煙囪定向爆破拆除倒塌過程*

言志信，葉振輝，劉培林

（1.西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；

2.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

煙囪定向爆破拆除倒塌過程*

言志信1，2，葉振輝1，2，劉培林1，2

（1.西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；

2.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

針對煙囪爆破拆除，通過建立煙囪倒塌的力學(xué)模型，運用數(shù)學(xué)方法推演了煙囪最大彎矩區(qū)域和最大剪應(yīng)力區(qū)域。此外，采用有限元軟件ANSYS／LS-DYNA對煙囪倒塌過程進行了數(shù)值模擬，并與實際倒塌過程相比較。數(shù)值模擬結(jié)果表明，在距離地面約1／3、1／2和2／3處，筒體有應(yīng)力集中現(xiàn)象，這些部位在煙囪倒塌過程中容易折斷，這與理論分析和實際過程相吻合。煙囪折斷發(fā)生的位置和時間與筒體的切口形狀和筒體材料的力學(xué)性能密切相關(guān)，磚煙囪和鋼筋混凝土煙囪的力學(xué)性能存在明顯的差異。

爆炸力學(xué)；力學(xué)模型；ANSYS／LS-DYNA；煙囪；爆破拆除

1 引 言

20世紀80年代以來，拆除爆破得到了廣泛的應(yīng)用，拆除爆破趨向高層化，難度不斷加大，各類高層建（構(gòu)）筑物控制拆除爆破成功的例子不勝枚舉。目前為止，我國用爆破法拆除的最高建筑物為高93.05m的中國銀行溫州市分行大廈，最高的煙囪是國電成都熱電廠的鋼筋混凝土煙囪，高210m。煙囪在倒塌過程中的折斷現(xiàn)象，一直被關(guān)注［3－11］。

本文中，依據(jù)數(shù)學(xué)原理分析高聳構(gòu)筑物煙囪折斷的機理，并結(jié)合有限元分析軟件ANSYS／LS-DYNA對煙囪爆破傾倒過程中的折斷問題進行深入探討。

2 煙囪爆破拆除的基本原理

煙囪的爆破拆除原理是在煙囪的底部用爆破方法炸出1個一定寬度和高度的缺口，使由重力對余留支撐體偏心引起的傾覆力矩大于或等于余留支撐體截面的極限抗彎力矩。此外，在切口閉合時重心偏移的距離應(yīng)大于缺口處煙囪的外半徑。

爆破缺口的形狀在煙囪初始傾倒階段具有輔助支撐、準確定向、防止折斷和控制后座的作用，其中梯形缺口和倒梯形缺口的三角形有利于傾倒過程定向準確、平穩(wěn)，并有效地防止后坐。所以一般爆破缺口都選擇梯形或倒梯形。

3 煙囪爆破ANSYS／LS-DYNA動力分析模型

3.1 煙囪的力學(xué)模型

大部分的煙囪都是上細下粗的，并且豎向尺寸遠大于橫向尺寸。為了簡化力學(xué)分析模型，把煙囪體看成上細下粗的筒體結(jié)構(gòu)。假設(shè)密度為ρ，由于煙囪是1種細而長的構(gòu)筑物，所以可以假定煙囪的高度H和煙囪的母線長L之間滿足H≈L。設(shè)煙囪頂部半徑為R1，底部半徑為R2，煙囪的質(zhì)量為m，角加速度為β。容易求得距離地面y處的筒體半徑

煙囪在傾倒過程中與豎直方向的夾角為φ時，由剛體轉(zhuǎn)動定律，有

現(xiàn)在取煙囪筒體的任意1個質(zhì)量微元為Δm，把它單獨作為1個研究對象，那么它受到相鄰質(zhì)量對它的總的外力向量為F，與轉(zhuǎn)動支點之間的向量為r，則可得

理想剛性體內(nèi)部不傳遞力，也不存在應(yīng)力張量T，當然也就不能傳遞機械能流。然而，完全剛性體是不存在的。對于連續(xù)媒質(zhì)，不論固體還是液體，內(nèi)部都存在應(yīng)力張量T，且都不為零，這就為機械能流S的傳播提供了必要的條件。煙囪倒塌過程中取球面坐標系 （θ，r），則機械能流的能流矢量

因為煙囪只在φ方向上運動，因此vθ＝vr＝0；而能流的傳遞一定是沿r方向進行的，因此Sθ＝Sφ＝0，有τrφvφ＝Sr，τrφ是截面的橫向切應(yīng)力。

根據(jù)理論力學(xué)中的轉(zhuǎn)動理論，有

切應(yīng)力的大小主要由λ、r、φ等3個量決定的，一旦爆破的對象確定，λ也就隨之確定，而切應(yīng)力由r、φ所決定。

通過MATLAB軟件進行數(shù)值分析，得出的結(jié)果是半個連續(xù)的拋物面，現(xiàn)摘出部分數(shù)值計算結(jié)果，如圖1所示。

圖1 MATLAB數(shù)值計算結(jié)果Fig.1Result of numerical calculation by MATLAB

當λ＝0.25時，剪應(yīng)力最大值在0.55 H處。這是當0≤λ≤1時，所有剪應(yīng)力取最大值時最大的高度，即切應(yīng)力的最大值點在（0.50～0.55）H之間。

3.2 ANSYS／LS-DYNA材料模型選取

眾所周知，磚煙囪由磚塊和砂漿2種材料組成，鋼筋混凝土煙囪由鋼筋和混凝土2種材料組成。在建模的過程中有分離式建模和整體式建模，還有就是兩者結(jié)合的組合式建模，分離式建模比整體式建模更貼近實際。

根據(jù)模擬的實際情況，選取經(jīng)典塑性隨動模型MAT＿PLASTIC＿KINEMATIC［14］，本構(gòu)關(guān)系為

式中：σ0為初始屈服應(yīng)力為應(yīng)變率；C和P為Cowper Symonds應(yīng)變率參數(shù)；為有效塑性應(yīng)變；Ep為塑性硬化模量

式中：G為切線模量；E為彈性模量。

4 模擬實例

4.1 磚煙囪的模擬

對1個實際爆破拆除的磚煙囪倒塌過程進行模擬分析。某磚砌工業(yè)筒形煙囪高度為40m，底座高0.2m，底部外直徑為3.3m，頂部外直徑為2.5m，筒體內(nèi)直徑為2.0m，底部壁厚度為0.6m，內(nèi)襯厚度為0.2m。爆破缺口選取開口240°、高2m的梯形缺口。

采用分離式建模，磚體和砂漿均采用SOLID164單元，地面采用SHELL163單元。如果嚴格按照結(jié)構(gòu)設(shè)計的磚塊和砂漿尺寸，那么龐大的計算量普通的PC機難以承受。所以設(shè)定磚層厚度為0.3m，砂漿層厚度為0.05m，建立煙囪的有限元模型，設(shè)定面面接觸中的自動單面接觸。為了能模擬不同磚結(jié)構(gòu)強度的煙囪倒塌，選擇改變第1主應(yīng)力失效值σp1來實現(xiàn)。主應(yīng)力值設(shè)為1.8～3.0MPa。

數(shù)值模擬的結(jié)果表明：發(fā)生折斷的部位一般都是在距離地面約1／3和1／2處。現(xiàn)給出部分磚煙囪體動態(tài)模擬結(jié)果，如圖2所示。g p y p y g

圖2 磚煙囪動態(tài)模擬結(jié)果Fig.2 Dynamic simulation of the brick chimneys with the different failure values of the first principal stress

圖3 實際爆破倒塌過程Fi.3Twoexamlesofactualchimnecollasebblastin

圖3（a）是1個高35m的磚煙囪在筒體中下部拉斷的截圖，圖3（b）是某校建筑工地高65m的磚煙囪在筒體中部剪斷的截圖。

4.2 鋼筋混凝土煙囪的模擬

對1個實際爆破拆除的鋼筋混凝土煙囪倒塌過程進行模擬分析。某電廠鋼筋混凝土煙囪，高度為120m，煙囪底部外半徑為6m，頂部外半徑為3.2m，壁厚度為50cm，立筋直徑為22mm，箍筋直徑為12mm。爆破缺口布置在距地面50cm處。爆破切口采用梯形缺口，缺口對應(yīng)圓心角為220°，煙囪外周長L＝37.7m，缺口長度L′＝23m，缺口高度取3m。

采用節(jié)點的分離式模型，按實際尺寸建立有限元模型。在模型中，僅考慮結(jié)構(gòu)的主要承重部件，對煙囪的附屬設(shè)施進行簡化。鋼筋和混凝土都采用塑性硬化材料，鋼筋采用BEAM161單元，混凝土采用SOLID164單元。為了能模擬不同結(jié)構(gòu)強度的煙囪倒塌，選擇改變第1主應(yīng)力失效值σp1來實現(xiàn)。主應(yīng)力值設(shè)在11～20MPa之間。

數(shù)值模擬的結(jié)果表明：發(fā)生折斷的部位一般都是在距離地面約1／3和1／2處。現(xiàn)摘出部分鋼筋混凝土煙囪體動態(tài)模擬結(jié)果，如圖4所示。

圖5是山東新汶電廠拆除的高120m的鋼筋混凝土煙囪在倒塌過程中，中部發(fā)生折斷的截圖。

圖4 不同第1主應(yīng)力失效值的鋼筋混凝土煙囪動態(tài)模擬結(jié)果Fig.4 Dynamic simulation of the reinforced concrete chimneys with the different failure values of the first principal stress

圖5 一個實際爆破倒塌過程的截圖Fig.5 Aphoto from the actual collapsing process of a reinforced concrete chinmey by blasting

5 結(jié) 論

綜上所述，在煙囪爆破拆除過程中，煙囪的折斷現(xiàn)象必須引起足夠的重視。本文中運用第1主應(yīng)力的變化來模擬不同強度煙囪的倒塌過程，模擬效果較好。

（1）雖然折斷的位置受很多因素的影響，但是煙囪的折斷一般發(fā)生在距離地面1／3、1／2和2／3處，煙囪筒體材料的力學(xué)性能（尤其是抗拉和抗剪強度）對折斷的位置起決定作用。

（2）數(shù)學(xué)方法證明，在距離地面約1／3和1／2處分別是煙囪彎矩最大和剪應(yīng)力最大處，煙囪的折斷多發(fā)生在這2處；距離地面約2／3處也是應(yīng)力集中處，它的剪力也很大，這是煙囪易發(fā)生折斷的數(shù)學(xué)和力學(xué)依據(jù)，這與LS-DYNA數(shù)值模擬的結(jié)果和實際爆破倒塌過程的折斷位置相吻合。

（3）運用機械能流方法，得出剪應(yīng)力的位置與筒體的結(jié)構(gòu)有關(guān)，最大剪應(yīng)力的位置在（0.50～0.55）H之間。最大彎矩的位置在（0.250～0.375）H之間。這與以往一些學(xué)者的研究結(jié)果有所不同，數(shù)值模擬和實際爆破倒塌也說明了這個問題，具體的位置與筒體的上下半徑有關(guān)。

（4）對磚煙囪和鋼筋混凝土煙囪分別采用分離式模型進行建模，較好地體現(xiàn)了2種不同材料煙囪的物理力學(xué)性能的差異。從理論分析和數(shù)值模擬來看，鋼筋混凝土煙囪和磚煙囪的折斷從力學(xué)本質(zhì)上是一致的，只是鋼筋混凝土煙囪較磚煙囪的力學(xué)性能有顯著地提升，所以折斷發(fā)生的較少。

（5）從數(shù)值模擬的結(jié)果來看，鋼筋混凝土煙囪在發(fā)生折斷的初期，往往是混凝土被破壞和鋼筋被拉彎；后期，鋼筋才被完全拉斷，這樣也使折斷部分不至于前沖過大。在折斷的位置，拉應(yīng)力和剪應(yīng)力都很大，折斷通常是兩者共同作用的結(jié)果。

［1］楊國梁，楊軍，姜琳琳.框－筒結(jié)構(gòu)建筑物的折疊爆破拆除［J］.爆炸與沖擊，2009，29（4）：380-384.

YANG Guo-liang，YANG Jun，JIANG Lin-lin.Numerical simulations on fold blasting demolition of frame-tube structures［J］.Explosion and Shock Waves，2009，29（4）：380-384.

［2］鄭炳旭，魏曉林，陳慶壽.鋼筋混凝土高煙囪切口支撐部失穩(wěn)力學(xué)分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007，26（增1）：3349-3355.

ZHENG Bing-xu，WEI Xiao-lin，CHEN Qing-shou.Mechanical analysis of cutting-support destabilization of high reinforced concrete chimney［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26（Supl 1）：3349-3355.

［3］薛江波.高聳構(gòu)筑物爆破拆除模擬［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

［4］唐海，梁開水.煙囪爆破傾倒折斷的力學(xué)淺析［J］.爆破，2003，20（3）：9-11.

TANG Hai，LIANG Kai-shui.Mechanics analysis of fall-down process of chimney by blasting demolition［J］.Blasting，2008，20（3）：9-11.

［5］葉海旺，薛江波，房澤法.基于LS-DYNA的磚煙囪爆破拆除模擬研究［J］.爆破，2008，25（2）：39-42.

YE Hai-wang，XUE Jiang-bo，F(xiàn)ANG Ze-fa.Numerical simulation of brick chimney blasting demolition based on LS-DYNA［J］.Blasting，2008，25（2）：39-42.

［6］劉偉.建筑物爆破拆除有限元分析與仿真［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2006.

［7］賈繼忠，高貴軍，張昌鎖.高聳建筑物傾倒過程中的斷裂判據(jù)［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報，2002，33（6）：590-593.

JIA Ji-zhong，GAO Gui-jun，ZHANG Chang-suo.Fracture criterion of high building during its collapse by blasting［J］.Journal of Taiyuan University of Technology，2002，33（6）：590-593.

［8］陳明華，張國建，于新.高聳筒體建筑物爆破拆除的傾倒過程力學(xué)分析［J］.中國礦業(yè)，2002，11（2）：10-14.

CHEN Ming-hua，ZHANG Guo-jian，YU Xin.Mechanics analysis of fall-down process of high tubular-type buildings demolished by means of blasting［J］.China Mining Magazine，2002，11（2）：10-14.

［9］過鎮(zhèn)海，時旭東.鋼筋混凝土原理和分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［10］鄧小玖.磚砌煙囪倒斷問題分析［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，1997，20（1）：139-142.

DENG Xiao-jiu.The breaking problem of the falling brick chimney［J］.Journal of Hefei University of Technology：Natural Science，1997，20（1）：139-142.

［11］曹春梅.煙囪傾倒過程的簡化力學(xué)分析［J］.天中學(xué)刊，2007，22（2）：112-113.

CAO Chun-mei.The mechanical analysis of collapsing process of chimney［J］.Journal of Tianzhong，2007，22（2）：112-113.

［12］丁大鈞.砌體結(jié)構(gòu)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［13］Utagawa N，Kondo I，Yoshida N，et al.Simulation of demolition of reinforced concrete buildings by controlled explosion［J］.Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering，1992，7（2）：151-159.

［14］尚曉江，蘇建宇，王化鋒，等.ANSYS／LS-DYNA動力分析方法與工程實例［M］.2版.北京：中國水利水電出版社，2008.

Collapsing process of chimney demolition by directional blasting＊

YAN Zhi-xin1，2，YE Zhen-hui1，2，LIU Pei-lin1，2
（1.Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western China，The Ministry of Education of China，Lanzhou730000，Gansu，China；
2.School of Civil Engineering and Mechanics，Lanzhou University，Lanzhou730000，Gansu，China）

The basic principles of chimney blasting demolition were introduced.Aimed to the collapsing process of chimneys，the mechanical models were developed to derive the largest ranges of chimney bending moment and shear stress by the mathematical methods.And the collapsing processes of chimneys were simulated numerically by using the finite element software LS-DYNA3Dand the simulated results were compared with the actual collapsing process of chimneys.It is revealed that the finite element software LS-DYNA3Dcan be used to stimulate the collapsing process of chimney blasting，for instance，the parts at the distances from the ground about 1／3，1／2，and 2／3，where there are stress concentration phenomena，are easily to be broken during the collapsing process.The broken part and time of the chimney links closely to the cutting shape and the physical and mechanical properties of the structure itself.There is obvious difference between the brick chimney and reinforced concrete chimney.

mechanics of explosion；mechanical model；ANSYS／LS-DYNA；chimney；blasting demo-lition

23November 2009；Revised 22March 2010

YE Zhen-hui，yzh3071313＠163.com

（責任編輯 張凌云）

O383.3 國標學(xué)科代碼：130·3520

A

2009-11-23；

2010-03-22

甘肅省科技支撐計劃項目（1011GKCA019）；甘肅省建設(shè)科技攻關(guān)項目（JK2010-43）

言志信（1961— ），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。

1001-1455（2010）06-0607-07