120 m高鋼筋混凝土排氣塔爆破拆除數(shù)值模擬研究*

高文樂，段耀奎，柳鵬輝，方昌華，李傳水，吳 超

(1.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，青島 266590;2.山東同利爆破有限公司，濰坊 262400; 3.棗莊市金星爆破有限公司，棗莊 277116)

近年來，國內(nèi)爆破拆除煙囪的高度不斷增大，高煙囪具有長細(xì)比大、自重大、壁厚與半徑比小等特點，故容易傾倒，爆破拆除此類煙囪會出現(xiàn)壓潰、下坐、碰撞、偏轉(zhuǎn)等復(fù)雜現(xiàn)象，國內(nèi)普遍使用基于支撐部破壞失穩(wěn)的靜固中性軸“塑性鉸”模型的切口設(shè)計原理。王宇等對180 m高鋼筋混凝土煙囪爆破拆除過程中的下坐和空中斷裂現(xiàn)象研究得，減速運動使煙囪受到強烈的慣性力，產(chǎn)生較高的豎向動荷載，導(dǎo)致空中斷裂[1]；孫金山等對拆除爆破數(shù)值模擬中鋼筋混凝土構(gòu)件的建模及參數(shù)取值方法研究得，采用應(yīng)變率相關(guān)的本構(gòu)模型時，應(yīng)變率的強烈波動導(dǎo)致材料性能變化過于復(fù)雜[2]；王云茂等對薄壁式傘形水塔爆破拆除傾倒失穩(wěn)驗算得，爆破切口圓心角取值越大，越有利于水塔的順利倒塌[3]；任江等對兩座150 m高鋼筋混凝土煙囪同時爆破拆除研究分析[4]；費鴻祿等對切口形狀對高煙囪拆除爆破傾倒后坐的影響研究得，合理減小切口圓心角，可以有效減小高煙囪的后坐范圍等[5]。

在前人研究的基礎(chǔ)上，針對120 m高鋼筋混凝土排氣塔爆破拆除工程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，隨著爆破煙囪高度不斷增加，在爆破拆除倒塌過程中煙囪斷裂現(xiàn)象時常發(fā)生，為此結(jié)合有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA對排氣塔爆破傾倒過程進(jìn)行預(yù)演，并對結(jié)構(gòu)頂部、折斷部位、底部支撐部位的運動問題進(jìn)行探討分析，并探究煙囪倒塌和斷裂過程中的運動狀態(tài)和倒塌過程中斷裂緣由，為以后類似工程的爆破拆除提供一定參考[6-13]。

1 工程概況

新材料排氣塔位于濰坊市寒亭區(qū)，實體圖見圖1。塔高120 m，結(jié)構(gòu)為鋼筋砼結(jié)構(gòu)，底部直徑10 m，壁厚0.4 m，離地10 m處有排氣管道連接口，排氣塔上口直徑為6.4 m，壁厚0.25 m，在70 m位置出現(xiàn)截面突變。排氣塔在廠區(qū)東北方，距北院墻約110 m，距禹王路150 m；距東院墻約120 m，南距廠區(qū)內(nèi)道路約150 m，西距待拆除廠房50 m，西北距待拆除配電所70 m。根據(jù)現(xiàn)場情況，擬向正南方向整體放倒后破碎。周邊環(huán)境如圖2所示。

圖1 新材料排氣塔立體圖Fig. 1 Three-dimensional view of new material exhaust tower

圖2 排氣塔周圍環(huán)境示意圖(單位：m)Fig. 2 Schematic diagram of the surrounding environment of the exhaust tower(unit：m)

2 爆破方案設(shè)計

本工程兩側(cè)導(dǎo)向窗與定向窗提前用機械破碎，中間部分鉆孔爆破。以排氣塔塔基地表為基準(zhǔn)面，在排氣塔南側(cè)塔身0.5 m以上開設(shè)定向窗和導(dǎo)向窗，保證兩側(cè)定向窗在同一高程，確保倒塌方向按指定方向傾倒，提前將排氣塔內(nèi)的底部一小部分內(nèi)襯拆除以防影響倒塌。

為保證排氣塔不發(fā)生后坐并按照預(yù)定方向傾倒，爆破切口形成后，排氣塔前傾產(chǎn)生的壓應(yīng)力遠(yuǎn)大于切口內(nèi)的鋼筋抗壓屈服強度，預(yù)留支撐面需提供足夠的支撐能力，來保證排氣塔按設(shè)計方向傾倒。鋼筋混凝土抗壓強度為7.2 MPa，在離地面0.5 m處對應(yīng)爆破下切口弧度為20.9 m，預(yù)留支撐面截面面積為4.02 m2，排氣塔重量引起壓應(yīng)力為3.66 MPa，說明爆破切口形成時，余留截面有足夠支撐力確保排氣塔不產(chǎn)生后坐。

切口高度決定切口范圍內(nèi)混凝土被炸離鋼筋骨架后豎向鋼筋的穩(wěn)定性，也是衡量排氣塔爆破切口上下面閉合時排氣塔重心偏移距離能否大于切口處排氣塔外半徑的重要指標(biāo)，為保證倒塌根據(jù)經(jīng)驗并結(jié)合本工程實際情況排氣塔切口高度取3.5 m。排氣塔爆破切口參數(shù)表見表1，排氣塔切口布置圖見圖3。本工程最小抵抗線W=0.2 m，炮孔孔距0.4 m，炮孔排距0.3 m，孔深0.3 m，炸藥單耗3.2 kg/m3，單孔藥量150 g，布孔方式采用正方形布孔，從離地高0.5 m處布孔，炮孔排數(shù)取13，共鉆鑿234個孔。

表1 排氣塔爆破切口參數(shù)Table 1 Blasting incision parameters of exhaust tower

圖3 爆破切口布置圖(單位：m)Fig. 3 Layout of blasting cuts(unit：m)

3 有限元數(shù)值模擬

鋼筋混凝土排氣塔有限元模型按照排氣塔實際尺寸建立，為了能體現(xiàn)鋼筋和混凝土在定軸轉(zhuǎn)動過程中各自受力狀態(tài)，采用分離式共節(jié)點模型。混凝土和地面均采用SOLID164單元，共建立四個part，分別為地面、排氣塔主體、爆破部分及鋼筋，鋼筋混凝土模型采用96號模型材料MAT_BRITTT LE_DAMAGE見表2，這是一種比較理想的鋼筋混凝土材料模型，這種材料模型可以支持鋼筋截面配筋率的設(shè)定和混凝土失效定義。

表2 96號材料鋼筋混凝土的材料模型參數(shù)選取Table 2 Selection of material model parameters for material No.96 reinforced concrete

地面單元尺寸設(shè)置為10 m，排氣塔主體爆破失效部分模型單元尺寸為0.1 m,運用sweep掃掠網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分保證計算結(jié)果的精確性，排氣塔主體結(jié)構(gòu)共劃分144660個單元，地面共劃分100個單元，爆破失效部分共劃分1506個單元，通過關(guān)鍵字*MAT_ADD_OSION控制排氣塔爆破切口形成，材料失效通過定義材料的Fs參數(shù)控制，選取Fs值為0.11。

在倒塌過程中建筑物與地面的接觸非常復(fù)雜，爆破切口形成后，排氣塔在自重作用下支撐部位發(fā)生脆性斷裂，排氣塔底部一般不會發(fā)生破壞，因此，建模時選用CONTACT_ERODING_SINGLE_SURFACE定義混凝土單元之間以及混凝土單元和地面的接觸，通過向節(jié)點組元施加重力加速度，施加重力載為9.8 m/s2，對結(jié)構(gòu)距地面0.5 m以下位置施加xyz方向的約束，模擬時設(shè)定的靜摩擦系數(shù)為0.5，動摩擦系數(shù)為0.4。

3.1 排氣塔爆破拆除倒塌過程數(shù)值模擬結(jié)果

采用LS-PrePost對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行后處理，爆破切口形成后，鋼筋混凝土排氣塔切口支撐部位變形破壞狀態(tài)數(shù)值模擬如圖4，對應(yīng)實際倒塌過程圖5進(jìn)行對比，排氣塔筒體倒塌過程數(shù)值模擬計算結(jié)果分別取2 s、4 s、6 s、8 s、10 s、11 s時的倒塌狀態(tài)如圖4所示。

圖4 鋼筋混凝土排氣塔數(shù)值模擬倒塌過程Fig. 4 Numerical simulation collapse process of reinforced concrete Exhaust tower

3.2 排氣塔爆破拆除倒塌過程攝影觀測結(jié)果

為實際觀測爆破切口形成后筒體定向倒塌過程，對筒體倒塌過程進(jìn)行拍攝。爆破切口形成后，筒體開始下座定向偏轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)經(jīng)歷約4.5 s左右的應(yīng)力重分布后，定向窗角混凝土壓碎，在第6 s左右破壞貫穿整個支撐截面，在8.5 s左右在結(jié)構(gòu)約70 m位置出現(xiàn)斷裂，隨后筒體分離成兩部分，下筒體繞塑性鉸緩慢傾倒，上半筒體做自由落體運動，直至倒塌觸地結(jié)束，倒塌過程共約11.8 s。選取倒塌過程中的第2 s、4 s、6 s、8 s、10 s，11 s的倒塌狀態(tài)見圖5。

圖5 鋼筋混凝土排氣塔爆破拆除倒塌過程Fig. 5 The collapse process of reinforced concrete Exhaust tower demolition by blasting

圖4與圖5對比分析得，數(shù)值模擬筒體的倒塌過程姿態(tài)與實際爆破的倒塌過程姿態(tài)高度一致，其中數(shù)值模擬計算的排氣塔整體觸地時間為12 s，實際爆破的排氣塔整體觸地時間約11.5 s，模擬時間與實際倒塌大致相同；根據(jù)模擬計算與實際爆破的結(jié)果，可把結(jié)構(gòu)倒塌過程分為切口形成階段(0.2 s)、大偏心受壓脆性斷裂傾倒階段(0.2～4.7 s)、下坐階段(4.7～5.6 s)、空中下落傾倒階段(5.6～11.4 s)以及觸地階段(11.3～12 s)。由模擬得，結(jié)構(gòu)在9 s時在結(jié)構(gòu)約75 m位置出現(xiàn)裂隙，觀察得在8.5 s時，在結(jié)構(gòu)約70 m位置出現(xiàn)斷裂跡象，數(shù)值模擬與實際筒體斷裂位置大致相符，模擬效果較理想。

3.3 排氣塔筒體整體下坐過程速度分析

為研究排氣塔頂部單元運動情況，更好的分析建筑物爆破倒塌的運動狀態(tài)，在排氣塔頂部選取一個混凝土A單元。

在排氣塔整體下坐減速階段，在結(jié)構(gòu)中部發(fā)生混凝土壓縮破壞，斷裂位置發(fā)生在距地面75 m左右高度處。斷裂發(fā)生后，下半筒體沿倒塌方向繼續(xù)傾倒，上半筒體與下半筒體分離，繞斷裂面旋轉(zhuǎn)做自由落體運動，對其斷裂面進(jìn)行分析，為更好的分析建筑物爆破倒塌過程中的斷裂原因，選取排氣塔斷裂部位B單元。

爆破切口高度是保證排氣塔穩(wěn)定倒塌的重要參數(shù)，確定切口高度要確保切口形成后切口內(nèi)裸露的豎向鋼筋失穩(wěn)，還要考慮切口上下沿閉合線相撞時，結(jié)構(gòu)傾倒角度能防止相撞時使傾倒方向不發(fā)生偏離。爆破切口形成后，混凝土抗拉強度低很快失效，切口內(nèi)縱筋失穩(wěn)退出工作，預(yù)留支撐面作用則由重力壓縮產(chǎn)生的壓應(yīng)力和重力矩，對支撐面中性軸的彎曲所產(chǎn)生的拉應(yīng)力。切口形成后開始下坐，為研究結(jié)構(gòu)底部支撐部位單元運動情況，在結(jié)構(gòu)底部選取一個混凝土C單元，輸出豎向速度曲線圖6。

由圖6得，排氣塔在t=4.7 s之前豎向速度沒有明顯變化，故此為應(yīng)力重分布階段。由折線A知在4.7 s左右之后，結(jié)構(gòu)豎向塌落速度明顯加快，在9 s時結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂豎向加速度出現(xiàn)短暫為零，結(jié)構(gòu)勻速下降持續(xù)時間約0.15 s，在11.3 s時排氣塔上半筒體頂部位置單元速度達(dá)最大值。數(shù)值模擬計算得，結(jié)構(gòu)最大觸地速度約為46 m/s，在11.3 s時上半筒體底部觸地，之后做減速運動直至倒塌結(jié)束，其他單元觸地后彈起該單元速度有所波動，12 s時倒塌運動結(jié)束。

圖6 排氣塔所選部位單元豎向速度曲線圖Fig. 6 The vertical velocity curve of selected parts of the exhaust tower

由折線B知，4.7 s左右之后結(jié)構(gòu)豎向傾倒速度明顯加快，在5.6 s至9 s時結(jié)構(gòu)加速度幾乎為零，說明在該時間段內(nèi)結(jié)構(gòu)下半筒體底部觸地處于破碎狀態(tài)。9 s之后下半筒體破碎部分與完整部分脫離結(jié)構(gòu)繼續(xù)做緩慢傾倒運動，速度開始逐漸加快，結(jié)構(gòu)在10.8 s時速度達(dá)最大為29 m/s，之后速度突減持續(xù)0.15 s左右清零，故在10.8 s時下半筒體底部部分觸地，在11.2 s時下半筒體頂部觸地。在11.2～12 s之間，速度持續(xù)波動是由于結(jié)構(gòu)組合復(fù)雜內(nèi)附鋼筋等原因，該單元觸地后被連續(xù)彈起，故速度有所波動。

由折線C知，0～4.7 s之間速度稍有波動是因爆破區(qū)域震動的影響，支撐部混凝土受拉區(qū)在拉應(yīng)力作用下開始產(chǎn)生一些微小裂紋，4.7 s左右之后結(jié)構(gòu)豎向塌落速度明顯加快，即整個底部支撐區(qū)域的裂紋貫通并斷裂，在5.6 s時排氣塔底部支撐位置單元速度達(dá)到最大。數(shù)值模擬計算得，所選結(jié)構(gòu)單元最大速度約為7.6 m/s，之后經(jīng)過0.4 s左右減速運動速度恢復(fù)零值，即所選支撐位置單元觸地，之后經(jīng)1.5 s左右的速度波動穩(wěn)定下來是因其他單元觸地對該單元引起震動?，F(xiàn)對結(jié)構(gòu)支撐部位數(shù)值模擬受力變形破壞過程圖，分別取0.2 s、1.1 s、4.7 s、5.6 s的倒塌狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 支撐部位數(shù)值模擬受力變形破壞過程Fig. 7 Numerical simulation of the deformation and failure process of the support part

由數(shù)值模擬觀察可得，在0.2 s時結(jié)構(gòu)爆破部分失效，在切口頂角出現(xiàn)應(yīng)力集中，在1.1 s時底部支撐開始出現(xiàn)裂隙。有應(yīng)力云圖得，在切口底角處出現(xiàn)應(yīng)力集中，4.7 s時裂隙貫通整個結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)主體與基礎(chǔ)部分完全分離，結(jié)構(gòu)做自由落體運動，在5.6 s時爆破切口閉合，結(jié)構(gòu)做傾倒運動。

3.4 排氣塔筒體整體下坐過程位移分析

為更好地分析建筑物爆破倒塌的運動狀態(tài)，現(xiàn)研究其頂部、斷裂部及底部支撐部橫向位移，輸出單元位移圖8

由圖8所選的頂部A單元的位移為104 m，在4.7～11.3 s階段排氣塔頂部向下速度處于加速過程，9 s后結(jié)構(gòu)分離頂部單元豎向速度在下坐階段以自由落體的形式進(jìn)行加速，結(jié)構(gòu)截斷現(xiàn)象對上半部分結(jié)構(gòu)位移幾乎無影響。

圖8 排氣塔所選部位單元橫向位移曲線圖Fig. 8 The vertical displacement curve of selected parts of the exhaust tower

由折線B可知4.7 s之后倒塌橫向位移開始急速下降，橫向總位移為50 m，底部觸地破碎高度為21 m，其中切口高度為4 m，因塑性鉸原因，故下半結(jié)構(gòu)處于緩慢下落過程，在9 s時結(jié)構(gòu)斷裂，對結(jié)構(gòu)位移幾乎無影響。由折線C得，所選底部單元在5.6 s時開始出現(xiàn)微小移動，產(chǎn)生約2 m后座距離，倒塌范圍為106 m。

結(jié)構(gòu)中間位置出現(xiàn)缺陷主要是因為隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，結(jié)構(gòu)相應(yīng)的直徑會減小，從結(jié)構(gòu)底部直徑10 m到頂口直徑6.4 m，又因120 m高排氣塔長細(xì)比大、自重力大、慣性大更容易傾倒，故排氣塔在傾倒過程中，中間位置極其容易出現(xiàn)裂隙，還有結(jié)構(gòu)經(jīng)多年的風(fēng)化侵蝕，混凝土本身飽和度低，容易吸水且其抗拉強度低，內(nèi)部鋼筋吸水已銹蝕，故所承受的拉應(yīng)力下降，還可能是施工時該部位鋼筋搭接不牢固及多次澆筑等多方面原因，造成結(jié)構(gòu)傾倒斷裂現(xiàn)象。

4 結(jié)論

(1)運用有限元分析軟件LS-DYNA模擬排氣塔倒塌過程與實際倒塌過程進(jìn)行對比分析，由模擬計算可得，排氣塔傾倒的位移時程曲線和速度曲線與實際倒塌吻合較好，數(shù)值模擬結(jié)果可靠。

(2)在排氣塔下坐過程中，沖擊破壞與加速下落相互作用。在結(jié)構(gòu)倒塌過程中，結(jié)構(gòu)缺陷部位混凝土被破碎，在傾倒過程中直徑突變部位被折斷，且該部位混凝土風(fēng)化嚴(yán)重，內(nèi)部鋼筋銹蝕抗拉應(yīng)力降低，容易折斷。

(3)通過對折斷部位、底部支撐部位單元分析得：在爆破切口形成后結(jié)構(gòu)開始下坐，應(yīng)力集中位置隨傾倒角度變化而改變，首先切口角頂先出現(xiàn)應(yīng)力集中，背部裂開之后切口底角出現(xiàn)應(yīng)力集中；筒體斷裂后，下半筒體因塑性鉸原因緩慢傾倒，上半筒體做自由落體運動，倒塌結(jié)束破碎長度為106 m，觸地時速度達(dá)最大，上筒體最大觸地速度為49 m/s,下筒體速度達(dá)最大為29 m/s；整個倒塌過程約12 s，實際為11.8 s,模擬時間與實際倒塌時間基本相符。

(4)運用數(shù)值模擬對結(jié)構(gòu)速度位移分析，可以有效的確定倒塌范圍和最大沖擊力，來設(shè)定安全警戒范圍，為以后拆除此類相似工程提供經(jīng)驗借鑒，做出合理的設(shè)計方案。