100 m高鋼筋混凝土煙囪雙向切口爆破時差研究*

高文樂，劉志成，李坤鵬，史卓金

(1.山東科技大學 土木工程與建筑學院，青島 266590;2.中鐵十四局建筑分公司，濟南 250014)

隨著國家對環境保護的重視，一些高污染、高耗能的火力發電被關停或者進行升級改造，許多廢棄的高聳煙囪等構筑物需要拆除。往往受場地大小的限制，單向低位爆破切口的爆破形式已經不能滿足倒塌周圍空間的要求，因此折疊爆破拆除的形式應用越來越多。為了確保煙囪爆破拆除的經濟和安全，許多學者通過數值模擬對煙囪的爆破拆除的過程進行了計算。其中薛江波對磚煙囪破壞分析之后，通過分離式建模進行數值模擬的方式對鋼筋混凝土煙囪單向倒塌爆破拆除進行計算，數值模擬得出的數據與在爆破現場測到的數據高度一致[1]。Munjiza和Friedhelm采集煙囪爆破過程中爆堆范圍以及煙囪整體觸地速度的數據，與數值模擬進行對比分析，試驗證明數值模擬的模型和前處理數據可以用到工程實際中[2,3]。武哲分析了處于復雜環境中的一棟90 m高框架剪力墻結構樓房采用三個爆破切口進行爆破拆除的技術，最終得到了理想的爆破效果[4]。任江通過對煙囪的結構分析，考慮煙道和灰斗板對煙囪倒塌的不利影響，通過封堵現有煙道，應用復式梯形的切口形式，開設定向窗和導向窗對爆破方向精準定位等，最終實現了煙囪按照預定方向倒塌[5]。葉家明通過應力條件計算出水塔爆破缺口的圓心角大小和剛度條件計算出水塔爆破缺口高度，并基于ANSYS/LS-DYNA軟件，對水塔的定向倒塌進行數值模擬，數值模擬分析也驗證了水塔不能倒塌的結果[6]。采用基于LS-DYNA聯合Hypermesh的方法對壽光巨能熱電廠100m高的煙囪進行了數值模擬，并進一步利用數值模擬的方法對上下爆破切口的最佳起爆時差進行研究，對相似工程爆破設計和施工具有較大參考價值。

1 工程概述

壽光市侯鎮南部巨能熱電廠，是一座廢棄電廠，內部發電設備已經拆除。其院內有一高為100 m的鋼筋混凝土煙囪需進行爆破拆除。周圍環境為：煙囪東距3層廠房50 m，南距魯麗熱電廠120 m、本廠平房80 m，西、北距最近廠房70 m。如圖1。

圖 1 爆破周圍環境示意圖(單位：m)Fig. 1 Surrounding environment of blasting(unit:m)

煙囪頂部排煙口直徑3.5 m，壁厚160 mm，煙囪底部外直徑8.3 m、壁厚360 mm。混凝土煙囪內部設置有耐火磚內襯和隔熱層，其中隔熱層厚50 mm，內襯在5 m以下的厚度為230 mm，5 m以上為120 mm；豎向配筋為0～15 m為φ22、15～50 m為φ20、50～80 m為φ16，底部為雙層鋼筋網片結構，上部為單層鋼筋網片結構。煙囪底部基座為直徑15 m，深1.8 m鋼筋混凝土結構[7]。

2 爆破方案及爆破參數

2.1 爆破拆除方案的選擇

煙囪的爆破拆除主要有定向倒塌、原地坍塌和折疊倒塌三種方式，折疊倒塌又分為異向和同向折疊倒塌[8]。待拆煙囪在煙囪向下的沖擊力不夠的情況下，原地坍塌方案很難對煙囪的倒塌方向進行控制；同時，周圍距離明顯無法滿足高度100 m煙囪的定向倒塌爆破；根據待拆煙囪的周圍環境以及對煙囪結構的分析，選擇折疊倒塌爆破方案。由于作業場地大小的限制，爆破拆除時不僅在煙囪底部設置爆破切口，還要在其中部的適當位置炸開一個或一個以上的切口，使煙囪朝向兩個或兩個以上的方向進行同向或反向分段折疊倒塌。在正南正北方向上距離最近建筑物的距離大于70 m，滿足倒塌范圍需求，有足夠的安全距離，故選用雙向折疊倒塌爆破拆除[9]。即充分利用中間平臺，分+0～+50 m和50～100 m兩段，分別設計上下兩個爆破切口，上部向正北、下部向正南方向倒塌的雙向折疊倒塌。

2.2 爆破切口參數

(1)切口位置

根據充分的研究和分析得出，煙囪的下部爆破切口設置為0.5 m以上，此位置外徑為8.3 m、壁厚0.36 m，重量為1200.98 t，重心高度為23.6 m。上部切口設置在煙囪50.5 m處，此位置外徑為5.6 m、壁厚0.24 m，重量為322.37 t，重心高度為18.8 m。

(2)切口高度

切口高度是保證定向倒塌的一個重要參數。一般情況下[1]，爆破切口的高度通常取為h=(1.5～2.0)δ。為確保爆破時煙囪按預定方向準確倒塌和減小爆堆范圍，實際工程中切口高度通常取大于切口位置的壁厚5倍以上，因此得出其下部切口h=5.0×0.36=1.8 m，取3 m；煙囪上部切口取h=5×0.24=1.2 m，考慮上切口打眼施工困難，實際取1 m。

(3)切口長度

煙囪倒塌方向和爆堆范圍較大地受到切口長度的影響。為取最佳的切口長度，應根據式(1)進行取值

(1)

式中：L為爆破切口長度；s為煙囪爆破部位的外周長。

煙囪的爆破切口圓心角取α=210°，下部的切口長度取14 m，上部切口長度取10 m。

(4)上下切口的起爆時差

折疊爆破達到最佳效果應當滿足：保證下切口起爆時，防止上、下段筒體間出現傾倒方向偏差。

通過計算切口高度可知，在切口閉合瞬間，上段筒體重心在切口水平面的投影到塔心的距離大于或等于該處半徑[10]，因此，起爆時差為

(2)

式中：φ為煙囪與Y軸的夾角；J1為轉動慣量；L1為煙囪計算長度；Δt為經驗值，一般取100～500 ms(筒體材料強度高時取小值)。

目前，國內上、下爆破切口的起爆時差選1.4～7.0 s，根據理論和工程經驗分析得出[7]，實際爆破采用半秒6段雷管，即在上部爆破煙囪形成5°的傾斜時下部切口開始起爆[11]，上部與下部的起爆時差約為2.5 s。

3 煙囪傾倒過程的動能分析

煙囪折疊倒塌過程中形成了鉸接雙連桿折疊下落的現象，為雙自由度動力學的問題，采用拉格朗日方程建立動力學模型[12]。見圖2。

圖 2 煙囪折疊倒塌過程圖Fig. 2 Schematic diagram of the collapse of the chimney

(1)上段筒體的幾何學關系

x1=h2·cosθ2-L1·sinθ1

(3)

Z1=h2·cosθ2+L1·cosθ1

(4)

式中：X1為煙囪上段質心水平位移；Z1為煙囪上段質心垂直位移；h1為上段筒體長度；h2為下段筒體長度；L1為上段筒體質心到上部切口的距離；L2為下段筒體質心到下部切口的距離；θ1為上段筒體轉角；θ2為下段筒體轉角。

將X1，Z1進行微分，可得出煙囪上段質心水平向及垂直向速度分量，從而得出上段平動部分動能

(5)

(6)

(7)

m1為上段筒體的質量，而上段繞其重心轉動的轉動部分動能為

(8)

J1c為上段繞其質心的轉動慣量。

由式(7)和式(8)兩式可得上段的總動能為

(9)

(2)下段筒體的動能為

(10)

J2為下段筒體繞其質心的轉動慣量。

(3)從而得到運動過程中系統的總動能為

T=T1+T2

(11)

(12)

4 計算模型

采用SolidWorks建立精準三維立體模型，之后導入到Hypermesh軟件中對其進行細化處理。利用Hypermesh軟件強大的網格劃分功能，對模型網格進行加密劃分。考慮到煙囪模型關鍵地方的約束較多，后期需要添加大量的約束，采用直接法建立鋼筋混凝土共節點分離式模型[13]，將鋼筋節點與混凝土節點直接產出單元體。模型材料參數設定中，鋼筋設置為BEAM161，混凝土設置為SOLID164 實體單元。據鋼筋混凝土結構的力學特征研究得出，將混凝土模型設置為* MAT_BRITTLE_DAMAGE ，混凝土的彈性模量為20 GPa，泊松比為0.2，拉伸極限強度為5.0 MPa，剪切極限強度為6.0 MPa，鋼筋模型設置為*MAT _ PLASTIC _KINEMATIC ，其密度為7825 kg /m3，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.25，屈服強度為335 MPa，爆破切口失效模型設置為* MAT_ADD_EROSION，將鋼筋的抗拉失效應變定義為0.15。

通過修改關鍵字中的CONTROL_TIMESTEP中的DT2MS控制計算時間，當DT2MS>0時，模型中離散的所有小單元都會以軟件內部設定好的時間步長進行計算，全部的小單元都會被質量縮放。當DT2MS<0時，并不是所有的小單元都會質量縮放了，只有時間步長小于DT2MS的單元才會被質量縮放[14]。

5 上下切口最佳延時時差研究

前面已經對該爆破過程進行了數值模擬，模擬結果與實際爆破結果高度一致。在此基礎上對其進一步研究，分別設置上下切口的起爆時差為1s、1.5 s、2 s、2.5 s、3 s，通過爆堆最遠距離、煙囪倒地破碎程度和煙囪觸地速度這三個變量對起爆時差進行優化。

(1)倒塌過程的對比(見圖3)

圖 3 不同起爆時差下的倒塌過程模擬效果比較Fig. 3 Comparison of simulation effects of collapse process with different delay time

通過對比分析圖3，可以看出隨著上下切口起爆時差的增長，煙囪上半段的倒塌角度越小，上半段觸地的時間越晚。分析倒塌過程圖可以看出上部爆破切口部分的閉合受到下部爆破切口的影響，當上下部爆破切口的起爆時差相差較小時，煙囪上下兩段的倒塌方向相反。煙囪下半段倒塌會通過爆破切口保留部分的煙囪向反方向拉動上半部分，導致上半部分落地速度較快。當起爆時差為3 s時，上部和下部爆破切口起爆時差相差較大，上部煙囪爆破切口部分的鋼筋混凝土已經被拉壞，下半段煙囪對上半段的倒塌速度影響較小，上部分煙囪斷裂后下部分煙囪才開始傾斜，是兩個獨立的爆破過程。上下部煙囪爆破倒塌沒有銜接起來，會導致爆破倒塌方向的不確定性增大[15]。

(2)爆堆倒塌最遠距離的對比

通過分析圖4不同起爆時差下的爆堆范圍及倒塌最遠距離得出不同起爆時差下的煙囪觸地后基本破碎，只有起爆時差為2.5 s時的倒塌最遠距離最小為50 m，其他起爆時差的倒塌最遠距離均為55 m左右。因此起爆時差為2.5 s時的倒塌范圍是最小的，即為最安全的爆堆范圍。

(3)煙囪觸地速度的對比

通過圖5不同起爆時差下的煙囪觸地速度可以分析得出：最大觸地速度發生時刻隨著起爆時差的增大而越來越大，起爆時差為1 s、1.5 s、2 s、2.5 s、3 s下的最大觸地速度出現時刻分別為6.5 s、6.9s、7.5 s、7.9 s、8.2 s，同時證明圖3中得出的隨著上下切口起爆時差的增大觸地時間越來越晚的結論正確。起爆時差為1 s的煙囪整體最大觸地速度為16 m/s，其余起爆時差的最大整體觸地速度隨起爆時差增大而逐漸減小。

6 數值模擬結果及分析

分析各項指標，雙向折疊倒塌爆破的上下切口的最優起爆時差為2.5 s，和爆破設計的公式計算得出的上下爆破切口的起爆間隔時差相同。圖6顯示了煙囪倒塌與工程實際的比較，數值模擬結果精確仿真了工程實際的倒塌過程。煙囪倒塌的方向也按照爆破設計的方向倒塌，折疊爆破實現了減小爆堆范圍的要求。0 s時上部爆破切口起爆，在重力作用下開始向著爆破切口方向傾斜。2.5 s時下部爆破切口起爆，此時上部煙囪大概傾斜了5°，減小了煙囪出現前沖現象的概率。4.2 s時上下段的煙囪傾斜角度不斷加大，傾斜速度不斷加快。6.6 s時近乎自由落體式的速度觸地破壞，實際的煙囪倒塌過程與數值模擬計算相同時刻的煙囪倒塌的過程基本一致。

圖 5 不同起爆時差下的煙囪整體觸地速度Fig. 5 The overall velocity of the chimney touching the ground with different delay time

圖 6 實際爆破效果與模擬效果的比較Fig. 6 Comparison of actual blasting effect and simulation results

結合數值模擬的結果可以將煙囪的倒塌過程分為三個階段：第一階段為上切口的形成至保留區出現裂縫的階段；鋼筋和混凝土共同承擔上部煙囪的壓力作用、上部切口形成而產生彎矩，出現拉應力作用。此時處于彈性階段，應力與應變呈現線性正比例關系。隨著彎矩的增大，爆破切口保留處的應變也越來越大，由于混凝土抗拉強度遠小于抗壓強度，混凝土在拉應力作用下開始出現塑性變形，但鋼筋彈性模量較大，其仍然屬于彈性階段[16]。當上部切口保留處的拉應力大于混凝土所能承受的最大拉應力時，爆破切口保留處開始出現裂縫。裂縫的出現標志進入第二階段，隨著彎矩和變形的增加混凝土逐漸退出工作，在受拉鋼筋達到屈服之前，所有的拉應力由鋼筋承擔。接下來進入破壞階段，為第三階段，鋼筋達到屈服值以后進入強化和頸縮階段，此時裂縫快速變大、上部煙囪傾斜角逐漸增大直到從爆破切口處斷開觸地破壞，下部切口爆破后也會產生和上部切口相同的三個階段[17]。

7 結論

(1)基于LS-DYNA聯合Hypermesh的數值模擬方法對100 m高鋼筋混凝土煙囪的雙向折疊爆破進行了仿真模擬，數值模擬的結果與工程現場數據高度一致。

(2)分析了煙囪倒塌的觸地快慢受到起爆時差的影響，得出起爆時差越大，觸地時間就越晚的結論。同時起爆時差越大，上部爆破切口倒塌方向的爆堆就越大。爆破時差為2.5 s時的爆堆堆積范圍是最小的。

(3)分析了煙囪的觸地速度，得出整體觸地速度越快對地面的振動也就越大，越不安全的結論。分析得出起爆時差為1 s時的煙囪整體觸地速度最大為16 m/s，其余起爆時差下煙囪整體觸地最大速度隨起爆時差增大而逐漸減小。也就意味著起爆時差越大對地面的振動越小，越有利于周邊建筑物的安全。

(4)綜合分析模擬結果，爆破時差為2.5 s時爆堆的范圍最小，煙囪整體倒塌觸地速度也相對較小為13.8m/s，爆堆破碎程度與時差影響關系不明顯，所以2.5 s是最佳的起爆時差。從而也證明了爆破時差計算公式是正確可行的，對類似的爆破工程具有一定的指導意義。