冷卻塔高卸荷槽復(fù)式切口爆破控制振動機(jī)理研究

褚懷保，侯愛軍 ，徐鵬飛，張英才，梁為民

(1．河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2．洛陽理工學(xué)院 土木工程系，河南 洛陽 471023)

用控制爆破法拆除高大建(構(gòu))筑物時，地振動效應(yīng)不可避免對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響，主要是因?yàn)榻?構(gòu))筑物爆破切口范圍內(nèi)炮孔中炸藥爆炸和建(構(gòu))筑物在倒塌過程中與地面沖擊引起的。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明[1-5]，冷卻塔等高大建(構(gòu))筑物爆破拆除過程中，其塌落觸地沖擊所引起的振動比爆破引起的振動大很多，且屬于低頻波，是對周圍環(huán)境產(chǎn)生危害性振動影響的主要因素。因此，如何有效控制高大建(構(gòu))筑物倒塌觸地振動效應(yīng)已成為爆破工作者致力研究的熱點(diǎn)。

冷卻塔高卸荷槽復(fù)式切口爆破技術(shù)是在爆破缺口范圍內(nèi)預(yù)開設(shè)多個以倒塌中心線為基準(zhǔn)向兩側(cè)呈階梯狀分布的高卸荷槽，使之與定向窗組成復(fù)式爆破切口，如圖1和圖3所示。在大量工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上總結(jié)確定了鋼筋混凝土冷卻塔高卸荷槽參數(shù)，卸荷槽高度h=10～25δ，δ為冷卻塔圈梁厚度；卸荷槽數(shù)量N=(N0/4)-2，N0為爆破切口內(nèi)人字支柱數(shù)量，工程中在穩(wěn)定驗(yàn)算的基礎(chǔ)上隔跨設(shè)置卸荷槽；卸荷槽寬度在穩(wěn)定性驗(yàn)算的基礎(chǔ)上以切槽設(shè)備而定，且切槽時只需破壞槽內(nèi)的混凝土即可。

在塔體上預(yù)開始高卸荷槽首先可以降低炸藥用量，有效控制炸藥爆炸所引起的地表振動效應(yīng)。同時，預(yù)開設(shè)高卸荷槽可以改善冷卻塔解體程度和速度，調(diào)控塔體重力荷載分布和應(yīng)力狀態(tài)，最終控制冷卻塔倒塌解體和觸地沖擊過程，有效控制冷卻塔爆破拆除地振動效應(yīng)。本文利用能量理論、數(shù)值計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場振動測試結(jié)果對冷卻塔高卸荷槽復(fù)式切口爆破技術(shù)的控制振動機(jī)理進(jìn)行綜合分析。

1 建(構(gòu))筑物爆破拆除塌落觸地碰撞的波動能量

爆破拆除塌落體觸地碰撞的能量關(guān)系，是研究觸地振動的重要部分。在碰撞過程中，建(構(gòu))筑物塌落過程釋放的位能要對結(jié)構(gòu)做功，以形成塑性鉸，和轉(zhuǎn)化為使梁、柱、墻體等結(jié)構(gòu)破壞、破碎、解體等的變形能，以及塌落觸地的動能等。在形成觸地振動的過程中，塌落觸地的動能部分被土體吸收，吸收的能量以三種波的形式向四周傳播[6-7]。

將建(構(gòu))筑物假定為集中質(zhì)量體m，則其爆破拆除塌落過程釋放的總能量，即建(構(gòu))筑物具有的初始位能E0。

E0=mgh

(1)

如果建(構(gòu))筑物塌落觸地動能E1的能量系數(shù)η，則E1=ηE0，即：

(2)

式中:E1為塌落觸地的動能，E0為建構(gòu)筑物失穩(wěn)前的總勢能，m為建構(gòu)筑物的質(zhì)量，v為觸地的接觸速度，g為重力加速度系數(shù)，h為失穩(wěn)前建構(gòu)筑物質(zhì)心高度。η為轉(zhuǎn)化為后兩部分的能量系數(shù)。

建(構(gòu))筑物塌落觸地碰撞過程時，塌落觸地的動能E1不能完全轉(zhuǎn)化為波動能量，該能量將分為地面變形的能量E1-1、土體對建構(gòu)筑物產(chǎn)生反作用促使結(jié)構(gòu)進(jìn)一步解體的能量E1-2和用來產(chǎn)生觸地地震波的能量E1-3三部分[8]。觸地碰撞過程中能量和動量守恒，設(shè)塔體觸地碰撞土體能量轉(zhuǎn)換為土體對建筑物產(chǎn)生反作用促使結(jié)構(gòu)進(jìn)一步解體能量和產(chǎn)生觸地地震波能量的系數(shù)β，得:

mv=mv1+Mdvd

(3)

Md=ρdAdhd

(4)

由式(3)、(4)可得，vd=Kv，K是與m、Md和β等因素有關(guān)的系數(shù)，K=f(m,Md,β)，且K是一無量綱數(shù)，根據(jù)量綱分析相似率并假定K為指數(shù)據(jù)變量關(guān)系，由量綱和諧條件得K=β(m/Md)λ。

則可得：

(5)

式中:v1為地面土體對建(構(gòu))筑物產(chǎn)生反作用產(chǎn)生的速度；vd為地面土體獲得的速度；Md為被撞擊地面土體的質(zhì)量；ρd為土體的密度；Ad為碰撞面積，為與地面接觸到塔壁弧形面積；hd為土體的厚度，通常取第一層土的深度；λ為待定系數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)回歸得到。

2 冷卻塔高卸荷槽復(fù)式切口爆破拆除倒塌數(shù)值計(jì)算

利用DYNA軟件對高卸荷槽冷卻塔爆破拆除倒塌過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，考慮鋼筋混凝土冷卻塔結(jié)構(gòu)與材料特征，本構(gòu)模型選用彈塑性損傷模型，選用實(shí)體單元建立鋼筋混凝土和地面的三維實(shí)體模型。對人字柱底座和地面施加約束，定義面面接觸，動靜摩擦因數(shù)為0.6。在K文件中添加*Mat_Add_Erosion定義時間失效準(zhǔn)則控制高卸荷槽和人字柱組成的復(fù)式爆破切口的形成，數(shù)值計(jì)算時，爆破缺口范圍內(nèi)塔體人字支柱隔跨開設(shè)一個高卸荷槽，冷卻塔高卸荷槽復(fù)式切口爆破塔體模型和應(yīng)力云圖如圖1所示。

圖1 預(yù)設(shè)高卸荷槽塔體應(yīng)力云圖

為了便于分析冷卻塔倒塌觸地沖擊過程和沖擊狀態(tài)，根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，取數(shù)值計(jì)算1.6 s(a)、2.2 s(b)、2.8 s(c)和4.9 s(d)時的倒塌觸地沖擊圖片，如圖2所示。

圖2 冷卻塔爆破倒塌觸地過程

為了對比分析數(shù)值計(jì)算效果和精確程度，取大武口電廠冷卻塔爆破拆除攝影圖片如圖3所示，時間分別為0.45 s、1.8 s、2.2 s、3.1 s和5.4 s，這里主要對比冷卻塔的倒塌過程，所以沒有嚴(yán)格對照數(shù)值計(jì)算時間進(jìn)行取圖。

圖3 冷卻塔爆破拆除攝影照片

3 冷卻塔高卸荷槽復(fù)式切口爆破技術(shù)控制振動機(jī)理分析

(1)冷卻塔高卸荷槽復(fù)式切口爆破技術(shù)在塔體上預(yù)開設(shè)高卸荷槽可以調(diào)控塔體應(yīng)力狀態(tài)，增大塔體倒塌過程中的解體程度和解體速度，降低冷卻塔塌落觸地動能。

從圖1可以看出，在冷卻塔塔體上預(yù)開設(shè)高卸荷槽可以調(diào)控塔體重力荷載分布及塔體上的應(yīng)力狀態(tài)，在每個高卸荷槽的頂端均發(fā)生應(yīng)力集中，兩個高卸荷槽中間塔體上應(yīng)力也有較大程度的增大，這都有利于加大冷卻塔倒塌過程中塔體的解體程度和速度，進(jìn)而大大降低冷卻塔塔體倒塌觸地沖擊強(qiáng)度，有效控制倒塌觸地振動效應(yīng)。

從式(1)和(2)可以知，增大了塔體倒塌過程中的解體程度和解體速度，增大位能對結(jié)構(gòu)的做功增，也就減少了轉(zhuǎn)化為觸地動能的能量，土體波動的能量也隨即得到有效控制。

(2)冷卻塔高卸荷槽復(fù)式切口爆破技術(shù)改變塔體倒塌觸地沖擊形式和沖擊過程，延長塔體觸地沖擊時間，減小塔體觸地沖擊強(qiáng)度，有效控制塔體爆破倒塌觸地振動效應(yīng)。

從圖1可以看出在塔體爆破切口范圍內(nèi)預(yù)開設(shè)高卸荷槽，將完整的塔壁變成了一個個的塔體壁柱，宏觀上弱化了塔體的整體強(qiáng)度和剛度，避免了強(qiáng)度和剛度均非常大的圈梁的直接觸地沖擊，而塔體壁柱的強(qiáng)度較低，在觸地沖擊的同時自身即被破壞，降低了塔體與地面的沖擊強(qiáng)度。

從圖2和圖3可以看出，預(yù)開設(shè)高卸荷槽后整個冷卻塔的倒塌觸地沖擊過程可分為3段，即切口閉合時塔體壁柱觸地沖擊(圖2(a))、切口處斷開的塔體圈梁觸地沖擊(圖2(b))和塔體連續(xù)倒塌觸地沖擊(圖2(c)，(d))。使冷卻塔倒塌觸地過程由原來的切口閉合圈梁剛性觸地沖擊和塔體連續(xù)倒塌觸地沖擊變?yōu)樗w壁柱觸地沖擊、斷開的圈梁觸地沖擊和塔體連續(xù)觸地沖擊的連續(xù)倒塌沖擊過程，分散了塔體觸地沖擊能量，延長了塔體倒塌觸地沖擊時間，有效控制了塔體爆破倒塌觸地振動效應(yīng)。

(3)冷卻塔高卸荷槽復(fù)式切口爆破技術(shù)增大了塔體觸地沖擊過程中促使沖擊結(jié)構(gòu)進(jìn)一步解體的能量，并降低了碰撞后土體獲得的轉(zhuǎn)化為波動的能量。

從式(4)和(5)可以看出，增大塔體觸地沖擊地面的面積Ad，可以增大撞擊土體的質(zhì)量，而轉(zhuǎn)化為波動的能量與撞擊土體的質(zhì)量成反比，預(yù)設(shè)高卸荷槽后避免了塔體倒塌中心線處圈梁直接點(diǎn)沖擊觸地狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)塔體壁柱觸地，增大了塔體觸地沖擊面積，也即增大了沖擊土體的質(zhì)量，進(jìn)而降低了沖擊土體形成波動的能量。且預(yù)開設(shè)高卸荷槽降低了塔體的整體的整體剛度和強(qiáng)度，改變塔體剛性圈梁觸地形式為塔體壁柱觸地，實(shí)現(xiàn)了塔體邊倒塌壁柱邊破壞的連續(xù)倒塌過程，且在沖擊受壓狀態(tài)下壁柱的破壞程度增強(qiáng)，也即是增大了促使結(jié)構(gòu)進(jìn)一步解體的能量E1-2，也必然降低沖擊土體形成波動的能量。

4 冷卻塔高卸荷槽復(fù)式切口爆破拆除振動測試

高卸荷槽復(fù)式切口爆破技術(shù)在焦作電廠(圖4(a))、寧夏大武口電廠(圖4(b))和開封電廠(圖4(c))等32座冷卻塔爆破拆除中進(jìn)行了成功應(yīng)用。爆破后冷卻塔的倒塌過程和觸地狀態(tài)在一定程度上得到科學(xué)控制，有效降低了冷卻塔倒塌觸地振動效應(yīng)。

圖4 高卸荷槽復(fù)式切口爆破技術(shù)應(yīng)用

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的合理性與正確性，在多個冷卻塔爆破拆除過程中對冷卻塔爆破倒塌觸地振動進(jìn)行了現(xiàn)場測試。以2010年大武口電廠兩座冷卻塔高卸荷槽復(fù)式切口爆破拆除為例進(jìn)行爆破振動測試分析，為了測試到有效明顯的振動波形，將拾振器布置在冷卻塔倒塌中心線上距離冷卻塔底部邊沿10 m的位置，振動測試結(jié)果如圖5所示。采用IDTS-3850爆破振動記錄儀測試，拾振器靈敏度為28～30 V/m/s，用IDTS 3850軟件采集到的波形進(jìn)行分析和處理。

圖5 實(shí)測振動波形

從圖5的實(shí)測振動波形圖可以看出，冷卻塔高卸荷槽復(fù)式切口爆破倒塌引起的地表振動波一般包含三段或四段波形。第一段波形峰值不大，峰值時間在0.0 s，且持續(xù)時間短，主頻率為41.643 6 Hz，峰值振速為0.277 9 cm/s。該振動是炸藥爆炸時部分能量沿冷卻塔塔體和人字支柱傳入基礎(chǔ)而引起的地表振動；第二段波形峰值也較小，峰值時間在1.7 s，但持續(xù)時間較長，主頻率為11.596 7 Hz，峰值振速為2.171 4 cm/s。該振動由冷卻塔切口內(nèi)塔體壁柱觸地引起的地表振動；第三段波形峰值最大，峰值時間在2.6 s，主頻率為7.812 5Hz，峰值振速為3.832 6 cm/s，但是持續(xù)時間最短，幾乎是瞬間衰減。該振動是預(yù)設(shè)高卸荷槽形成的塔體壁柱破壞后圈梁觸地沖擊引起的地表振動；第四段波的峰值較小，峰值時間在4.2 s但是持續(xù)時間最長，主頻率為5.615 2 Hz，峰值振速為1.442 9 cm/s。該段振動是失穩(wěn)和部分解體后的塔體連續(xù)觸地引起的地表振動。從各段振動頻率來看，爆破振動頻率最高，塔體倒塌觸地振動均較低。

根據(jù)公式[9]Vt=Kt(R/(MgH/σ)1/3)β計(jì)算得到塔體倒塌觸地振動的速度為6.4 cm/s，實(shí)測振動速度小于理論計(jì)算值，也進(jìn)一步說明冷卻塔高卸荷槽復(fù)式切口爆破技術(shù)的控制振動作用。同時，結(jié)合圖2、圖3和圖5可以看出，冷卻塔三種倒塌觸地沖擊狀態(tài)所對應(yīng)的時間與實(shí)測振動波形上各段波形峰值或觸發(fā)時間來看，對應(yīng)的時間點(diǎn)也是比較吻合的，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值分析和理論分析結(jié)果的合理性與正確性。

5 結(jié) 論

(1)冷卻塔冷卻塔高卸荷槽復(fù)式切口爆破技術(shù)可以直接減少塔體炮孔數(shù)量降低炸藥用量，有效降低冷卻塔爆破振動。

(2)冷卻塔高卸荷槽復(fù)式切口爆破技術(shù)能調(diào)控塔體應(yīng)力狀態(tài)，增大塔體倒塌過程中的解體程度和解體速度，降低冷卻塔塌落觸地動能，同時能增大塔體觸地沖擊過程中促使沖擊結(jié)構(gòu)進(jìn)一步解體的能量，并降低碰撞后土體獲得的轉(zhuǎn)化為波動的能量，而且能改變塔體倒塌觸地沖擊形式和沖擊過程，延長塔體觸地沖擊時間，減小塔體觸地沖擊強(qiáng)度，最終有效控制塔體爆破倒塌觸地振動效應(yīng)。

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