煙囪高位組合切口定向爆破倒塌過程數值研究

徐鵬飛， 劉殿書， 張英才

(1. 中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083；2. 河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作 454000)

煙囪高位組合切口定向爆破倒塌過程數值研究

徐鵬飛1， 劉殿書1， 張英才2

(1. 中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083；2. 河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作 454000)

針對復雜環境下爆破切口高度在百米位置的煙囪定向爆破拆除工程，為研究正三角矩形與倒三角矩形組合切口對煙囪爆破拆除倒塌及受力過程的影響，結合實際工程，利用LS-DYNA有限元軟件分別建立兩種切口形狀下鋼筋混凝土分離式共節點煙囪模型，對煙囪倒塌及受力過程進行了系統研究。結果表明，爆破切口形成后，約2～3 s的中性軸穩定時間(切口系數K=0.56～0.58)是煙囪不出現過早下坐和形成定向傾倒趨勢的關鍵條件；支撐部位內側混凝土承受的壓應力要大于外側混凝土，倒三角矩形較正三角矩形組合切口能夠延遲切口角端壓剪破壞的發生，延緩支撐部位中性軸后移速度以及使支撐部位承受較高壓應力，有利于煙囪避免過早下坐和安全精確定向；由于倒三角矩形組合切口與倒梯形、倒三角梯形組合切口具有一定共性，煙囪高位切口定向爆破切口形狀建議優先采用倒三角型切口。

鋼筋混凝土煙囪；高位切口；切口形狀；定向爆破；數值模擬

隨著我國上大壓小節能減排工作實施力度不斷加大，煙囪拆除工程量不斷增多，拆除高度和周邊環境復雜程度不斷增大，倒塌空間受到限制，大多數鋼筋混凝土煙囪拆除采用高位切口定向控制爆破拆除技術。

煙囪高位切口支撐部破壞攝影觀測結果表明，煙囪高位切口定向爆破倒塌過程一般經歷四個階段，即爆破切口形成、支撐部截面破壞、下坐及定向偏轉階段和觸地階段[1-2]。爆破切口形成后，定向窗角端應力集中，造成角端混凝土首先壓剪破壞，隨著煙囪傾倒，壓剪破壞由切口角端向支撐部中間發展，最終在壓碎區壓剪應力和受拉區拉應力的共同作用下，支撐部截面破壞，而后上部筒體開始下坐，與下部筒體接觸、碰撞、破壞，鋼筋逐漸被拉斷，最終觸地碰撞解體。

煙囪高位切口定向爆破相比煙囪正常的底部切口定向爆破，盡管其原理相同，但倒塌運動狀態不盡相同，且對于定向準確的控制，前者難度較大。而造成這種差異性的原因主要有：煙囪筒體強度的差異、煙囪風化腐蝕程度的差異、切口位置筒壁厚度的差異(切口越高，煙囪薄壁特性越明顯)、切口圓心角大小的差異、切口形狀的差異、內襯是否預處理的差異等。煙囪高位切口越高，爆破拆除難度越大，如何保證高位切口煙囪安全精確定向爆破拆除，已成為爆破工程師研究的重點與難點。因此，研究高位切口煙囪定向爆破拆除具有重要意義。

張英才等[3]采用高位正三角矩形組合切口成功對1座240 m煙囪實施定向爆破，切口高度距離地面14 m，切口系數為0.59。王希之等[4]采用高位復式正梯形爆破切口成功對3座180 m煙囪實施拆除，切口高度距離地面25 m，切口系數為0.61。程貴海等[5]采用高位正梯形切口對80 m煙囪實施了定向爆破，切口高度布置在距離地面20 m位置，切口系數為0.60。劉洪增等[6]采用高位梯形切口成功對210 m實施分次定向爆破，切口布置在離地95 m位置，切口系數為0.61。徐冬梅等[7]采用高位正梯形切口成功對80 m煙囪實施爆破，切口布置在+30 m處，切口系數為0.57。

針對目前切口高度在百米位置的煙囪定向爆破，煙囪高位切口形狀[8]的選取往往還是依靠經驗，為高位切口煙囪的安全精確定向爆破拆除埋下一定隱患。本文結合實際拆除爆破工程，利用LS-DYNA建立鋼筋混凝土分離式共節點煙囪模型，對煙囪高位三角矩形與倒三角矩形組合切口爆破拆除倒塌與受力過程進行分析。

1 高位切口煙囪有限元模型建立

1.1 模型概況

以焦作華潤電廠180 m高煙囪高位切口定向爆破拆除工程為計算原型。

煙囪底部外半徑8.335 m，煙囪頂部外半徑2.88 m，0～+85 m煙囪外表面坡度系數為0.06，+85～+105 m煙囪外表面坡度系數為0.01，+105～+180 m煙囪每間隔15 m外半徑以0.05 m遞減。0～+35 m煙囪壁厚0.5 m，+35～+45 m煙囪壁厚0.45 m，+45～+105 m煙囪壁厚0.4 m，+105～+165 m煙囪壁厚以0.05 m遞減，煙囪頂部壁厚0.2 m。煙囪豎向筋截面配筋率在4.2‰～6.0‰，環向筋截面配筋率平均為0.30%。煙囪混凝土標號為C40。高位切口定于90 m處的信號平臺，切口形狀為倒三角矩形組合切口，切口高度2.5 m，切口圓心角205.4°(切口系數=0.57)，定向窗夾角31°。

1.2 材料模型及計算參數

鋼筋材料采用隨動硬化模型(MAT003)，鋼筋密度7 850 kg/m3，豎向筋和環向筋屈服強度分別為335 MPa和235 MPa，彈性模量分別為200 GPa和210 GPa，泊松比為0.3。混凝土材料采用混凝土損傷塑性模型[9-11](MAT273)，混凝土損傷塑性模型具有拉伸和低圍壓壓縮軟化、高圍壓延性硬化以及隨著應變率增加，拉壓強度提高的特性，可以準確描述混凝土的力學性能。混凝土模型所用材料參數見表1，表中參數符號含義見文獻[9]。

表1 混凝土損傷塑性模型參數

1.3 有限元模型

為研究高位正三角矩形與倒三角矩形組合切口對煙囪定向爆破倒塌及受力過程的影響，在其它參數均保持不變的情況下，單一改變切口形狀分別建立鋼筋混凝土分離式共節點有限元模型，兩種高位切口形狀示意圖見圖1。鋼筋混凝土分離式共節點煙囪有限元模型見圖2。

圖1 高位切口形狀示意圖Fig.1 Sketch of the high cutting shape

煙囪有限元模型由煙囪筒體、爆破切口和鋼筋3個部分組成，鋼筋采用Beam161單元，混凝土采用Solid164單元，鋼筋與混凝土共計200 976個單元，切口上下10 m高度范圍內的模型單元尺寸0.2 m，煙囪重力通過關鍵字*LOAD_BODY_Y(Y方向)來實現。經計算，煙囪在重力預加載至0.2 s達到重力平衡，因此，計算過程中高位切口的形成采用關鍵字*MAT_ADD_EROSION中的時間選項在0.2 s時一次性控制刪除，不考慮炸藥爆炸以及毫秒延時對切口形成的影響。鋼筋和混凝土材料的失效均由應變控制，鋼筋失效應變定義0.05，混凝土失效應變定義0.005。

圖2 鋼筋混凝土煙囪有限元模型Fig.2 Finite element model of reinforced concrete chimney

2 煙囪定向爆破倒塌與受力過程數值模擬

2.1 倒塌過程模擬結果與分析

圖3和圖4分別給出了高位倒三角矩形和正三角矩形組合爆破切口下煙囪爆破拆數值模擬倒塌過程。圖5為煙囪實際爆破拆除高速攝像觀測過程。圖6為兩種切口形式下煙囪頂部在倒塌中心線處的節點豎向速度時間曲線、倒塌水平位移時間曲線和偏離倒塌中心線的水平位移時間曲線。

(1) 從圖3～圖6可以看出，正三角矩形和倒三角矩形組合爆破切口下煙囪爆破拆除倒塌過程經歷了爆破切口形成、中性軸形成及后移過程、下坐及定向偏轉過程和自由落體觸地過程四個階段。從圖5中可以看出，在0～3 s階段，煙囪未見有明顯傾斜，4～6 s煙囪傾斜逐漸明顯，并在6～7 s開始下坐。在圖6(a)中的0～3 s階段，煙囪頂部的水平位移基本為0，3 s之后煙囪頂部的水平距離逐漸增加，在圖6(b)中的0～5 s左

右階段，煙囪頂部的豎向速度基本為0，5 s左右之后煙囪開始出現下坐。結合多個成功案例[12-14]，說明煙囪高位切口形成后，支撐部中性軸瞬間形成，中性軸位置由煙囪自重和受拉區彎矩形成的載荷與受壓區抗力的縱向平衡決定，此時，雖然切口角端應力已超過混凝土強度，但混凝土的變形和破碎以及鋼筋的變形和失效需要一個時間過程，使得煙囪的明顯傾倒發生在2～3 s后，此后切口角端破壞范圍向支撐部中間擴大，中性軸后移。因此，爆破切口形成后，2～3 s的中性軸穩定時間是煙囪不出現過早下坐和形成定向傾倒趨勢的關鍵條件，對應爆破切口系數約為0.56～0.58。

(2) 由圖6(c)可以看出，煙囪在0～5 s階段，正三角矩形和倒三角矩形組合切口煙囪筒體偏離倒塌中心線的水平距離基本一致。在5 s之后，煙囪出現下坐，正三角矩形組合切口煙囪在倒塌過程中頂部產生的偏離距離逐漸增加，最大偏離倒塌中心線的距離約為15 m，而倒三角矩形組合切口煙囪在倒塌過程中頂部產生的偏離距離明顯較正三角矩形組合切口小，最終偏離倒塌中線的距離約為4 m。說明煙囪高位切口爆破拆除采用倒三角矩形組合切口較正三角矩形組合切口更有利于保障煙囪在倒塌過程中的精確定向。

(3) 由圖3～圖5和圖6(b)可以看出，煙囪在下坐碰撞過程中會造成上下筒體一定質量的減少，從而在一定程度上減小了煙囪塌落觸地動能。另外，高位切口煙囪定向倒塌與煙囪底部切口整體定向倒塌在倒塌運動狀態方面有所不同[15]，在下坐及定向偏轉的過程中，由于筒體質量、筒體結構、切口角度等存在一定差異，高位切口煙囪定向倒塌運動狀態往往具有不確定性、不唯一性，從而造成觸地形式的多樣性，在一定程度上也起到了分散觸地沖擊能量的作用。因此，高位切口煙囪定向爆破倒塌觸地振動速度不僅與塌落動能有關，還與上部筒體在倒塌過程中的運動狀態有關，煙囪采用高位切口爆破對降低和控制爆破振動效應有利。

圖3 高位倒三角矩形組合切口煙囪爆破拆除模擬倒塌過程Fig.3 Simulation of collapse process of chimney blasting demolition with high inverted triangle rectangle combination incision

圖4 高位正三角矩形組合切口煙囪爆破拆除模擬倒塌過程Fig.4 Simulation of collapse process of chimney blasting demolition with high positive triangle rectangle conbination incision

圖5 煙囪倒塌過程高速攝影Fig.5 High speed photography of chimney collapse process

圖6 倒塌中心線頂端單元速度與位移時間曲線Fig.6 Velocity and displacement time curve of the top unit of the collapsed central line

2.2 保留支撐體受力模擬結果與分析

分別在兩種煙囪模型支撐部位切口角端選取筒壁外側單元A和內側單元F提取應力時間曲線，見圖7。分別在兩種煙囪模型支撐部位筒壁上從切口角端向支撐部位中間每間隔3個單元(對應圓心角11.25°)依次選取A、B、C、D、E五個單元點提取應力時間曲線，見圖8。

(1) 由圖7可以看出，爆破切口形成后，切口定向窗角端筒壁內側單元產生的應力要高于筒壁外側單元，內側單元較外層單元更先發生失效、破壞。從圖7(a)可以看出，倒三角矩形組合切口定向窗角端筒壁內、外單元的最大應力分別為69 MPa和43.9 MPa，內、外單元失效時間分別為1.9 s和2.6 s。由圖7(b)可以看出，正三角矩形組合切口定向窗角端筒壁內、外單元的最大應力分別為65 MPa和24 MPa，內、外單元的失效時間分別在1.6 s和2.4 s。說明煙囪爆破拆除采用高位倒三角矩形組合切口較正三角矩形組合切口能夠延遲支撐體過早壓剪破壞、下坐，有利于煙囪倒塌定向。

(a)倒三角矩形組合切口

(b)正三角矩形組合切口圖7 切口角端觀測單元應力時間曲線Fig.7 Stress time curve of the observation unit at the corner of notch

(a)倒三角矩形組合切口

(b)正三角矩形組合切口圖8 切口支撐部位觀測單元應力時間曲線Fig.8 Stress time curve of observation unit of incision support body

(2) 由圖8可以看出，切口形成瞬間，支撐部位中性軸形成，考慮對稱性，切口角端至B單元支撐區域受壓，B單元至支撐部中間支撐區域由受壓轉為受拉。隨著切口角端混凝土變形、破裂、破壞，中性軸開始向后移動，支撐部位在受壓區壓剪應力和受拉區拉應力

共同作用下破壞，引起上部筒體下坐。在中性軸后移過程中，由圖8(a)可以看出，單元A、B、C產生的最大壓應力分別為43.9 MPa，36 MPa，47 MPa，對應的時間分別為1.7 s，3.0 s，4.5 s；由圖8(b)可以看出，單元A、B、C產生的最大壓應力分別為26.1 MPa，35 MPa，28 MPa，對應的時間分別為1.7 s，2.7 s，3.7 s。說明倒三角矩形組合切口支撐部位能夠承受較正三角矩形組合切口支撐部位更高的壓應力，且倒三角矩形組合切口支撐部位中性軸后移速度要慢于正三角矩形組合切口支撐部位中性軸后移速度，進一步說明倒三角矩形組合切口能夠延遲支撐體壓剪破壞、下坐，有利于煙囪定向倒塌。

3 煙囪高位切口定向控制爆破技術應用

目前，煙囪高位切口定向控制爆破技術已在沈陽熱力廠(圖9(a))、焦作華潤電廠(圖9(b))、焦作電廠(圖9(c))和鶴壁電廠(圖9(d))等多個高聳煙囪爆破拆除工程中進行了成功應用，所有煙囪高位切口形狀均采用倒三角矩形組合切口，切口系數為0.56～0.58，切口高度為2.0～2.5 m，定向窗角度約為30°，切口均布置在百米處信號平臺。復雜環境下高聳煙囪采用高位倒三角矩形組合切口控制爆破技術均實現了煙囪安全精確定向倒塌，達到了高位切口煙囪準確定向、安全順利倒塌的目的。

圖9 煙囪高位切口爆破技術應用Fig.9 Application of high location cut blasting technology of chimney

4 結 論

(1) 高位切口煙囪爆破拆除倒塌過程可分為4個階段，即爆破切口形成階段、中性軸形成及后移階段、下坐及定向偏轉階段和塌落觸地階段。結合數值計算結果和工程實際高速攝影觀測結果表明，切口形成后，約2～3 s的中性軸穩定時間(切口系數K=0.56～0.58)是煙囪不出現過早下坐和形成定向傾倒趨勢關鍵條件。

(2) 煙囪在中性軸后移過程中，支撐體內側混凝土受壓剪破壞要先于外側混凝土，且倒三角矩形組合切口較正三角矩形組合切口能夠延遲切口角端處壓剪破壞的發生，延緩支撐體中性軸后移速度以及使支撐部位承受更高壓應力，避免煙囪過早下坐，有利于煙囪倒塌定向。

(3) 由于倒三角矩形組合切口與倒梯形、倒三角梯形組合切口具有一定共性，為了確保復雜環境下高位切口煙囪爆破拆除安全精確定向，建議優先選用倒三角型切口。參 考 文 獻

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Numerical study on the directional blasting collapse process of chimney with high combined incision

XU Pengfei1, LIU Dianshu1, ZHANG Yingcai2

(1. China University of Mining & Technology(Beijing), School of Mechanics and Architectural Engineering, Beijing 100083, China2. School of Civil Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

Aiming at directional blasting demolition engineering of chimney with blasting cut height at about 100 meters in the complex environment, in order to study the influence of the combination incision of triangle rectangular and inverted triangle rectangle for the collapse and stress changing process of chimney,two kinds of reinforced concrete chimney separated common node models were established and studied systematically using LS-DYNA software. The results shows that the neutral axis stabilization time of about 2-3 s (incision coefficientK=0.56-0.58) is the key to prevent too early sitting down and forming a directional dumping trend of the chimney after the formation of blasting incision; The compressive stress of the concrete inside the support body is greater than that of the outer concrete, the inverted triangle rectangle combination incision can delay the pressure shear failure and make the speed of neutral axis backward slower than the triangle rectangular combination incision, and is effective for the chimney to reach a safe and exact position. As the inverted triangle rectangle combination incision has some common features with the inverted trapezoidal and the inverted triangle trapezoid ones, the incision shape is recommended to use the inverted triangle in the directional blasting of high location incision of chimney.

reinforced concrete chimney; high location incision; notch shape; directional blasting; numerical simulation

國家自然科學基金(51474218)

2016-12-06 修改稿收到日期： 2017-03-16

徐鵬飛 男，博士生，1988年生

張英才 男，教授級高工，1962年生

TU746.5

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.15.040