆破切口展開圖見圖3。

2.3 爆破參數(shù)

按照多打孔、少裝藥的原則設(shè)計爆破切口參數(shù)，最大程度地減小爆破振動、爆炸沖擊波和爆破飛石對廠區(qū)和居民區(qū)的影響。 依照設(shè)計，對底部26 對人字立柱、環(huán)形圈梁和塔壁支撐墻裝藥爆破。炮孔參數(shù)如表1 所示。

表1 冷卻塔爆破切口孔網(wǎng)參數(shù)Tab.1 Parameters of blasting cut hole network of cooling tower

2.4 起爆網(wǎng)路

針對電廠內(nèi)特殊環(huán)境，為防止各種電流對起爆網(wǎng)路的影響，采用非電毫秒延期控制爆破技術(shù)。 為保證每個炮孔都能順利起爆，將爆破切口內(nèi)的1 570發(fā)毫秒導(dǎo)爆管雷管分成6 組3 個爆破區(qū)，每組一個段位，這些導(dǎo)爆管用四通連接。 第Ⅰ爆破區(qū)(MS-1)導(dǎo)爆管雷管共用438 發(fā)，第Ⅱ爆破區(qū)(MS-3)導(dǎo)爆管雷管共用502 發(fā)，第Ⅲ爆破區(qū)(MS-5)導(dǎo)爆管雷管共用630 發(fā)；每個炮區(qū)分別連接雙回路網(wǎng)路，最后再將這3 個爆破區(qū)用四通連接。 孔內(nèi)延時，四通雙回路網(wǎng)路，用起爆針連接放炮線，引到200 m 之外，用發(fā)爆器起爆。 起爆網(wǎng)路如圖4 所示。

3 安全及防護(hù)

3.1 爆破振動速度

冷卻塔最大一段炸藥起爆量為第Ⅲ爆區(qū)的630個炮眼裝藥量Qmax，為32.3 kg。 爆破振動公式[4]

式中：K′＝0.3，K ＝150，α ＝2.1。 可計算不同距離R處的最大爆破振動速度。

爆破振動速度見表2。

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》[5]規(guī)定，爆破產(chǎn)生的最大振動速度對周圍居民區(qū)和發(fā)電廠的影響均在安全范圍之內(nèi)。

3.2 塌落振動速度

中科院提出的觸地振動速度公式為

表2 爆破振動速度Tab.2 Blasting vibration speed

求得振動速度vc ＝0.015 cm/s。

振動速度遠(yuǎn)小于國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。 同時，為更有效地減輕地震波對居民區(qū)和電廠設(shè)施的影響，在倒塌方向有2 000 m3垃圾土，用推土機推出一個30 m×30 m 的防土堤，用于遞減冷卻塔在觸地過程中產(chǎn)生的振動，減輕倒塌瞬間產(chǎn)生的巨大動能對地面及地表附屬物產(chǎn)生的破壞；對于防護(hù)墻以內(nèi)的電力設(shè)施、電纜、循環(huán)管道等，均采用堆土高2 m 的辦法進(jìn)行防護(hù)，從而確保居民區(qū)和電廠設(shè)施安全。

3.3 爆破個別飛散物防護(hù)

為了防止飛石和震動波破壞周圍建筑的門窗和玻璃，首先用黏土充分填塞炮孔；其次，在人字支柱的炮眼位置圍上3 層草墊，每層草墊厚度不得小于4 cm，覆蓋之后，用水噴濕，再用兩道細(xì)鐵絲綁緊；同時，在冷卻塔西側(cè)架設(shè)南北長50 m、高6 m 的草墊防護(hù)墻；最后，在炮眼位置覆蓋草墊的基礎(chǔ)上，在加一層土工布覆蓋，土工布和鐵絲網(wǎng)組合防護(hù)，將其捆綁在炮眼位置。

組合防護(hù)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

4 有限元數(shù)值模擬

采用大型動力有限元軟件ANSYS/LS-DYNA 對冷卻塔的倒塌過程進(jìn)行數(shù)值模擬。 研究重點是冷卻塔底部爆破切口形成后建筑物在重力作用下扭曲、失穩(wěn)、倒塌的過程，忽略炸藥爆炸時產(chǎn)生的空氣沖擊波等對結(jié)構(gòu)內(nèi)的影響。 模擬過程中使用的是顯式中心差分時間積分法[6]。

在0，……，tn時間步解的情況下求解tn ＋1時間步的解，運動方程為：

式中：M為質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；U?為加速度矩陣；Uβ為速度矩陣；P(tn)為外力向量列陣；Fi(tn)為內(nèi)力矢量，是單元內(nèi)力和接觸力之和；H(tn)為沙漏阻力；定義Fi＝∑(?ΩBTσndΩ ＋Fh) ＋FC，單元的內(nèi)力由當(dāng)前的應(yīng)力場的散度求得，F(xiàn)C為接觸力。

tn時刻的加速度為：

tn ＋1時刻的速度和位移為：

式中：△tn ＋0.5＝(△tn ＋△tn ＋1)/2。

運動方程的求解是非耦合的，不形成總體剛度矩陣，內(nèi)部矢量包含所有非線性問題，不需要進(jìn)行收斂檢查，對處理接觸碰撞、爆炸等宏觀大位移、大變形問題具有優(yōu)勢。

有限元模型按照冷卻塔的實際尺寸及設(shè)計的爆破切口尺寸建立。 采用實體單元Solid164 單元對冷卻塔進(jìn)行網(wǎng)格劃分[7-9]；在模型建立過程中，如果完全考慮混凝二者的黏結(jié)作用，不僅建模復(fù)雜，而且將會耗費大量的計算時間，并且冷卻塔的倒塌過程是宏觀運動，所以對冷卻塔塔體建立整體式模型[10-11]，并采用鋼筋混凝土材料?Mat＿Britlle＿Damage。 其中，密度2 400 kg/m3，彈性模量25 GPa，泊松比0.2，抗拉強度1.5 MPa，配筋率0.5%，鋼筋彈性模量210 GPa，屈服極限240 MPa，硬化模量21 GPa。 冷卻塔主體采用主應(yīng)變失效準(zhǔn)則，取鋼筋的極限應(yīng)變?yōu)?.025，人字柱和圈梁的極限應(yīng)變?yōu)?.05[12-13]。 冷卻塔模型見圖6。

地面選用剛體材料。 為了保證數(shù)值模擬結(jié)果更加接近實際爆破效果，地基模型材料需要輸入接近真實地面的彈性模量、泊松比等參數(shù)。 根據(jù)冷卻塔倒塌過程與地面接觸之后的復(fù)雜情況，整個模擬過程采用自動單面接觸算法。 最后，通過修改K 文件，采用?Mat＿Add＿Erosion 關(guān)鍵字定義冷卻塔爆破切口處材料失效[14-16]。 在對冷卻塔模型做好前處理準(zhǔn)備工作之后，將文件導(dǎo)入LS-prepost 進(jìn)行后處理，可以對冷卻塔的數(shù)值模擬結(jié)果觀察和分析。 冷卻塔倒塌過程模擬見圖7。

從圖7 中可以看出，t＝1.5 s 時，爆破切口形成，底部支撐體被壓碎破壞，隨后冷卻塔在自重和傾覆力矩作用下開始向設(shè)計方向傾斜；t＝3.5 s 時，筒體發(fā)生變形扭曲，混凝土被撕裂破壞，筒體開始自由坍落；t＝9.5 s，冷卻塔完全塌落觸地解體。 整個倒塌過程持續(xù)9.5 s，塔體前傾距離23 m，碎石高度也在控制范圍之內(nèi)，模擬結(jié)果較為理想。

5 爆破效果及對比分析

十里泉電廠3＃冷卻塔爆破過程如圖8 所示。根據(jù)實際觀測效果，在爆破開始階段，人字柱、圈梁和塔壁預(yù)留支撐墻先后爆破并形成爆破切口，此時下部預(yù)留支撐體的極限抗壓強度小于上部筒體的重力，在傾覆彎矩的作用下，下部支撐體被壓碎破壞，塔體向預(yù)定方向傾斜；隨后，筒體腹部混凝土出現(xiàn)縱向撕裂；接著，筒體在重力作用下向預(yù)定倒塌方向倒塌，直至觸地肢解破碎，整個爆破過程持續(xù)8 s。

爆破效果表明，冷卻塔按設(shè)計方向倒塌破碎，倒塌距離和堆積物高度都在可控范圍內(nèi)，并且未出現(xiàn)明顯的后坐以及坐塌現(xiàn)象，產(chǎn)生的飛石和爆破振動也都在安全范圍之內(nèi)。

綜合對比分析：

1)爆破實際效果和數(shù)值模擬結(jié)果的倒塌運動規(guī)律相似，二者都再現(xiàn)了冷卻塔倒塌過程中變形扭曲→扭轉(zhuǎn)撕裂→自由塌落的運動規(guī)律。

2)實際爆破前傾距離和模擬結(jié)果大體一致。

3)數(shù)值模擬選用的塔體材料是理想狀態(tài)下的，而冷卻塔實際上是經(jīng)過多年風(fēng)化，故二者破壞形態(tài)和倒塌過程用時不一致。

6 結(jié)論

1)由于雙曲線型冷卻塔特殊的結(jié)構(gòu)特點，很難從理論上把冷卻塔爆破拆除的倒塌過程描述出來。通過ANSYS/LS-DYNA 軟件對冷卻塔建立準(zhǔn)確的幾何模型、材料參數(shù)等，則能較好地重現(xiàn)冷卻塔的實際倒塌過程。 同時，還能把模擬結(jié)果中反映的情況反饋到實際爆破設(shè)計當(dāng)中，用以修正爆破方案，做到冷卻塔安全、準(zhǔn)確地倒塌。

2)數(shù)值模擬結(jié)果倒塌時間比實際傾倒過程要長。 導(dǎo)致這種情況的原因可能是：數(shù)值模擬采用的是理想狀態(tài)下的模型材料，而冷卻塔是經(jīng)過常年風(fēng)化導(dǎo)致塔體結(jié)構(gòu)強度變?nèi)?，實際爆破過程中塔體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的黏結(jié)力要比理想狀態(tài)小得多，破壞更為容易，故實際倒塌過程歷時比模擬結(jié)果略短。

3)使用土工布加鐵絲網(wǎng)及草簾組合防護(hù)爆破個別飛散物的措施，爆破飛散物控制在20 m 范圍內(nèi)，是控制爆破個別飛散物的一種有效方法。

4)采用矩形爆破切口、合理的炸高并結(jié)合充分的預(yù)拆除措施，倒塌過程扭曲變形撕裂程度理想，破碎效果和前傾距離較好。