煙囪定向爆破的振動(dòng)影響研究

摘 要：針對(duì)煙囪定向爆破工作，對(duì)其產(chǎn)生的振動(dòng)影響進(jìn)行分析。根據(jù)爆破過程，從數(shù)學(xué)、力學(xué)分析的角度，對(duì)其發(fā)生前沖、后坐的過程進(jìn)行建模，重點(diǎn)分析第一次前沖和第二次前沖的影響。通過各單元的參數(shù)配置，對(duì)煙囪定向爆破的過程進(jìn)行仿真分析，從爆破、坍塌到2次前沖，一共持續(xù)了17s的時(shí)間。對(duì)爆破過程的振動(dòng)分析，監(jiān)測(cè)到了4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的振動(dòng)速度變化波形，細(xì)致地分析了振動(dòng)形成的影響。

關(guān)鍵詞：煙囪；定向爆破；振動(dòng)；模擬仿真

中圖分類號(hào)：O 38 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

爆破技術(shù)為高危建筑的拆除提供了充分的技術(shù)支持。其中，煙囪的爆破拆除是非常有代表性的一種[1]。爆破拆除不僅拆除效率高，而且也可以更有效地避免工人在拆除作業(yè)過程中所面臨的風(fēng)險(xiǎn)。然而，爆破拆除也有其自身的風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)代的煙囪建筑一般都采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，建筑本身堅(jiān)固程度高，再加上周圍環(huán)境復(fù)雜，就大大增加了爆破過程中的風(fēng)險(xiǎn)和難度[2]。為了達(dá)到摧垮煙囪結(jié)構(gòu)的火藥量，爆破過程也帶來了更大的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是其中的不可預(yù)測(cè)因素會(huì)增加爆破難度。整個(gè)爆破過程涉及爆破技術(shù)、火藥技術(shù)、建筑技術(shù)、結(jié)構(gòu)力學(xué)技術(shù)、材料力學(xué)技術(shù)等，爆破方案的設(shè)計(jì)需要多門類知識(shí)的交叉運(yùn)用和融會(huì)貫通[3]。而從爆破過程來看，煙囪在爆炸作用下傾倒、下挫、前沖、后坐都不一定會(huì)嚴(yán)格按照預(yù)想的角度和位置完成。即便爆破方案高度實(shí)現(xiàn)，煙囪爆破倒塌的過程中還伴隨了大量的粉塵和有毒物飛濺，最主要的是爆破過程中的振動(dòng)會(huì)對(duì)周圍的其他建筑和居民生活產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因此，本文針對(duì)煙囪定向爆破問題，對(duì)其造成的振動(dòng)影響進(jìn)行研究。

1 煙囪定向爆破中的傾倒過程分析

為了最大限度地提升煙囪爆破過程的安全性，一般都會(huì)設(shè)置定向爆破的方案，使煙囪按照既定的方向坍塌。煙囪在爆破過程中會(huì)出現(xiàn)前沖、后坐的情況，這些情況如果按照預(yù)想進(jìn)行就可以最大限度地完成爆破方案，減少對(duì)周邊建筑和人的損害。這些情況如果沒有按照預(yù)想進(jìn)行，就可能帶來較大的危害。同時(shí)，煙囪坍塌及接觸地面過程中所涉及的振動(dòng)也與前沖和后坐的具體情況有關(guān)。因此，為了更好地分析煙囪爆破過程中的振動(dòng)影響，要先分析其前沖和后坐的規(guī)律。

首先，分析定向爆破中煙囪的前沖問題，在煙囪爆破坍塌的過程中，使其前沖的作用力主要是來自煙囪支撐部位的徑向反力。當(dāng)這個(gè)作用力達(dá)到一定程度時(shí)，煙囪就會(huì)脫離支撐部位發(fā)生前沖現(xiàn)象。

煙囪在定向爆破倒塌的過程中，一般會(huì)發(fā)生兩次前沖。從前沖的出現(xiàn)到塌落部分與地面產(chǎn)生接觸，稱為第一次前沖。在接觸地面后，塌落部分的沖量如果大于地面能夠提供的摩擦力，塌落部分會(huì)進(jìn)一步前沖，稱為第二次前沖。為了刻畫前沖過程中的運(yùn)動(dòng)效果，分別設(shè)置煙囪塌落前沖部分的水平向速度與垂直向速度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。在第一次前沖后，當(dāng)煙囪塌落部分觸地破碎后，雖然觸地，但是仍保留了一部分加速度，這時(shí)觸地部分會(huì)沿著地面進(jìn)行二次前沖，直到在地面摩擦力的作用下速度降至0。2次前沖過程中的速度與時(shí)間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。2次前沖的效果如圖1所示。

2 煙囪爆破過程中模擬仿真

煙囪在定向爆破過程中發(fā)生第一次前沖到前沖結(jié)束后的距離，如公式（1）所示。

L1=l1-l2-l3-R3 （1）

式中：L1為煙囪在定向爆破過程中發(fā)生第一次前沖到前沖結(jié)束后的距離；l1為煙囪在定向爆破過程中因絕對(duì)前沖所產(chǎn)生的距離；l2為煙囪在定向爆破過程中因傾倒產(chǎn)生的后坐距離；l3為煙囪在定向爆破過程中因傾倒產(chǎn)生的下坐距離；R3為煙囪底部的外圓半徑。

煙囪在定向爆破過程中發(fā)生第二次前沖到前沖結(jié)束后的距離，如公式（2）所示。

（2）

式中：L2為煙囪在定向爆破過程中發(fā)生第二次前沖到前沖結(jié)束后的距離；vx為煙囪定向爆破過程中塌落前沖部分的水平向速度；μ2為地面和煙囪塌落部分之間的摩擦系數(shù)；g為重力加速度；t2為第二次前沖的時(shí)間即煙囪塌落部分前沖和地面形成摩擦直至速度降低為0的時(shí)間。

前文結(jié)合煙囪定向爆破過程的前沖和后坐，重點(diǎn)分析了第一次前沖和第二次前沖。在此基礎(chǔ)上，為了更好地分析爆破、塌落過程中的振動(dòng)影響，先進(jìn)行爆破過程的模擬仿真。模擬仿真的進(jìn)程，如圖2和圖3所示。

圖2和圖3中的計(jì)算依托第1節(jié)給出的數(shù)學(xué)模型和公式，例如：圖3中第12s時(shí)，煙囪在定向爆破過程中因絕對(duì)前沖所產(chǎn)生的距離l1=30.50m，煙囪在定向爆破過程中因傾倒產(chǎn)生的后坐距離l2=3.43m，煙囪在定向爆破過程中因傾倒產(chǎn)生的下坐距離l3=6.68m，煙囪底部的外圓半徑R3=4m。根據(jù)公式（1）可以計(jì)算出，煙囪在定向爆破過程中發(fā)生第一次前沖到前沖結(jié)束后的距離L1，如公式（3）所示。

L1=l1-l2-l3-R3=30.50-3.43-6.68-4=16.39 m （3）

第12s時(shí)，煙囪定向爆破過程中塌落前沖部分的水平向速度vx=2.3m/s，t2=12s，地面和煙囪塌落部分之間的摩擦系數(shù)μ2=0.0164，重力加速度g=9.8m/s2。根據(jù)公式（2）可以計(jì)算出，煙囪在定向爆破過程中發(fā)生第二次前沖到前沖結(jié)束后的距離L2，如公式（4）所示。

=2.3×12-0.5×0.0164×9.8×12×12=16.01 m " （4）

根據(jù)上述2個(gè)結(jié)果可以計(jì)算出仿真圖中煙囪的前沖距離，其他時(shí)間點(diǎn)上的計(jì)算按照同樣的方法進(jìn)行。

根據(jù)計(jì)算，圖2和圖3一共設(shè)定了周期為17s的仿真時(shí)間。圖2給出了0s～10s的仿真結(jié)果，爆破發(fā)生在第0s，隨著爆破產(chǎn)生的破壞力，煙囪在第2s開始出現(xiàn)裂痕，到第4s開始出現(xiàn)微傾，到第6s～8s已經(jīng)有比較明顯的傾斜角度，到第10s已經(jīng)出現(xiàn)了較大的傾斜角度。

圖3給出了10s～17s的仿真結(jié)果。當(dāng)爆破過程發(fā)生到12s，煙囪頂部已經(jīng)完全斷折，到第14s，塌落的部分完成觸地和第一次前沖，到第16.3s，塌落的部分完成第二次前沖。

在這個(gè)仿真過程中，具體的參數(shù)配置見表1。

3 煙囪爆破過程中的振動(dòng)監(jiān)測(cè)與影響分析

煙囪定向爆破的過程會(huì)對(duì)周圍環(huán)境、建筑、人產(chǎn)生明顯的影響，例如大量的飛濺粉塵、碎石甚至是有毒物，這其中影響最大的是振動(dòng)。因此考慮整體的安全性，必須注重對(duì)振動(dòng)的監(jiān)測(cè)和控制。

在本文中仿真環(huán)境中，結(jié)合城市高聳煙囪周邊的常見配置，給出了酒店、停車場(chǎng)、醫(yī)院、居民小區(qū)等常見單元。這四類單元分布在煙囪的附近，在其中分別設(shè)置振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。酒店內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)捕捉到煙囪爆破的振動(dòng)信息波動(dòng)曲線，如圖4所示。

根據(jù)振動(dòng)縱波的實(shí)際情況，這里的振動(dòng)速度有正向和反向的設(shè)置。其中，正向速度用正值表示，反向速度用負(fù)值表示。由圖3可知，由于酒店距離煙囪的位置較遠(yuǎn)，再加上測(cè)試點(diǎn)設(shè)置在酒店2層樓房?jī)?nèi)，因此其振動(dòng)速度的絕對(duì)幅度變化并不大，振動(dòng)速度在±0.20cm/s的范圍內(nèi)變化。隨著振動(dòng)波的傳遞，酒店內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在11s附近捕捉到爆破引發(fā)的最大振動(dòng)峰值。

停車場(chǎng)內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)捕捉到煙囪爆破的振動(dòng)信息波動(dòng)曲線，如圖5所示。

由圖5可知，因?yàn)橥＼噲?chǎng)距離煙囪的位置較近，再加上停車場(chǎng)為露天平地停車場(chǎng)，測(cè)試點(diǎn)就放在地面上，所以其振動(dòng)速度的絕對(duì)幅度變化較大，振動(dòng)速度在±1.2cm/s的范圍內(nèi)變化。隨著振動(dòng)波的傳遞，停車場(chǎng)內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)也在11s附近捕捉到爆破引發(fā)的最大振動(dòng)峰值。

醫(yī)院內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)捕捉到煙囪爆破的振動(dòng)信息波動(dòng)曲線，如圖6所示。

由圖6可知，因?yàn)獒t(yī)院距離煙囪的位置也比較遠(yuǎn)，再加上測(cè)試點(diǎn)設(shè)置在醫(yī)院5層樓房?jī)?nèi)，所以其振動(dòng)速度的絕對(duì)幅度變化并不大，振動(dòng)速度在±0.24cm/s的范圍內(nèi)變化。隨著振動(dòng)波的傳遞，醫(yī)院內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在第8s和第11s附近捕捉到最大和次大振動(dòng)峰值。這與爆破振動(dòng)與醫(yī)院樓體的諧振效應(yīng)有關(guān)。

居民小區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)捕捉到煙囪爆破的振動(dòng)信息波動(dòng)曲線，如圖7所示。

由圖7可知，因?yàn)榫用裥^(qū)距離煙囪的位置適中，再加上測(cè)試點(diǎn)設(shè)置在小區(qū)3層樓房?jī)?nèi)，所以其振動(dòng)速度的絕對(duì)幅度變化并不大，振動(dòng)速度在±0.4cm/s的范圍內(nèi)變化。隨著振動(dòng)波的傳遞，居民小區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在第8s捕捉到最大振動(dòng)峰值。而前三組出現(xiàn)在11s的振動(dòng)峰值沒有捕捉到，這是因?yàn)闇y(cè)試點(diǎn)周邊存在裝修噪聲的影響引起了干擾。

4 結(jié)語(yǔ)

高危建筑爆破是一項(xiàng)難點(diǎn)工作，而煙囪的定向爆破是其中比較常見的項(xiàng)目。煙囪爆破受煙囪本身結(jié)構(gòu)、建筑材料和周邊環(huán)境的影響，且爆破過程的許多未知因素和復(fù)雜性，往往伴隨等級(jí)較高的風(fēng)險(xiǎn)，爆破難度較大。首先，本文分析了煙囪定向爆破過程中的前沖和后坐以及其和地面接觸、摩擦對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生的影響。其次，在此基礎(chǔ)上，通過17s的仿真過程模擬刻畫了煙囪從爆破到傾倒的全貌。最后，通過4個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)試了爆破過程中不同位置處受到的振動(dòng)影響。

參考文獻(xiàn)

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