風(fēng)荷載對(duì)高聳電塔拆除爆破影響研究及實(shí)踐

張西良，崔正榮，儀海豹，劉為洲，楊海濤

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2. 馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責(zé)任公司，安徽 馬鞍山 243000；3. 金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243000)

拆除爆破是采用炸藥爆炸能量拆除建(構(gòu))筑物的重要技術(shù)手段，在社會(huì)城鎮(zhèn)化建設(shè)過(guò)程中發(fā)揮了不可磨滅的作用。經(jīng)過(guò)多年的理論研究及拆除實(shí)踐，取得大量研究成果和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)的馮叔瑜、汪旭光、于亞倫和謝先啟等[1-5]專家教授組織編寫了多部控制爆破著作，為拆除爆破理論與技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；賈永勝、鐘明壽、張廣榮等[6-8]采用數(shù)值模擬手段研究了拆除爆破倒塌規(guī)律，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐驗(yàn)證。

本文以長(zhǎng)江沿岸某廢棄高聳電塔為例，推導(dǎo)了電塔倒塌方向偏轉(zhuǎn)角理論公式，并研究了風(fēng)向、風(fēng)速和風(fēng)振效應(yīng)對(duì)電塔拆除爆破偏轉(zhuǎn)角的影響規(guī)律；最后通過(guò)組織設(shè)計(jì)施工，成功實(shí)現(xiàn)了電塔的定向拆除爆破，較好地驗(yàn)證了理論分析的可靠性，對(duì)類似拆除爆破具有一定指導(dǎo)借鑒作用。

1 工程概況

“皖江第一跨”即 220 kV皖中大跨越，是安徽第1座220 kV大跨越長(zhǎng)江輸電通道，擔(dān)負(fù)著安徽北部與華東電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)重任。皖中大跨越采用耐-直-直-耐的跨越方式，長(zhǎng)江兩岸各有一座分裂式混凝土塔，分別稱為南塔和北塔，兩塔跨越距離1 411 m。該線路于1960年建成投運(yùn)，2014年退役。

北塔位于長(zhǎng)江西岸和縣西梁山鎮(zhèn)聶莊村長(zhǎng)江大堤外。北塔周邊地勢(shì)平坦，距西北側(cè)036縣道(長(zhǎng)江大堤)89 m，距養(yǎng)殖大棚167 m，距北側(cè)小朱莊177 m，距東側(cè)長(zhǎng)江203 m(見(jiàn)圖1)，周邊環(huán)境十分復(fù)雜。

圖1 電塔周圍環(huán)境Fig.1 Electric tower surroundings

電塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔高117 m(其中塔體結(jié)構(gòu)高105 m，塔頂Y型橫擔(dān)高12 m)，底部直徑13 m，頂部直徑4.0 m，塔筒壁厚0.2～0.4 m(底部壁厚大、上部壁厚小)。塔筒內(nèi)設(shè)有鋼梯，供檢修人員使用。電塔退役后，塔身混凝土風(fēng)化開(kāi)裂嚴(yán)重，甚至成塊脫落，影響塔筒結(jié)構(gòu)的安全。為消除塔體安全隱患，計(jì)劃予以爆破拆除。

該電塔拆除爆破的主要技術(shù)難點(diǎn)有：塔頂?shù)臋M擔(dān)未拆除，影響塔體偏轉(zhuǎn)角；塔體高度大，風(fēng)荷載對(duì)偏轉(zhuǎn)角影響大；周邊需要保護(hù)對(duì)象多、環(huán)境復(fù)雜，爆破飛石和振動(dòng)等危害控制難度大。

2 電塔倒塌方向偏轉(zhuǎn)角理論推導(dǎo)

假定爆破切口形成瞬間，切口底部余留支撐體截面上的應(yīng)力按線彈性分布。根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，建立余留支撐體截面特性參數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)圖(見(jiàn)圖2)，圖中陰影部分為余留支撐體截面，ox方向?yàn)樵O(shè)計(jì)預(yù)傾倒方向；c為切口形成后余留支撐截面的形心；R1為切口底部筒體內(nèi)半徑；R2為外半徑。

圖2 爆破切口截面參數(shù)Fig.2 Section parameters of blasting cut

現(xiàn)將坐標(biāo)原點(diǎn)移至c點(diǎn)，以cxy為參考坐標(biāo)系，分析截面上的應(yīng)力。余留支撐體截面上由自重產(chǎn)生的均布?jí)簯?yīng)力為

(1)

式中：G為切口底部截面以上結(jié)構(gòu)自重；A0為考慮配筋后的余留支撐體截面的折算面積。

在繞cy軸、cx軸的彎矩Mcy、Mcx共同作用下，截面上任一點(diǎn)的應(yīng)力σ2為

(2)

此處Icxy=0，上式可簡(jiǎn)化為

(3)

式中：Icx、Icy、Icxy分別為切口底部支撐體截面關(guān)于cx、cy軸的慣性矩和慣性積。

切口底部截面上任一點(diǎn)的合應(yīng)力為σ=σ1+σ2。

假定點(diǎn)(x0,y0)為支撐體截面中性軸上任一點(diǎn)的坐標(biāo)，則中性軸上各點(diǎn)的正應(yīng)力均為0，將(x0,y0)代入應(yīng)力表達(dá)式中，則有

(4)

中性軸方程為

(5)

中性軸斜率方程為

(6)

由于倒塌中心線與中性軸直線相互垂直，假設(shè)電塔傾倒偏轉(zhuǎn)角為φ，即倒塌方向與cx軸正向夾角(逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù))，則有

(7)

(8)

3 風(fēng)荷載對(duì)電塔倒塌方向影響分析

3.1 順風(fēng)向風(fēng)載下倒塌方向偏轉(zhuǎn)角計(jì)算

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[9]，垂直作用于電塔表面單位面積的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值表示為

Wk=βzμzμsw0

(9)

式中：w0為基本風(fēng)壓，對(duì)于高聳結(jié)構(gòu)物電塔采用1.1的增大系數(shù)；βz為距塔體底部高度z處的風(fēng)振系數(shù)；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)，取0.56；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)。

考慮到μz和βz在結(jié)構(gòu)高度方向的分布是頂部最大，為簡(jiǎn)化計(jì)算，這里取沿最大風(fēng)壓高度變化系數(shù)μzmax和結(jié)構(gòu)頂部的風(fēng)振系數(shù)βzmax計(jì)算風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，即

Wk=1.1βzmaxμzmaxμsw0

現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)荷載作用對(duì)電塔產(chǎn)生傾倒旋轉(zhuǎn)彎矩(側(cè)向彎矩)。將風(fēng)荷載等效為均布荷載作用于電塔表面，計(jì)算爆破切口底部風(fēng)載傾覆彎矩時(shí)，將塔體的受荷面積等效成梯形截面(見(jiàn)圖3)。

圖3 風(fēng)荷載計(jì)算Fig.3 Wind load calculation

混凝土塔體風(fēng)載合力可表示為

(10)

式中：H為塔體結(jié)構(gòu)總高度，105 m；d為塔體結(jié)構(gòu)頂部直徑，4 m；D為塔體結(jié)構(gòu)底部直徑，13 m。

合力作用位置距離塔體底部高度為

(11)

假定切口底部距地面高度h0=0.5 m，均布風(fēng)荷載在切口底面的彎矩Mw為

Mw=Fw(Hw-h0)+PW1(h1-h0)+PW2(h2-h0)

(12)

式中：PW1為下橫擔(dān)正面風(fēng)荷載，kN；PW2為頂部?jī)蓹M擔(dān)正面風(fēng)荷載，kN；h1為下橫擔(dān)的高度，88.5 m；h2為頂部?jī)蓹M擔(dān)的高度，100.75 m。

下部橫擔(dān)和頂部羊角橫擔(dān)處桁架和節(jié)點(diǎn)擋風(fēng)的凈投影面積分別為23.47 m2和18.66 m2。計(jì)算得：PW1=3.57 kN，PW2=4.87 kN，Mw=1 345.06 kN。

同時(shí)考慮重力荷載和附屬鋼梯影響，通過(guò)計(jì)算得到基本風(fēng)速v10=5.4 m/s(距地面10 m高度的風(fēng)速)時(shí)，風(fēng)向角α與倒塌偏轉(zhuǎn)角φ關(guān)系如圖4所示。

圖4 風(fēng)向角與倒塌方向偏轉(zhuǎn)角關(guān)系Fig.4 Relationship between wind direction angle and collapse direction angle

可以看出，當(dāng)基本風(fēng)速一定時(shí)，倒塌偏轉(zhuǎn)角隨著風(fēng)向的變化而改變；當(dāng)預(yù)設(shè)倒塌方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°與風(fēng)向一致時(shí)，對(duì)塔體倒塌方向影響最大。

3.2 風(fēng)速對(duì)倒塌方向偏轉(zhuǎn)角的影響

當(dāng)基本風(fēng)速不同時(shí)，作用于結(jié)構(gòu)高度的風(fēng)振系數(shù)βz也不同，基本風(fēng)速v10與風(fēng)振系數(shù)最大值βz max的關(guān)系如圖5所示；順風(fēng)向風(fēng)載作用下，基本風(fēng)速與切口底部的風(fēng)荷載彎矩Mw的關(guān)系如圖6所示。

圖5 基本風(fēng)速與βz max關(guān)系Fig.5 Relationship between basic wind speed and βzmax

圖6 基本風(fēng)速與風(fēng)荷載彎矩Mw關(guān)系Fig.6 Relationship between basic wind speed and Mw

隨著基本風(fēng)速的增加，風(fēng)振系數(shù)最大值βz max和風(fēng)荷載彎矩Mw皆呈現(xiàn)不斷增大趨勢(shì)，進(jìn)而對(duì)電塔的倒塌方向產(chǎn)生影響。

這里進(jìn)一步計(jì)算出了不同風(fēng)速下風(fēng)向角與塔體倒塌偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系(見(jiàn)圖7)。

圖7 風(fēng)向角與倒塌方向偏轉(zhuǎn)角關(guān)系Fig.7 Relationship between wind direction angle and collapse direction angle

塔體倒塌偏轉(zhuǎn)角隨著基本風(fēng)速的增加而增大，且在風(fēng)向角為100°時(shí)取得最大值。當(dāng)基本風(fēng)速在12 m/s以內(nèi)時(shí)，塔體倒塌偏轉(zhuǎn)角可控制在3.2°以內(nèi)。

3.3 橫風(fēng)向風(fēng)振效應(yīng)對(duì)倒塌方向偏轉(zhuǎn)角的影響

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)，當(dāng)雷諾數(shù)Re≥3.5×106，且結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)速的1.2倍大于臨界風(fēng)速時(shí)，即1.2vH>vcr，應(yīng)驗(yàn)算共振響應(yīng)。

雷諾數(shù)Re、臨界風(fēng)速vcr、結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)速vH分別按照下式計(jì)算

Re=69 000vD

(13)

(14)

(15)

計(jì)算得到不同基本風(fēng)速v10下，Re、vH和1.2vH數(shù)值如表1和圖8所示。

表1 不同基本風(fēng)速下Re、vH和1.2vH數(shù)值表

圖8 不同基本風(fēng)速下vcr和1.2vH關(guān)系Fig.8 Relationship between vcr and 1.2vH under different basic wind speeds

當(dāng)1.2vH=vcr時(shí)，計(jì)算得到v10=6.52 m/s。因此，當(dāng)基本風(fēng)速v10>6.52 m/s時(shí)，適宜考慮橫風(fēng)向共振效應(yīng)(跨臨界范圍的強(qiáng)風(fēng)共振)對(duì)塔體的影響。

對(duì)跨臨界的強(qiáng)風(fēng)共振，在臨界風(fēng)速vcr起始點(diǎn)高度H1以上至1.3vcr一段范圍內(nèi)均為共振鎖住區(qū)，基本風(fēng)速均為vcr，存在以下關(guān)系

(16)

(17)

式中：H1為共振臨界風(fēng)速起始高度，m；H2為共振鎖住區(qū)終點(diǎn)高度，當(dāng)計(jì)算H2大于電塔高度時(shí)，取到結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)，m；α為與地面類型相關(guān)的系數(shù)，取0.15。

計(jì)算得到基本風(fēng)速與共振鎖住區(qū)高度的關(guān)系如圖9所示。

圖9 基本風(fēng)速與共振鎖住區(qū)高度的關(guān)系Fig.9 Relationship between basic wind speed and the height of resonance lock zone

隨著基本風(fēng)速的增大，共振鎖住區(qū)高度整體呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。當(dāng)基本風(fēng)速為7.5～8.5 m/s時(shí)引起的橫風(fēng)向共振效應(yīng)最大；風(fēng)速大于8.5 m/s后，共振鎖定區(qū)下移，結(jié)構(gòu)錐度增大，且振型系數(shù)小，可不考慮橫風(fēng)向共振影響。

橫向共振引起的等效靜風(fēng)荷載計(jì)算公式為

(18)

式中：λj為計(jì)算系數(shù)；Φj(z)為結(jié)構(gòu)的第j振型系數(shù)；ξj為結(jié)構(gòu)的阻尼比，混凝土結(jié)構(gòu)取0.05。

假定橫風(fēng)向沿結(jié)構(gòu)高度均勻分布，分別計(jì)算得到不同基本風(fēng)速下橫風(fēng)向風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩，然后得到橫風(fēng)向共振效應(yīng)對(duì)倒塌方向偏轉(zhuǎn)角的影響曲線(見(jiàn)圖10和圖11)。

圖10 v10=8.5 m/s時(shí)倒塌方向偏轉(zhuǎn)角Fig.10 Deflection angle of collapse direction as v10=8.5 m/s

圖11 v10=7.5 m/s時(shí)倒塌方向偏轉(zhuǎn)角Fig.11 Deflection angle of collapse direction as v10=7.5 m/s

與順風(fēng)向風(fēng)載效應(yīng)相比，考慮橫風(fēng)向共振效應(yīng)后，塔體的最大倒塌方向偏轉(zhuǎn)角顯著增加，引起最大偏轉(zhuǎn)角的風(fēng)向也出現(xiàn)顯著變化。當(dāng)風(fēng)速在7.5～8.5 m/s時(shí)，橫風(fēng)向共振效應(yīng)明顯會(huì)使倒塌方向產(chǎn)生較大的偏轉(zhuǎn)角，這里對(duì)應(yīng)的風(fēng)向角與預(yù)定方向并不在90°附近。

4 考慮風(fēng)荷載爆破拆除方案及參數(shù)

根據(jù)電塔周邊環(huán)境，為確保北塔拆除爆破安全，設(shè)計(jì)采用定向倒塌方案；倒塌方向與架線方向一致，南偏東56°。首先對(duì)跨越塔內(nèi)部的鋼梯進(jìn)行預(yù)拆除，避免梯子對(duì)電塔的倒塌方向造成影響。然后按照設(shè)計(jì)的參數(shù)，在指定的位置開(kāi)設(shè)定向窗和導(dǎo)向窗[10-12]，保證電塔倒塌方向的準(zhǔn)確性。

圖12 電塔內(nèi)部鋼梯Fig.12 Steel ladder inside the electric tower

圖13 爆破定向窗Fig.13 Blasting directional window

根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合本工程特點(diǎn)，切口高度取3.6 m。設(shè)計(jì)爆破切口形狀為正梯形，切口角度210°。設(shè)計(jì)鉆孔直徑D為40 mm；采用正方形布孔方式，孔距a×排距b=30 cm×30 cm。

采用復(fù)式非電導(dǎo)爆管起爆系統(tǒng)；以倒塌方向?yàn)橹行模笥腋鞣譃?個(gè)區(qū)，延時(shí)對(duì)稱起爆。

5 爆破危害效應(yīng)控制及爆破效果

5.1 爆破危害控制措施

1)塌落振動(dòng)控制。拆除爆破產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)包括爆破振動(dòng)和建(構(gòu))筑物塌落的觸地振動(dòng)[13-15]，而通常后者的振動(dòng)強(qiáng)度要比爆破振動(dòng)大，且頻率低，對(duì)四周民房等保護(hù)對(duì)象的危害也更大，因此，應(yīng)以控制電塔倒塌觸地振動(dòng)效應(yīng)為主。

為減輕電塔傾倒落地后引起的觸地沖擊振動(dòng)強(qiáng)度，在倒塌方向上分別在距離電塔水平距離30、60、80、95 m處各設(shè)置一道緩沖墻，作為塌落沖擊時(shí)的緩沖墊層。緩沖墻采用廢舊輪胎堆筑，高度為1.2 m。

2)爆破飛散物控制。為有效控制爆破飛散物的危害，設(shè)計(jì)采用12層密目安全網(wǎng)對(duì)爆破切口進(jìn)行覆蓋防護(hù)，相鄰防護(hù)網(wǎng)采用鐵絲捆扎牢固，防止滑落。

5.2 拆除爆破效果

電塔拆除爆破效果如圖14和圖15所示。

圖14 爆破倒塌過(guò)程Fig.14 Blasting collapse process

圖15 爆破倒塌效果Fig.15 Blasting collapse effect

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，電塔附近的基本風(fēng)速在4～7 m/s；通過(guò)嚴(yán)格控制爆破參數(shù)、切口高度、起爆網(wǎng)路等，成功實(shí)現(xiàn)了電塔的定向爆破倒塌，消除了電塔安全隱患?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，現(xiàn)場(chǎng)爆破后電塔按照設(shè)計(jì)傾倒方向進(jìn)行倒塌，電塔實(shí)際傾倒偏轉(zhuǎn)角度在理論分析范圍內(nèi)，較好地驗(yàn)證了理論分析的可靠性。

通過(guò)爆破安全防護(hù)，爆破飛石控制在30 m以內(nèi)，周邊民房等完好無(wú)損；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)顯示，距離電塔90 m和170 m處的最大振動(dòng)速度分別為1.38 cm/s和0.59 cm/s，振動(dòng)速度在周邊設(shè)施的安全范圍內(nèi)。

6 結(jié)語(yǔ)

1)風(fēng)荷載對(duì)電塔偏轉(zhuǎn)角影響分析是指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)拆除爆破的重要理論依據(jù)。研究表明，倒塌偏轉(zhuǎn)角隨著風(fēng)向的變化而改變，當(dāng)預(yù)設(shè)倒塌方向與風(fēng)向一致時(shí)，對(duì)塔體倒塌方向影響最大。塔體倒塌偏轉(zhuǎn)角隨著基本風(fēng)速的增加而增大，且在風(fēng)向角為100°時(shí)取得最大值。

2)當(dāng)基本風(fēng)速為7.5～8.5 m/s時(shí)，橫風(fēng)向共振效應(yīng)會(huì)引起較大的倒塌偏轉(zhuǎn)角，需要注意的是對(duì)應(yīng)的風(fēng)向角與預(yù)定方向并不在90°附近。當(dāng)風(fēng)速小于7.5 m/s或大于8.5 m/s時(shí)，可不考慮橫風(fēng)向共振效應(yīng)的影響。

3)通過(guò)精心設(shè)計(jì)、施工，現(xiàn)場(chǎng)爆破后電塔按照設(shè)計(jì)傾倒方向進(jìn)行倒塌，實(shí)際倒塌偏轉(zhuǎn)角度控制在理論分析范圍內(nèi)，較好地驗(yàn)證了理論分析的可靠性。