降低鋼筋混凝土煙囪塌落振動(dòng)探討

李 強(qiáng)，林 飛，張陽(yáng)光，趙 彭

(中煤科工集團(tuán)淮北爆破技術(shù)研究院有限公司，安徽 淮北235000)

1 工程概況

某公司由于廠區(qū)改擴(kuò)建需要,采用爆破方式對(duì)廠區(qū)內(nèi)鍋爐房的鋼筋混凝土煙囪進(jìn)行拆除。 煙囪表面完好無(wú)裂痕,高度為61 m,底部壁厚為0.62 m,外部直徑為3.8 m。 煙囪東面為一廢棄浴室,距離約86 m;南面近處為鍋爐房,距離煙囪約4.5 m,遠(yuǎn)處有高壓輸電線路,距離煙囪約27.5 m;西面為員工食堂,距離煙囪約59 m;北面為圍墻和農(nóng)田,圍墻距離煙囪約8 m。 爆破區(qū)域周邊環(huán)境如圖1 所示。 此次爆破環(huán)境較為復(fù)雜,在爆破過(guò)程中要求既不能出現(xiàn)倒塌方向上的失誤,又要降低煙囪的塌落振動(dòng)影響,使之不會(huì)對(duì)周圍需要保留的建筑物和高壓線路造成影響。

圖1 爆破區(qū)域周邊環(huán)境平面圖

2 爆破施工方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況,確定向西南方向定向倒塌的爆破方案。

爆破切口形式為梯形,共布置5 排炮孔,單孔裝藥量200 g,最大段藥量為8 kg,共使用藥量17 kg,導(dǎo)爆管雷管100 發(fā),炮孔布置如圖2 所示。

圖2 炮孔布置示意圖

為了減小煙囪爆破拆除時(shí)倒塌沖擊引起的地面振動(dòng),爆破前在煙囪的設(shè)計(jì)倒塌中心線上用軟土和沙包鋪設(shè)了一條長(zhǎng)30 m、寬2 m、高1 m 的減振堤。

3 理論分析

3.1 煙囪塌落模型分析

一般而言,對(duì)高大建筑實(shí)施爆破拆除,建筑倒塌對(duì)地面形成的沖擊荷載分為球面和矩面兩種類型。 對(duì)鋼筋混凝土煙囪實(shí)施爆破拆除,煙囪倒塌是以球面或者柱面接觸地面的,通常形成的是球面沖擊荷載[1]。 對(duì)于圓柱形且較長(zhǎng)的建筑爆破拆除而引發(fā)的倒塌,通常是以圓筒形接觸地面,然而煙囪主體的外形并非規(guī)則的,這對(duì)理論探索不利,為探索便利,對(duì)模型簡(jiǎn)化處理。

將煙囪主體視為質(zhì)量是M,下部固定而上部自由,圓環(huán)形截面的等效均質(zhì)長(zhǎng)桿。 當(dāng)煙囪出現(xiàn)爆破切口以后,由于重力的影響,主體會(huì)圍著鉸接點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。 主體運(yùn)動(dòng)時(shí)遭受離心力的作用,接觸地面的瞬時(shí)速度能夠劃分成水平以及垂直的速度分量。 在選取合理的切口尺寸以后,相對(duì)于垂直的分量,水平的分量較小,因此,將煙囪同地面接觸的線速度視為同地面垂直,觸地動(dòng)能[2]為:

式中:E1為煙囪觸地動(dòng)能,J;R2為煙囪具有的外半徑下限值,m;R1為煙囪重心位置具有的外半徑,m;r為內(nèi)半徑,m;ρ為整個(gè)煙囪具有的密度,kg/m3;ω為煙囪同地面接觸的瞬時(shí)角速度,m/s;h為煙囪頂部同爆破切口的垂直距離,m。

煙囪倒塌前的勢(shì)能為:

式中:M為煙囪質(zhì)量,kg;g為重力加速度,m/s2;H1為煙囪的重心高度,m。

當(dāng)煙囪發(fā)生倒塌時(shí),可能會(huì)沿著某個(gè)截面出現(xiàn)斷裂,為方便研究運(yùn)算,不計(jì)倒塌時(shí)因?yàn)榻孛鏀嗔讯馐艿哪芰繐p耗,按照能量守恒定律可得:

由式(1)、式(2)、式(3)整理可得到煙囪觸地時(shí)的瞬時(shí)角速度為:

煙囪觸地時(shí),各個(gè)單元的線速度為:

式中:V為線速度,m/s;x為單元接觸地面時(shí)與煙囪根部之間的距離,m。

煙囪主體同地面接觸時(shí),將形成強(qiáng)烈的沖擊效應(yīng),F為沖擊力,dF為單元的沖擊力。 為方便研究而忽略微單元的質(zhì)量,通過(guò)動(dòng)量定理能夠得出:

式中:dM=π[(R-Ztanα)2-(r-Ztanα)2]ρdZ,ΔV=

式中,t為煙囪倒塌觸地時(shí)與地面的接觸時(shí)間,s。

通過(guò)以上公式得知,對(duì)F產(chǎn)生作用的重要因素主要有4 個(gè),即煙囪觸地的時(shí)間,塌落體的密度,斷面切口的大小與位置。

在對(duì)煙囪實(shí)施爆破以前,將減振堤布設(shè)在倒塌位置,使煙囪主體與地面接觸之前,得到一定的緩沖。 主體只是瞬間對(duì)減振堤形成沖擊,在100 ms內(nèi)出現(xiàn)接觸應(yīng)力。 減振堤出現(xiàn)的位移響應(yīng),由開(kāi)始的大面積破壞,至其后的小面積破壞,最后主要是彈性形變的一個(gè)過(guò)程[3]。 隨著時(shí)間的延長(zhǎng),沖擊力會(huì)衰變成煙囪的自重,使煙囪更長(zhǎng)時(shí)間作用于地面。 因而在確定材料本身的密度、斷面缺口自身的尺寸時(shí),能夠借助減振提的布設(shè),促使主體觸地時(shí)間延長(zhǎng),則塌落振動(dòng)會(huì)明顯變小。

3.2 塌落振動(dòng)計(jì)算

根據(jù)中國(guó)科學(xué)研究院力學(xué)研究所總結(jié)的塌落振動(dòng)公式[4]:

式中:Vt為塌落振動(dòng)峰值速度,cm/s;M為煙囪的質(zhì)量,t,取410 t;g為重力加速度,m/s2,取9.8 m/s2;H為構(gòu)件的高度,m,取61 m;σ為地面介質(zhì)破壞強(qiáng)度,MPa,常為10 MPa;R為觀測(cè)點(diǎn)至塌落中心的距離,m;Kt為衰減系數(shù),Kt=3.37 ～4.09,取3.37;β為衰減指數(shù),一般為-1.66 ～-1.80,此次計(jì)算取-1.66。

式中,衰減系數(shù)與衰減指數(shù)取值是在地面沒(méi)有開(kāi)挖溝槽、不鋪設(shè)減振措施條件下的經(jīng)驗(yàn)值。

通過(guò)計(jì)算,不同距離處的塌落振動(dòng)速度計(jì)算值見(jiàn)表1。

表1 不同距離處的塌落振動(dòng)速度計(jì)算值

4 振動(dòng)監(jiān)測(cè)

振動(dòng)監(jiān)測(cè)采用兩臺(tái)NUBOX-6016 爆破振動(dòng)智能監(jiān)測(cè)儀,分別布置在A1 及A3 位置,距離煙囪分別為60、30 m,經(jīng)計(jì)算,A1、A3 位置距離煙囪塌落中心距離分別為30、40 m。 煙囪拆除爆破從起爆到完全倒塌觸地共歷時(shí)8 s,具體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2,實(shí)測(cè)振動(dòng)波形如圖3 所示。

表2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖3 實(shí)測(cè)振動(dòng)波形

A1、A3 測(cè)定檢測(cè)到的信號(hào)均為低頻信號(hào)(倒塌觸地信號(hào))。 A1 測(cè)點(diǎn)距塌落中心30 m,監(jiān)測(cè)到塌落振動(dòng)速度最大值為1.01 cm/s,低于相同距離下塌落振動(dòng)速度理論計(jì)算值1.41 cm/s;A3 測(cè)點(diǎn)距塌落中心40 m,監(jiān)測(cè)到塌落振動(dòng)速度最大值為0.31 cm/s,相較于相同距離處塌落振動(dòng)理論值0.79 cm/s 顯著偏小。 分析說(shuō)明減振堤起到了明顯的減振作用。

5 結(jié)語(yǔ)

從理論方面探索煙囪倒塌力學(xué)模型,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鋼筋混凝土煙囪爆破拆除時(shí)的塌落振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè),在煙囪著地區(qū)域設(shè)置減振堤,促使煙囪主體更長(zhǎng)時(shí)間地作用于接觸面,降低了煙囪倒塌時(shí)對(duì)地面的沖擊力,使煙囪觸地塌落振動(dòng)強(qiáng)度明顯降低。