210m鋼筋砼煙囪爆破倒塌過程測量分析

朱 寬，鐘冬望，2，陳 浩，2，李琳娜，2，何 理，司劍鋒

（1.武漢科技大學理學院，湖北，武漢，430065；2.武漢科技大學爆破技術研究中心，湖北，武漢，430065）

日趨苛刻的爆破環境對爆破施工提出了更高要求，采用精確的測量手段來研究爆破過程成為業內關注的焦點。高速攝影方法是記錄高速流逝過程某一瞬時狀態或全部歷程的有效手段，其所獲得的大量、準確的時間－空間信息，為研究高速現象的發生機理和運動規律提供了可靠依據。應力應變測量技術是通過對建構筑物中內嵌鋼筋倒塌過程中的應力應變行為進行實時測量，以便于分析了解結構破壞過程中的應力應變發展規律。綜合采用這兩種實驗測量手段，對于研究爆破過程、評價爆破效果、分析力學機理和總結工程經驗能夠提供重要依據。

本研究對南昌電廠210m鋼筋混凝土煙囪定向爆破倒塌過程采用高速攝影及應力應變測量手段進行分析，旨在通過煙囪倒塌過程中各力學參數的獲得及規律性的認識，為解決類似工程提供參考依據。

1 爆破倒塌過程實驗監測

1.1 工程概況

所爆破拆除的江西南昌發電廠煙囪為鋼筋混凝土筒式結構，高210m。在±0.00m標高處，煙囪外半徑為9.24m，內半徑為8.62m，壁厚為0.62m。在＋210.00m標高處，煙囪外半徑為3.17m，內半徑為2.92m，壁厚為0.25m［1］。按《爆破安全規程》（GB6722—2003）規定屬于A級拆除爆破工程。

鋼筋混凝土煙囪設計為單向倒塌，用機械手段沿倒塌方向兩側預先開鑿定向窗，爆破切口弧度為215°，切口高度為5.2m。為確保安全起爆，采用以電子數碼雷管為主、非電導爆管雷管為輔的綜合復式起爆網路［2］，分二段起爆。爆破切口中間采用MS－1段非電雷管，兩側分別采用MS－3段非電雷管，孔外4組電雷管采用大串聯起爆網路，用起爆器進行起爆。

1.2 測試系統

1.2.1 高速攝影測量

高速攝影系統采用日本NAC MEMRECAM GX－5高速攝影儀，該儀器由一臺主機（DRP）連接多個攝像頭，為可從不同方向同時拍攝的多攝像機系統。主機與安裝有GX－Link控制軟件的筆記本電腦相連，通過手持型遙控器J－Pad3進行觸發采集圖像。為便于監測，所布置測點均與煙囪倒塌方向有一定夾角。測量煙囪的拍攝頻率為500幀／s，像素為720×1280。

1.2.2 應力應變測量

動態應變測試系統主要由TA120－6AA型大應變電阻應變計、DH5935動態電阻應變儀以及計算機組成。儀器配備有8個采樣通道，A／D分辨率為14bit，采樣速率精度達0.02%，滿度線性度為0.1%±1×10－6。考慮實際測試時的安全性，用長度為100m的電纜與動態電阻應變儀連接后布置于安全區域。為保證測試信號的準確及減小信號的干擾，測試電源采用蓄電池直流供電，連接電纜采用RVVP四芯屏蔽電纜，并對儀器和電纜進行妥善的接地處理，采樣頻率設置為2 kHz。由于煙囪中部分鋼筋在倒塌過程中會產生塑性變形，而常規應變計（測量變形范圍僅為2%）不能測到塑性變形部分的特征曲線，因而測試傳感器采用TA120－6AA（10%）型大應變電阻應變計。該電阻應變計電阻為120.8Ω，靈敏度系數KP＝2.07，最大測量變形范圍為10%。根據預先開鑿的定向窗位置，在煙囪預定倒塌方向的背面距地面1m處選取4根鋼筋進行測試。先鑿開混凝土，使螺紋鋼裸露，后用砂輪機對鋼筋表面打磨，再用細砂紙精磨至平整，最后在其上布置應變片。應變片布置圖如圖1所示。

圖1 應變片布置圖Fig.1 Strain gauge arrangement

2 觀測結果與分析

2.1 觀測結果

爆破前3s由爆破指揮部發出起爆命令，通過J－Pad3觸發高速攝影儀采集圖像信息，采用圖像分幅處理技術得到210m鋼筋混凝土煙囪在起爆后不同時刻傾角及角速度。觀測結果如圖2、圖3所示。各測點的動態應變波形如圖4～圖7所示。

圖2 時間－角度曲線Fig.2 Time－angle curve

圖3 時間－角速度曲線Fig.3 Time－angular velocity curve

圖4 1號測點時間－應變歷程圖Fig.4 Time－strain history in Site 1

圖5 2號測點時間－應變歷程圖Fig.5 Time－strain history in Site 2

圖6 3號測點時間－應變歷程圖Fig.6 Time－strain history in Site 3

圖7 4號測點時間－應變歷程圖Fig.7 Time－strain history in Site 4

2.2 結果分析

綜合分析爆破方案、高速攝影測量數據及煙囪傾倒過程中筒體鋼筋時間－應變歷程圖，鋼筋混凝土煙囪爆破傾倒過程分為以下五個階段。

2.2.1 爆破切口形成階段

雷管引爆炸藥后75ms，裝藥區煙囪壁中的混凝土在爆炸載荷下迅速破碎并拋濺飛出，留下裸露的鋼筋網。此時，筒體上部自重載荷全部瞬間加載在預留支撐體上，同時由爆破載荷作用引發囪體振動，其幅值超過混凝土極限抗拉強度及抗剪強度，初始損傷形成，混凝土的抗拉強度、抗剪強度以及鋼筋的握裹力均受到削弱［3］；繼而在偏心載荷作用下切口下沉，初始損傷進一步擴展，煙囪形成微小偏角，由于鋼筋抗壓能力遠小于抗拉及抗剪能力，故切口區豎向鋼筋迅速屈曲失穩；預留支撐體部位鋼筋混凝土受到偏心載荷作用由受壓變為受拉。選取爆破后約0.1s時刻，此時的鋼筋應變值為81.4×10－6。根據應變協調原理，此時混凝土也將產生同樣大小的應變，混凝土許用抗拉強度［σ］拉＝2.4MPa，混凝土彈性模量E＝30GPa，由胡克定律算得混凝土已達到極限抗拉強度，說明此時預留支撐體部位混凝土已產生裂紋。

2.2.2 整體下坐階段

在傾覆力矩作用下，煙囪開始以定向窗夾角頂點為鉸鏈轉動，預留支撐體部位裂紋逐漸擴大，支撐部位受壓范圍逐漸變小，直至轉動鉸鏈的承載能力不足以支持整個煙囪的重量。通過高速攝影圖像觀測，2.158s時，煙囪開始整體下坐，由時間－角速度曲線可以看到此時煙囪轉動速度有微小增加。通過動態應變儀時間－應變歷程曲線可以看到，4個測點應變曲線在起爆后2s左右拉應變迅速變小，直至轉化為壓應變，此時煙囪開始下坐，測量部位的鋼筋發生扭曲。兩種測量方式得到的煙囪下坐開始時間基本一致。各測點瞬時最大應變值如表1所示。從表1中可看出，鋼筋最大應變值均為正，產生時間均為起爆后煙囪倒塌全過程，這與實際情況相符合。

表1 各測點瞬時最大應變值Table1 Instantaneous maximum strain value of each site

以2號測點為例，儀器觸發后7.7s，應變開始緩慢增大，表明鋼筋此時處于線彈性階段；8.6 s后，應變不再繼續增大，表明材料進入屈服階段。此期間鋼筋瞬態最大應變為1898.9×10－6，計算得到瞬時最大應力值為391.1MPa，根據GB1499—2008中Ⅰ級螺紋鋼力學性能要求，材料的屈服極限為335MPa，表明鋼筋已經產生塑性變形。4.235s時下坐完成，整個下坐過程歷時約2s。下坐過程中，煙囪豎向運動速度增加，因煙囪質量較大，具有很大的豎向沖量，在下坐過程中，支撐部位結構的破壞過程基本在煙囪豎向沖量作用下完成［4］。各測點信號最終均超出測試儀器量程而出現削峰，產生該現象的原因是煙囪倒塌過程中信號線被拉斷所致。

2.2.3 定軸轉動階段

下坐過程完成后，煙囪兩側定向窗附近形成塑性區，且塑性區范圍進一步擴大，煙囪以兩側塑性鉸為支點繼續發生定軸轉動。上述過程伴隨塑性鉸向后移動，并由此導致鋼筋混凝土構件脆性斷裂，從而出現較大的受壓不均區［5］。由煙囪時間－速度曲線可以看出，速度變化開始處于近似緩慢勻速轉動階段。這一階段主要受到縱向鋼筋的約束作用，隨轉動角度的增大，偏心彎矩逐漸增大，在爆破后5～6s有第一個加速階段。原因系預留支撐體部位鋼筋被拉斷、鋼筋約束作用消失所致。爆破后10s，煙囪轉角達到11°，轉動速度開始急劇上升。

2.2.4 局部折斷階段

煙囪傾倒過程中，任一截面均承受軸力P、剪力Q和彎矩M 作用，既可能由于正截面受彎而折斷也可能因剪力和彎矩共同作用產生斜裂紋沿斜截面受剪破壞而折斷［6］。文獻［7］計算結果表明，煙囪爆破傾倒折斷部位一般發生在煙囪高度的1／3處，且強度不高的煙囪還會發生多處折斷。言志信［8］等通過數值模擬結果表明，折斷部位一般發生在離地面1／3或1／2處。高速攝影圖像分析結果顯示，210m鋼筋混凝土煙囪在15.626s時發生折斷，折斷部位發生在離底部105m處，與上述理論計算及數值模擬結果吻合。由于煙囪在15～105m范圍進行過加固，其配筋率較高，抗剪能力較強，這也是煙囪在1／2部位發生折斷的原因。通過此階段的時間－速度曲線還可以看到煙囪的傾倒速度有所下降，系煙囪折斷過程中消耗掉部分能量所致。

2.2.5 沖擊撞地階段

從17.316s開始，煙囪從底部開始依次觸地破壞，該過程歷時大約1s，爆堆長度236m，落地后，煙囪分成3段，煙囪底部筒體被壓扁，上下和兩側有裂紋，15～55m處筒體壓扁破碎，其它部位砼外殼全部摔碎，箍筋斷開，鋼筋外露［9］。

3 結論

（1）起爆后2s內，煙囪幾乎未發生傾斜，在爆炸載荷作用下，煙囪先形成爆破切口，同時預留支撐體遭到破壞；起爆后2.158s，煙囪開始整體下坐，下坐過程歷時約2s；煙囪從起爆到完全倒塌共歷時約18s。

（2）起爆后4s內，煙囪傾斜速度較慢，傾斜角很小（1.9°），表現為定向窗切口閉合過程；4.235s時，切口完全閉合，預留支撐體部位遭到完全破壞。

（3）煙囪傾倒過程有兩個加速階段，第一階段為t＝5～6s，角度變化為2.6°～4.7°；第二階段為t＝10～18s，角度變化為11°～90°。

（4）起爆時間為15.626s時，距煙囪底部105 m處發生折斷，折斷過程能量損失導致煙囪扭轉速度局部下降。

（5）4個測點應變波形變化趨勢相同，1號測點與4號測點數值接近，2號測點與3號測點數值接近；動態應變儀測得4個測點瞬間最大應力均接近或大于Ⅰ級螺紋鋼的屈服極限，測量點鋼筋均產生了塑性變形。

（6）所測信號真實反應了測點鋼筋隨煙囪倒塌過程的應變情況。

［1］陳德志.中電投南昌電廠210m鋼筋混凝土煙囪爆破拆除技術設計及施工組織設計［R］.武漢：中鋼集團武漢安環院，2012.

［2］陳德志，丁幫勤，何國敏，等.南昌電廠210m定向爆破拆除安全技術［J］.工程安全與環保，2012，38（5）：52－54.

［3］鄭炳旭，魏曉林，傅建秋，等.高煙囪爆破拆除綜合觀測技術［C］∥第8屆中國工程爆破學術經驗交流會議論文集.鄭州：中國力學學會，2004：859－867.

［4］劉世波.百米以上鋼筋混凝土煙囪拆除爆破研究［D］.長沙：鐵道科學研究院，2004.

［5］魏曉林.建筑物倒塌動力學及其爆破拆除控制技術［M］.廣州：中山大學出版社，2011.

［6］楊建華，馬玉巖，盧文波，等.高煙囪爆破拆除傾倒折斷力學分析［J］.巖土力學，2011，32（2）：459－464.

［7］唐海，梁開水，張成良.煙囪爆破傾倒折斷的力學淺析［J］.爆破，2003，20（1）：9－11.

［8］言志信，葉振輝，劉培林.煙囪定向爆破拆除倒塌過程［J］.爆炸與沖擊，2010，3（6）：607－612.

［9］陳德志，丁幫勤，何國敏，等.復雜環境下210m煙囪定向爆破拆除［J］.爆破，2012.29（2）：72－75.