不預處理內襯的磚混結構煙囪拆除爆破

蘇皇,唐春海,龍昌軍,宋其程

(1.廣西金建華爆破工程有限公司, 廣西 百色市 533000;2.廣西大學 資源環境與材料學院, 廣西 南寧 530004)

0 引言

隨著經濟的持續發展,在城市規范化管理以及企業淘汰落后產能的進程中,一些廢舊高聳構筑物,如煙囪、樓房、水塔等不可避免地需要進行拆除處理。此類構筑物高度要遠大于直徑,其重心的高度一般在十幾米至幾十米之間,若此類構筑物周邊環境復雜且位于人口較為密集的地方,選擇人工或機械方法進行破碎拆除,不僅僅在人力、物力等方面消耗巨大,還會面臨嚴重的安全隱患。爆破具有安全、經濟以及高效的特點,被廣泛運用于高聳構筑物的拆除工程中[1]。

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計算得出,參數的準確性不夠高,且各個煙囪的實際條件也有所差異,因此僅靠常規的公式進行設計,難以保證煙囪倒塌方向一定會與設計倒塌方向一致,使得爆破法拆除煙囪仍具有一定的安全隱患。隨著科學技術的不斷發展,數值模擬分析為拆除爆破的研究提供了新的發展平臺。ANASYS/LS-DYNA是運用最為廣泛的非線性動力分析程序,擁有健全的材料模型和求解算法,可以清晰地模擬出煙囪倒塌動態全過程,如胡彬等[2]以理論計算為基礎,結合ANASYS/LS-DYNA軟件進行數值模擬分析,對切口角度理論計算方法進行優選,并將研究結果運用到實際工程中得到了理想的效果;林哲等[3]利用ANASYS/LS-DYNA軟件對煙囪在長方形切口、正梯形切口以及倒梯形切口爆破方式下拆除倒塌過程進行數值模擬對比分析,得出了各種方式下的倒塌特點。吳欣欣等[4]等采用ANASYS/LS-DYNA軟件對鋼筋混凝土煙道口倒塌過程進行數值模擬,驗證了利用結構的對稱性將鋼筋混凝土煙道口設計為定軸轉動鉸接點,將煙囪內襯與外壁同時爆破。

本文基于ANASYS/LS-DYNA軟件對某焦炭廠內圓筒狀磚結構煙囪的倒塌過程進行模擬,并判斷爆破設計的合理性,確保爆破作業的效果和安全。

1 工程概況

待拆除煙囪屬圓筒形狀磚結構煙囪,全部為紅磚無鋼筋混凝土結構,砂漿砌體。針對具有內襯的2#、3#煙囪進行分析,3#煙囪內襯到頂部,2#煙囪內襯大約有10 m。施工過程中,由于煙囪內襯高,預處理存在危險因素,因此,決定采用不預先處理內襯進行爆破拆除。

2#煙囪底部外周長為22 m,煙囪高度為65 m,外層壁厚δ為80 c m,內襯壁厚16 c m,中間間隔約4 c m。3#煙囪底部外周長為17.8 m,煙囪高度為62 m,外層壁厚δ為80 c m,內襯壁厚16 c m,中間間隔約4 c m。

2#煙囪四面均有廠房,距離最近的廠房位于西側50 m處,倒塌方向較為限制,可向山體方向倒塌;而3#煙囪周圍均無建(構)筑物,倒塌方向沒有限制。

2 爆破方案

磚煙囪爆破拆除主要有3種方法。由于周邊環境較好,2個煙囪均采用定向倒塌方案。即在設計傾倒一側的煙囪底部筒壁上用爆破方法形成一個缺口,使煙囪重心位移,形成重力傾覆力矩致使煙囪朝著設計的方向倒塌。由于工期緊、倒塌范圍廣,且煙囪內襯高,預處理存在危險因素,故不預先處理煙囪內襯。

3 爆破參數

3.1 爆破切口形式和尺寸

(1)爆破切口采用正梯形,根據工程經驗得出梯形底角的最佳角度一般為25°～35°,本工程的傾倒角度取30°。

(2)爆破切口可從距通風口高0.5 m處開始設置。

(3)爆破切口長度:煙囪切口長度L=周長×(1/2～2/3)。2#煙囪切口下底邊L=17.8×(1/2～2/3)=8.9～11.8 m,實取11.4 m;上底邊根據爆破傾角現場決定。3#煙囪切口下底邊L=22×(1/2～2/3)=11～14.6 m,實取13.8 m;上底邊根據爆破傾角現場決定。

(4)實際切口高度H=1.8 m。

3.2 孔網參數

2#煙囪孔網參數如下:

(1)最小抵抗線W=1/2δ=1/2×80 c m=40 c m;

(2)采用間隔炮孔深度:L1=2/3δ=(0.67～0.80)×80 c m,取L1=60 c m;L2=80 c m;

(3)孔距a=40 c m;

(4)排距b=0.87,a=35 c m;

(5)在爆破切口范圍內,采用梅花形布孔,共布置7排炮孔約177個炮孔。

3#煙囪孔網參數如下:

(1)最小抵抗線W=1/2δ=1/2×80 c m=40 c m;

(2)采用間隔炮孔深度:L1=2/3δ=(0.67～0.80)×80 c m,取L1=60 c m;L2=80 c m;

(3)孔距a=40 c m;

(4)排距b=0.87,a=35 c m;

(5)在爆破切口范圍內,采用梅花形布孔,共布置7排約111個炮孔。

2個煙囪均未預先開定向窗。實際裝藥量均為孔深的2/3,即:80 c m深炮孔裝0.6 kg,60 c m深炮孔裝0.4 kg。

3.3 起爆網路

本工程采用數碼電子雷管起爆網路。由于在小孔網參數的延時起爆網路中電子雷管拒爆現象時有發生,同時,因本工程總藥量較小、炮孔全部都在地表之上,且煙囪是薄壁結構,其具有一定的泄能性,爆破地震波產生危害的可能性較小,因此,采用所有炮孔同時起爆的方法。

3.4 安全驗算

煙囪等高聳構筑物爆破拆除時,倒塌振動及其產生的飛石是重點研究對象,因此對本工程中的個別飛石飛散距離及其振動進行安全驗算。

3.4.1 爆破飛石

拆除爆破個別飛石最大飛散距離,根據《工程爆破使用手冊》中的經驗公式計算[5]:

式中,Smax為飛石飛散距離極值,m;v f為飛石初始速度,m/s;g為重力加速度,取9.8 m/s2。由高速攝影儀觀察分析,飛石初始速度為10～20 m/s,經計算可得飛石最大飛散距離為40.8 m。

由于本項目中煙囪周圍50 m內均有需要保護的對象,因此爆破飛石對周圍環境沒有影響。

3.4.2 爆破振動校核

工程施工監測與理論分析結果表明:煙囪爆破形成的振動主要有3個部分,分別是切口內炸藥起爆、煙囪下坐切口閉合撞擊以及筒體觸地沖擊,三者中最大的振動一般為煙囪的觸地沖擊振動,其次是切口內炸藥起爆,因此僅需對炸藥爆炸產生的振動和觸地振動進行安全驗算[6]。

(1)炸藥爆炸產生的振動。根據《爆破安全規程》中的Sadowski公式進行計算校核[7]:

式中,v為振動速度,c m/s;K,α為與地形、地質有關的系數,可取K為200、α為3;Q為最大單段藥量,取88.4 kg;R為振動監測的距離,取50 m。經計算,爆破振動校核值v=0.14 c m/s。校核的振速在爆破振動安全允許值之內。

(2)觸地振動校核。高聳建筑在倒塌觸地時,會對地面產生較大的沖擊,其塌落振動采用式(3)計算[8]:

式中,v p為塌落引起的地面振速峰值,c m/s;m為塌落體質量,本拆除煙囪為280 t;g為重力加速度,取9.8 m/s2;H為被爆體重心的高度,取21.7 m;R為測振點至沖擊地面中心的距離,取50 m;σ為地表破壞強度,取10 MPa;K'、β為與地質地形有關的系數,分別取3,-1.5。計算得v p=0.655 c m/s,同樣在振動安全允許值內。

4 拆除爆破數值模擬分析

煙囪的內襯一般為耐火磚砌成,具有一定的支承強度,內襯與煙囪筒身主體之間多為爐灰或其他耐熱性保溫材料充填,對爆炸能量有很強的吸收作用,若爆破設計考慮不周,爆破時未能將內襯破壞,其就有可能不隨煙囪筒身主體一起倒塌,從而形成了內部不規則的支撐致使煙囪改變倒塌方向[9]。韓光欽[10]從起爆瞬間煙囪的受力情況以及傾倒機理兩個方面分析了內襯對煙囪傾倒方向的影響,認為裝藥起爆后煙囪后壁所留支撐點、煙囪自重力、內襯對煙囪壁的徑向作用力三者應處在同一平面內,在重力和徑向作用力的共同作用下煙囪必然向設計倒塌方向傾倒,但施工中如果內襯處理不理想,未能使內襯保留部分中線與煙囪保留部分中線重合,這時內襯對煙囪壁實際的徑向力就要偏轉到一個新位置致使支撐點、重力、徑向力不在同一平面內,造成一方面煙囪要在自重作用下傾倒,另一方面煙囪要在徑向力的作用下發生扭轉,扭轉的結果使得煙囪偏離了設計倒塌方向。由于本工程采用不預先處理煙囪內襯,因此,有必要在施工前運用數值模擬進行分析,以確保爆破效果。

4.1 拆除爆破模型建立

選取2座煙囪中內襯較高的3#煙囪作為原型,采用有限元軟件LS-DYNA進行煙囪的定向倒塌模擬,實際煙囪高為62 m,為磚結構,無鋼筋等復雜結構,因此選用整體式建模方法建立1∶1的煙囪有限元模型,模型單位制選取為g-c m-us。煙囪和內襯的單元類型選取為SOLID164單元,地面單元選取SHELL163單元,爆破切口建立為獨立的part,地面和煙囪材料模型分別選取為剛性體和理想彈性體,筒體與地面間接觸設置為*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE面與面自動接觸。

4.2 材料選取及爆破切口

煙囪壁、內襯模型均選用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC,*MAT_A DD_EROSION做為失效關鍵字,材料參數見表1。模型的抗壓強度設置為32.5 MPa,抗拉強度設置為6.0 MPa。

表1 材料參數

4.3 模擬結果分析

模型運算后將結果文件導入lspp軟件中觀察。起爆后,切口處的單元刪除并形成了完整的爆破缺口,爆破缺口如圖1所示。

圖1 爆破缺口形狀

爆破缺口形成后,煙囪的有效應力峰值出現在缺口處,為得出煙囪的破壞過程,取爆破缺口下方的4個單元進行有效應力分析(從左至右為A、B、C、D),選點圖如圖2所示,應力圖如圖3所示。

圖2 特征點對應位置

由圖3可知,爆破缺口形成之初,4個點的有效應力均大于煙囪極限值,其中B、C點的有效應力比A、D點的大且應力值上升速度更快,表明此時煙囪內壁的有效應力較大,煙囪的斷裂從內壁開始形成倒塌之勢,隨著時間的變化,煙囪逐漸倒塌。當t=0.4 s時塔體與內襯碰撞,如圖4所示。當t=0.94 s時內襯出現了有效應力大于煙囪極限值的單元,其位于被壓側單元H1478891處,說明此時內襯從該處產生斷裂,將隨著煙囪一起倒塌,且可以看到內襯的初始斷裂處與煙囪初始斷裂處的變化趨勢基本一致,同時內襯與煙囪的倒塌方向保持一致。

圖3 特征點應力時程曲線

圖4 t=0.4 s時應力云圖

為分析內襯的倒塌軌跡,分別在內襯上端及其下端各選取一點的位移曲線圖進行分析,如圖5、圖6所示。

圖5 內襯上端一點位移時程曲線

圖6 內襯下端一點位移時程曲線

由圖5可知,在0.4 s時,內襯上端開始位移,并隨著時間推移距離逐步增加。由圖6可知,0.94 s內襯下端被破壞并開始位移,使得塔體跟內襯向一個方向傾倒。直至2.32 s時爆破缺口上沿筒壁與下沿筒壁碰撞,塔體開始加速下沖,如圖7所示。

圖7 t=2.32 s時塔體狀態

綜上模擬結果分析可知,煙囪在爆破形成爆破缺口后,由于重力原因,煙囪開始失穩倒塌,在0.4 s時煙囪與內襯發生碰撞,迫使內襯破壞并與煙囪一同以原位移方向倒塌,即在不拆除內襯的情況下,煙囪能以預設倒塌方向倒塌。

5 爆破效果

起爆后,兩座煙囪均向爆破設計倒塌方向倒塌,二者的倒塌長度均約70 m,爆破切口產生的飛石最遠距離約40 m,磚體落地飛濺最遠距離在煙囪倒塌方向近75 m處。在西側50 m的廠房處監測得的振速峰值為0.8 c m/s,在安全允許振速內。倒塌效果理想。現場拆除過程與數值模擬煙囪倒塌過程基本一致,兩座煙囪倒塌方向和原定方向均沒有產生較大差別,達到了預期效果,且煙囪傾倒后破碎效果良好,清理工作進行順利。爆破效果如圖8所示。

圖8 爆破效果

6 結論

本文運用數值模擬分析方法,研究了在不預先拆除內襯的情況下,磚混結構煙囪的倒塌過程,研究成果用于指導工程實踐并證明其可行性。主要結論如下。

(1)爆破結果表明,本工程的爆破方案以及施工措施是合理可行的,在不預先處理煙囪內襯的情況下,煙囪仍能依靠自重向預設倒塌方向倒塌。

(2)運用LS-DYNA有限元軟件,建立與方案相同的煙囪爆破模型,并進行數值模擬分析,可在爆破施工前模擬得到爆破結果,判斷爆破設計的合理性,保證了爆破作業的效果和爆破作業安全;

(3)爆破可在拆除廢舊高聳構筑物工程中廣泛應用,是一種快速、高效而又安全的方法,可一次性排險完成。本次研究成果及工程成功實施經驗可為類似高聳構筑物項目的拆除以及整治建設中所涉及類似的爆破作業提供一定的參考價值。