超高鋼混煙囪爆破切口角度計算及數值模擬

胡 彬，楊賽群，李洪偉,3，劉 偉,3，王洪森,3，王富寧

(1.天津致遠爆破工程有限公司，天津 300000；2.安徽理工大學化學工程學院，安徽 淮南 232001；3.安徽省爆破器材與技術工程實驗室，安徽 淮南 232001)

隨著國家深化供給側改革和淘汰落后產能的進程加快，許多火力和熱力發電廠被列入關停和拆除名單，作為電廠標志性建筑的超高鋼筋混凝土煙囪也逐漸被拆除。拆除爆破以其經濟、高效受到重視，在建(構)筑物拆除中占據很大比例[1-4]。但煙囪拆除相關的爆破切口參數大多根據前人總結的經驗公式進行設計，參數的準確性不夠高，煙囪倒塌方向容易發生偏轉，使得煙囪的拆除具有一定的安全隱患[5-6]。筆者運用數值模擬對比分析兩種高聳煙囪爆破切口的理論計算方法，探究兩種計算方法對于超高鋼混煙囪的適用性。并將適用性較好的公式用于120 m鋼筋混凝土煙囪拆除爆破參數設計，取得理想的爆破效果。

1 超高鋼混煙囪爆破切口角度計算

1.1 通過應力破壞準則計算

高聳煙囪的拆除爆破方案中，最常見的倒塌方式是定向傾倒，拆除施工較為簡單，效果顯著。在對高聳煙囪的倒塌設計中，對于爆破切口的選擇一般是使用正梯形或者倒梯形切口，但是由于梯形切口底部界面會比較薄弱，切口形成之后率先破壞，故對切口底部截面有必要進行詳細分析。爆破切口如下圖2所示[7]。

注：α為爆破切口對應圓心角；β為剩余截面圓心角；e為偏心距；r為煙囪內徑；R為煙囪外徑。

圖2 支撐截面應力

1)形成爆破切口同時，剩余支撐體截面面積可通過下式計算：

(1)

2)剩余支撐截面的偏心距e計算：

(2)

拆除高聳構筑物時由于鋼筋的存在，偏心距e計算為

(3)

3)剩余支撐部分截面對形心主軸的慣性矩：

(4)

式中：r1為鋼筋到煙囪中心的距離；R1為外壁到煙囪中心的距離。

4)在煙囪失穩倒塌初期，偏心距e和重力mg的乘積等于傾倒力矩：

(5)

式中：M為傾倒力矩；m為煙囪爆破切口以上部分的質量。

5) 當某個點受到的拉應力與其極限抗拉強度相等的階段，稱為極限平衡狀態。根據材料力學相關知識，可以計算F點應力[8-9]：

(6)

F點處1個壁厚材料的面積為[10]

(7)

同時最大抗拉能力為

Fmax=Sfct+Sμ0fst

(8)

式中：fct為混凝土的極限抗拉強度；fst為鋼筋極限抗拉強度；μ0為該點處的配筋率。

(9)

在這種極限平衡狀態下，應力條件為

(10)

受壓區的最大壓應力滿足下式：

(11)

式中：fbc為混凝土的抗壓強度。

根據應力條件對上述式(1)～式(11)進行計算，可以得出爆破切口圓心角α的值。

1.2 通過彎矩破壞準則計算

在生成爆破切口的初期，切口以上煙囪由于重力P的作用，欲以ZZ′為中性軸轉動，此時，MP為重力矩，e為偏心距，則重力矩為[11]

(12)

此時預先留下的支撐部分將有部分抵抗力矩，抵抗力矩為中性軸右側的抗壓力矩與左側的抗拉彎矩的總和。在材質均勻的情況下，在中性軸左側，預留截面B點初始情況受到的拉力最大，逐步向中心軸減小；在中性軸右側，壓力則由中性軸處開始遞加(見圖2)，中性軸右側的壓力分布是相對復雜的，求解有一定的難度。在拆除過程中觀測的情況和現場測試的應力應變數據顯示，中性軸右側的受壓區域極小，不容易觀察到，只存在極短時間，綜合考慮到所需要的是截面最大的抗矩，把截面受力情況簡單化，把其等同于全斷面受最大極限拉力為等拉力來進行分析。假如截面的最大抗彎強度為[σ]，取單元面積ds上作用最大抗力dF=[σ]ds，對于中性軸ZZ′取矩：dM0=R(1-cosβ)[σ]ds，預留支撐部分截面彎曲受拉生成的總抗矩M0為

(13)

對M0積分可得到：

M0=2R2δ[σ](θ-sinθ)

(14)

如果要使得煙囪出現傾倒，要滿足MP≥M0這個前提，因此：

PRcosθ≥2R2δ[σ](θ-sinθ)

(15)

式(15)變形可得：

(16)

當預留支撐部分截面的極限抗彎強度達到最大時，截面發生破壞，因此在式(16)中取等式，則有：

(17)

式中：P為鋼筋混凝土煙囪的重力，kN；R為爆破切口底部截面的外半徑，m；δ為爆破切口底部截面的筒體壁厚，m；θ為預留支撐部分對應圓心角的一半，rad；[σ]為爆破切口截面的極限抗彎強度，kN/m2。可從式(12)～式(17)求得圓心角θ的大小。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

待拆建筑為一高120 m的煙囪(見圖3a)，位于遼寧盤錦遼河油田熱電廠，煙囪位于主場區，周邊環境復雜(見圖3b)，主場區東側、西北側為公路，東鄰原盤錦中潤化工公司，南鄰遼河油田石化，西鄰林豐路，北鄰新工街石化小區。煙囪建于1997年，底層外徑8.7 m，內徑7.9 m，壁厚0.4 m；結構為鋼筋混凝土，水泥標號C30，用量590 m3，厚度20～40 cm；鋼筋型號為Ⅰ和Ⅱ，配筋率0.6%；內襯澆注料厚度12 cm，澆注料221 m3，珍珠巖隔熱層厚度8 cm，用量150 m3，煙囪質量約1500 t；煙道口朝向南方。

圖3 煙囪及周邊環境

2.2 煙囪爆破切口角度計算

1)通過應力破壞準則，即式(1)～式(11)，帶入煙囪的具體相關參數，計算得該120 m鋼混凝土煙囪的爆破切口圓心角為218°。

2)通過彎矩破壞準則，即式(12)～式(17)，帶入煙囪的具體相關參數，計算得該120 m鋼混凝土煙囪的爆破切口圓心角為211°。

通過兩種不同的計算方法計算的爆破切口角度都大于180°，兩者相差7°。

2.3 煙囪倒塌數值模擬

為了探究兩種計算方法的準確性，采用數值模擬的方法對兩種爆破切口角度的煙囪進行模擬，觀測兩種爆破切口角度對煙囪倒塌的影響。由于煙囪周邊環境限制，設計時選定煙囪底部0.5 m以上鉆孔，形成切口。參考過往的文獻資料以及相關的工程實例，爆破切口高度設計為3 m。

使用ANSYS/LS-DYNA軟件按1∶1建立模型，即煙囪模型與工程中的煙囪大小一樣，煙囪筒體使用*MAT _PLASTIC _KINEMATIC材料，混凝土等級為C30，筒體混凝土密度為2.4×103kg/m3，泊松比0.22，抗拉強度3 MPa，抗壓強度30 MPa，彈性模量為3.2×1010N/m2，鋼筋密度為7.85×106kg/m3，屈服極限為235 MPa，彈性模量為2.0×1011N/m2。因為周邊環境較好，不用進行測振，節省了大量計算時間，選用剛體作為地面材料。通過k文件設置切口材料的失效時間，切口內的材料在1 s時失效，近似模擬煙囪的拆除爆破。爆破切口角度218°、211°時，煙囪倒塌過程分別如圖4、圖5所示。

圖4 爆破切口218°煙囪倒塌

圖5 爆破切口211°煙囪倒塌

由圖4可知，煙囪爆破切口在1.0 s時形成，在14.8 s時煙囪觸地破壞，煙囪倒塌歷時13.8 s；從圖5可知，煙囪爆破切口在1.0 s時形成，在15.4 s時煙囪觸地破壞，煙囪經過14.4 s倒塌。爆破切口為218°的煙囪倒塌歷時要比爆破切口為211°的煙囪倒塌歷時短0.6 s。對兩個煙囪模型預留支撐部分中性軸右側單元y方向應力分析[12]如圖6所示。

圖6 單元應力-時間

由圖6中可知，兩種模型的單元都在壓應力達到40 MPa后，單元應力快速變化為0，單元失效，爆破切口218°時單元失效時刻為3.1 s，爆破切口211°時單元失效時刻為3.2 s，爆破切口角度為218°時，煙囪模型預留支撐部分中性軸右側單元y方向應力要大于爆破切口角度為211°時單元應力，說明爆破切口角度增大，預留支撐面積減小，預留支撐部分會先發生破壞。煙囪筒體的下坐快慢可以從煙囪頂部的關鍵節點的速度得出。選擇煙囪上部的主要節點，單元y方向速度-時間如圖7所示。

圖7 單元y方向速度-時間

由圖7可知，煙囪爆破切口角度218°時，筒體爆破切口前端觸地時刻為7.3 s，此時速度為1.42 m/s，從爆破切口形成到筒體爆破切口前端觸地用時6.3 s，筒體下坐加速度為0.225 m/s2；煙囪爆破切口角度211°時，筒體爆破切口前端在8.0 s時接地，此時速度為1.9 m/s，從爆破切口形成到筒體爆破切口前端觸地用時7.0 s，筒體的下坐加速度為0.271 m/s2；煙囪筒體在爆破切口形成后，其下坐速度越慢越有利于煙囪倒塌的定向，因此煙囪爆破切口218°時更有利于煙囪的定向倒塌。

煙囪筒體的偏轉可以從煙囪頂部的關鍵節點的z方向的位移[13]得出。取煙囪頂部的關鍵節點，其位移-時間如圖8所示。

圖8 單元z方向位移-時間

從圖8中可知，爆破切口為218°時，筒體z方向位移為0.425 m；爆破切口為211°時，筒體z方向位移為1.18 m。爆破切口角度211°時筒體的偏轉位移為爆破切口218°時的2.78倍，爆破切口為218°的方案更為準確。

通過對比兩種模型煙囪模型預留支撐部分中性軸右側單元y方向應力、筒體的下坐速度、筒體的偏轉位移，分析確定爆破切口218°時煙囪的倒塌效果要優于爆破切口211°時煙囪的倒塌效果，因此運用應力破壞準則計算該煙囪爆破切口角度。

2.4 煙囪爆破參數設計及預處理

煙囪切口的中心線必須用全站儀測量，定點要準。切口上下線必須用水準儀校核，并用紅油漆畫出，最后畫出定位窗和倒向窗位置。采用人工和機械配合開設每個煙囪的定位窗(三角形)與定向窗(矩形)，定位窗必須對稱，其保留部分須保證煙囪結構的穩定性。

定位窗、定向窗的開設可以首先由鎬頭機開鑿出一個作業面，然后用風鎬進行修整，露出的鋼筋全部齊根部割斷，注意兩邊割斷鋼筋數量位置要對稱一致，窗體要開鑿準確，邊角平直、整齊。根據數值模擬結果及其理論計算，得出此次煙囪爆破的爆破參數如表1所示。

表1 爆破參數

2.5 煙囪拆除爆破效果

經過理論分析和數值模擬相互結合得到，對于超高鋼混煙囪爆破切口角度的計算應力破壞準則更加準確。此次爆破總體方案為：120 m煙囪采用單切口爆破，運用應力破壞準則計算爆破切口角度，向正東倒塌，倒塌效果理想，數值模擬煙囪倒塌過程和拆除過程具有較好的一致性，倒塌方向和設計方向一致，達到預期效果。爆破效果如圖9所示。

圖9 120 m煙囪爆破效果

3 結論

1)通過對兩種不同理論計算的爆破切口角度進行數值模擬，分析對比了兩種煙囪模型預留支撐部分中性軸右側單元y方向應力、筒體的下坐速度及筒體的偏轉位移，分析結果表明應力破壞準則計算方法對超高鋼混煙囪爆破切口的計算較為適用。

2)根據應力破壞準則理論計算方法和數值模擬結果，對120 m鋼筋混凝土煙囪的爆破方案進行了精細化設計，通過精確計算切口參數，順利實現了煙囪的精準倒塌。