210m鋼筋砼煙囪爆破倒塌過(guò)程測(cè)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(xué)理學(xué)院，湖北，武漢，430065；2.武漢科技大學(xué)爆破技術(shù)研究中心，湖北，武漢，430065）

日趨苛刻的爆破環(huán)境對(duì)爆破施工提出了更高要求，采用精確的測(cè)量手段來(lái)研究爆破過(guò)程成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)。高速攝影方法是記錄高速流逝過(guò)程某一瞬時(shí)狀態(tài)或全部歷程的有效手段，其所獲得的大量、準(zhǔn)確的時(shí)間－空間信息，為研究高速現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理和運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供了可靠依據(jù)。應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量技術(shù)是通過(guò)對(duì)建構(gòu)筑物中內(nèi)嵌鋼筋倒塌過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變行為進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，以便于分析了解結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展規(guī)律。綜合采用這兩種實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段，對(duì)于研究爆破過(guò)程、評(píng)價(jià)爆破效果、分析力學(xué)機(jī)理和總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蛱峁┲匾罁?jù)。

本研究對(duì)南昌電廠210m鋼筋混凝土煙囪定向爆破倒塌過(guò)程采用高速攝影及應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量手段進(jìn)行分析，旨在通過(guò)煙囪倒塌過(guò)程中各力學(xué)參數(shù)的獲得及規(guī)律性的認(rèn)識(shí)，為解決類(lèi)似工程提供參考依據(jù)。

1 爆破倒塌過(guò)程實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)

1.1 工程概況

所爆破拆除的江西南昌發(fā)電廠煙囪為鋼筋混凝土筒式結(jié)構(gòu)，高210m。在±0.00m標(biāo)高處，煙囪外半徑為9.24m，內(nèi)半徑為8.62m，壁厚為0.62m。在＋210.00m標(biāo)高處，煙囪外半徑為3.17m，內(nèi)半徑為2.92m，壁厚為0.25m［1］。按《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2003）規(guī)定屬于A級(jí)拆除爆破工程。

鋼筋混凝土煙囪設(shè)計(jì)為單向倒塌，用機(jī)械手段沿倒塌方向兩側(cè)預(yù)先開(kāi)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(shù)碼雷管為主、非電導(dǎo)爆管雷管為輔的綜合復(fù)式起爆網(wǎng)路［2］，分二段起爆。爆破切口中間采用MS－1段非電雷管，兩側(cè)分別采用MS－3段非電雷管，孔外4組電雷管采用大串聯(lián)起爆網(wǎng)路，用起爆器進(jìn)行起爆。

1.2 測(cè)試系統(tǒng)

1.2.1 高速攝影測(cè)量

高速攝影系統(tǒng)采用日本NAC MEMRECAM GX－5高速攝影儀，該儀器由一臺(tái)主機(jī)（DRP）連接多個(gè)攝像頭，為可從不同方向同時(shí)拍攝的多攝像機(jī)系統(tǒng)。主機(jī)與安裝有GX－Link控制軟件的筆記本電腦相連，通過(guò)手持型遙控器J－Pad3進(jìn)行觸發(fā)采集圖像。為便于監(jiān)測(cè)，所布置測(cè)點(diǎn)均與煙囪倒塌方向有一定夾角。測(cè)量煙囪的拍攝頻率為500幀／s，像素為720×1280。

1.2.2 應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量

動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)主要由TA120－6AA型大應(yīng)變電阻應(yīng)變計(jì)、DH5935動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀以及計(jì)算機(jī)組成。儀器配備有8個(gè)采樣通道，A／D分辨率為14bit，采樣速率精度達(dá)0.02%，滿度線性度為0.1%±1×10－6。考慮實(shí)際測(cè)試時(shí)的安全性，用長(zhǎng)度為100m的電纜與動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀連接后布置于安全區(qū)域。為保證測(cè)試信號(hào)的準(zhǔn)確及減小信號(hào)的干擾，測(cè)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(duì)儀器和電纜進(jìn)行妥善的接地處理，采樣頻率設(shè)置為2 kHz。由于煙囪中部分鋼筋在倒塌過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生塑性變形，而常規(guī)應(yīng)變計(jì)（測(cè)量變形范圍僅為2%）不能測(cè)到塑性變形部分的特征曲線，因而測(cè)試傳感器采用TA120－6AA（10%）型大應(yīng)變電阻應(yīng)變計(jì)。該電阻應(yīng)變計(jì)電阻為120.8Ω，靈敏度系數(shù)KP＝2.07，最大測(cè)量變形范圍為10%。根據(jù)預(yù)先開(kāi)鑿的定向窗位置，在煙囪預(yù)定倒塌方向的背面距地面1m處選取4根鋼筋進(jìn)行測(cè)試。先鑿開(kāi)混凝土，使螺紋鋼裸露，后用砂輪機(jī)對(duì)鋼筋表面打磨，再用細(xì)砂紙精磨至平整，最后在其上布置應(yīng)變片。應(yīng)變片布置圖如圖1所示。

圖1 應(yīng)變片布置圖Fig.1 Strain gauge arrangement

2 觀測(cè)結(jié)果與分析

2.1 觀測(cè)結(jié)果

爆破前3s由爆破指揮部發(fā)出起爆命令，通過(guò)J－Pad3觸發(fā)高速攝影儀采集圖像信息，采用圖像分幅處理技術(shù)得到210m鋼筋混凝土煙囪在起爆后不同時(shí)刻傾角及角速度。觀測(cè)結(jié)果如圖2、圖3所示。各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變波形如圖4～圖7所示。

圖2 時(shí)間－角度曲線Fig.2 Time－angle curve

圖3 時(shí)間－角速度曲線Fig.3 Time－angular velocity curve

圖4 1號(hào)測(cè)點(diǎn)時(shí)間－應(yīng)變歷程圖Fig.4 Time－strain history in Site 1

圖5 2號(hào)測(cè)點(diǎn)時(shí)間－應(yīng)變歷程圖Fig.5 Time－strain history in Site 2

圖6 3號(hào)測(cè)點(diǎn)時(shí)間－應(yīng)變歷程圖Fig.6 Time－strain history in Site 3

圖7 4號(hào)測(cè)點(diǎn)時(shí)間－應(yīng)變歷程圖Fig.7 Time－strain history in Site 4

2.2 結(jié)果分析

綜合分析爆破方案、高速攝影測(cè)量數(shù)據(jù)及煙囪傾倒過(guò)程中筒體鋼筋時(shí)間－應(yīng)變歷程圖，鋼筋混凝土煙囪爆破傾倒過(guò)程分為以下五個(gè)階段。

2.2.1 爆破切口形成階段

雷管引爆炸藥后75ms，裝藥區(qū)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(wǎng)。此時(shí)，筒體上部自重載荷全部瞬間加載在預(yù)留支撐體上，同時(shí)由爆破載荷作用引發(fā)囪體振動(dòng)，其幅值超過(guò)混凝土極限抗拉強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度，初始損傷形成，混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)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(jìn)一步擴(kuò)展，煙囪形成微小偏角，由于鋼筋抗壓能力遠(yuǎn)小于抗拉及抗剪能力，故切口區(qū)豎向鋼筋迅速屈曲失穩(wěn)；預(yù)留支撐體部位鋼筋混凝土受到偏心載荷作用由受壓變?yōu)槭芾?。選取爆破后約0.1s時(shí)刻，此時(shí)的鋼筋應(yīng)變值為81.4×10－6。根據(jù)應(yīng)變協(xié)調(diào)原理，此時(shí)混凝土也將產(chǎn)生同樣大小的應(yīng)變，混凝土許用抗拉強(qiáng)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(dá)到極限抗拉強(qiáng)度，說(shuō)明此時(shí)預(yù)留支撐體部位混凝土已產(chǎn)生裂紋。

2.2.2 整體下坐階段

在傾覆力矩作用下，煙囪開(kāi)始以定向窗夾角頂點(diǎn)為鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，預(yù)留支撐體部位裂紋逐漸擴(kuò)大，支撐部位受壓范圍逐漸變小，直至轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的承載能力不足以支持整個(gè)煙囪的重量。通過(guò)高速攝影圖像觀測(cè)，2.158s時(shí)，煙囪開(kāi)始整體下坐，由時(shí)間－角速度曲線可以看到此時(shí)煙囪轉(zhuǎn)動(dòng)速度有微小增加。通過(guò)動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀時(shí)間－應(yīng)變歷程曲線可以看到，4個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變曲線在起爆后2s左右拉應(yīng)變迅速變小，直至轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)變，此時(shí)煙囪開(kāi)始下坐，測(cè)量部位的鋼筋發(fā)生扭曲。兩種測(cè)量方式得到的煙囪下坐開(kāi)始時(shí)間基本一致。各測(cè)點(diǎn)瞬時(shí)最大應(yīng)變值如表1所示。從表1中可看出，鋼筋最大應(yīng)變值均為正，產(chǎn)生時(shí)間均為起爆后煙囪倒塌全過(guò)程，這與實(shí)際情況相符合。

表1 各測(cè)點(diǎn)瞬時(shí)最大應(yīng)變值Table1 Instantaneous maximum strain value of each site

以2號(hào)測(cè)點(diǎn)為例，儀器觸發(fā)后7.7s，應(yīng)變開(kāi)始緩慢增大，表明鋼筋此時(shí)處于線彈性階段；8.6 s后，應(yīng)變不再繼續(xù)增大，表明材料進(jìn)入屈服階段。此期間鋼筋瞬態(tài)最大應(yīng)變?yōu)?898.9×10－6，計(jì)算得到瞬時(shí)最大應(yīng)力值為391.1MPa，根據(jù)GB1499—2008中Ⅰ級(jí)螺紋鋼力學(xué)性能要求，材料的屈服極限為335MPa，表明鋼筋已經(jīng)產(chǎn)生塑性變形。4.235s時(shí)下坐完成，整個(gè)下坐過(guò)程歷時(shí)約2s。下坐過(guò)程中，煙囪豎向運(yùn)動(dòng)速度增加，因煙囪質(zhì)量較大，具有很大的豎向沖量，在下坐過(guò)程中，支撐部位結(jié)構(gòu)的破壞過(guò)程基本在煙囪豎向沖量作用下完成［4］。各測(cè)點(diǎn)信號(hào)最終均超出測(cè)試儀器量程而出現(xiàn)削峰，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是煙囪倒塌過(guò)程中信號(hào)線被拉斷所致。

2.2.3 定軸轉(zhuǎn)動(dòng)階段

下坐過(guò)程完成后，煙囪兩側(cè)定向窗附近形成塑性區(qū)，且塑性區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，煙囪以?xún)蓚?cè)塑性鉸為支點(diǎn)繼續(xù)發(fā)生定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。上述過(guò)程伴隨塑性鉸向后移動(dòng)，并由此導(dǎo)致鋼筋混凝土構(gòu)件脆性斷裂，從而出現(xiàn)較大的受壓不均區(qū)［5］。由煙囪時(shí)間－速度曲線可以看出，速度變化開(kāi)始處于近似緩慢勻速轉(zhuǎn)動(dòng)階段。這一階段主要受到縱向鋼筋的約束作用，隨轉(zhuǎn)動(dòng)角度的增大，偏心彎矩逐漸增大，在爆破后5～6s有第一個(gè)加速階段。原因系預(yù)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(zhuǎn)角達(dá)到11°，轉(zhuǎn)動(dòng)速度開(kāi)始急劇上升。

2.2.4 局部折斷階段

煙囪傾倒過(guò)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(chǎn)生斜裂紋沿斜截面受剪破壞而折斷［6］。文獻(xiàn)［7］計(jì)算結(jié)果表明，煙囪爆破傾倒折斷部位一般發(fā)生在煙囪高度的1／3處，且強(qiáng)度不高的煙囪還會(huì)發(fā)生多處折斷。言志信［8］等通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果表明，折斷部位一般發(fā)生在離地面1／3或1／2處。高速攝影圖像分析結(jié)果顯示，210m鋼筋混凝土煙囪在15.626s時(shí)發(fā)生折斷，折斷部位發(fā)生在離底部105m處，與上述理論計(jì)算及數(shù)值模擬結(jié)果吻合。由于煙囪在15～105m范圍進(jìn)行過(guò)加固，其配筋率較高，抗剪能力較強(qiáng)，這也是煙囪在1／2部位發(fā)生折斷的原因。通過(guò)此階段的時(shí)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(guò)程中消耗掉部分能量所致。

2.2.5 沖擊撞地階段

從17.316s開(kāi)始，煙囪從底部開(kāi)始依次觸地破壞，該過(guò)程歷時(shí)大約1s，爆堆長(zhǎng)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(cè)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(kāi)，鋼筋外露［9］。

3 結(jié)論

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

（2）起爆后4s內(nèi)，煙囪傾斜速度較慢，傾斜角很?。?.9°），表現(xiàn)為定向窗切口閉合過(guò)程；4.235s時(shí)，切口完全閉合，預(yù)留支撐體部位遭到完全破壞。

（3）煙囪傾倒過(guò)程有兩個(gè)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(shí)間為15.626s時(shí)，距煙囪底部105 m處發(fā)生折斷，折斷過(guò)程能量損失導(dǎo)致煙囪扭轉(zhuǎn)速度局部下降。

（5）4個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變波形變化趨勢(shì)相同，1號(hào)測(cè)點(diǎn)與4號(hào)測(cè)點(diǎn)數(shù)值接近，2號(hào)測(cè)點(diǎn)與3號(hào)測(cè)點(diǎn)數(shù)值接近；動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀測(cè)得4個(gè)測(cè)點(diǎn)瞬間最大應(yīng)力均接近或大于Ⅰ級(jí)螺紋鋼的屈服極限，測(cè)量點(diǎn)鋼筋均產(chǎn)生了塑性變形。

（6）所測(cè)信號(hào)真實(shí)反應(yīng)了測(cè)點(diǎn)鋼筋隨煙囪倒塌過(guò)程的應(yīng)變情況。

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