切口形狀對高煙囪拆除爆破傾倒后坐的影響

費鴻祿，錢起飛，劉 雨，張超逸

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)爆破技術(shù)研究院，遼寧 阜新 123000；2.北方爆破科技有限公司，北京 100000)

隨著城市建設(shè)和改造進(jìn)入大規(guī)模的發(fā)展階段，拆除鋼筋混凝土建(構(gòu))筑物的需求也越來越大，拆除爆破因其安全、經(jīng)濟(jì)、高效等突出優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于鋼筋混凝土高煙囪的拆除工程中[1-2]。但由于拆除環(huán)境的復(fù)雜性、自身結(jié)構(gòu)的不確定性及拆除爆破過程的危險性，加上目前拆除爆破的設(shè)計和施工主要依賴于以往的一些工程實踐經(jīng)驗，缺乏準(zhǔn)確性、系統(tǒng)性，給高煙囪的精細(xì)拆除爆破埋下了一定的安全隱患[3-4]。針對鋼筋混凝土煙囪的拆除爆破傾倒過程問題，許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究并得出了一系列對工程實踐具有指導(dǎo)意義的結(jié)論[4-10]，但大多數(shù)研究都是基于數(shù)值模擬手段，對鋼筋混凝土高煙囪的理論研究相對較少，尤其是傾倒過程中的后坐問題。工程實踐表明：在高煙囪拆除爆破定向傾倒過程中，會伴隨著后坐的發(fā)生[11-12]，而后坐往往影響著高煙囪拆除爆破的成敗，因此必須對鋼筋混凝土高煙囪拆除爆破傾倒過程中的后坐問題進(jìn)行系統(tǒng)的研究，以完善鋼筋混凝土高煙囪的拆除爆破理論。

鑒于鋼筋混凝土高煙囪拆除爆破傾倒過程中的后坐問題與爆破切口形狀具有較大的相關(guān)性，應(yīng)用達(dá)朗貝爾原理和拉格朗日方程建立高煙囪定向傾倒的動力學(xué)方程，分析正梯形、倒梯形和矩形切口形狀高煙囪傾倒后坐的力學(xué)狀態(tài)，并分別建立相應(yīng)的后坐理論模型和判別準(zhǔn)則；結(jié)合工程實例，討論切口形狀對高煙囪拆除爆破傾倒后坐的影響規(guī)律，以分析不同切口形狀高煙囪傾倒過程中的安全性問題，為實際拆除爆破時切口形狀的選取提供理論參考。

1 高煙囪定向傾倒力學(xué)分析

高煙囪從爆破切口形成瞬間到切口上部筒體觸地解體之前，煙囪在自身傾覆力矩作用下繞支撐部定向傾倒，整個過程伴隨有筒體的后坐、前沖及下坐[12]。在傾倒過程中，支撐部發(fā)生大偏心受壓脆性斷裂破壞，具體表現(xiàn)為切口端在極大的自重壓力下首先受壓破壞，然后煙囪壁外側(cè)受拉，混凝土開裂，受拉區(qū)鋼筋屈服，最后受壓區(qū)混凝土被壓壞[5-6]，煙囪下坐偏轉(zhuǎn)直至觸地解體。為簡化分析，假設(shè)在傾倒過程中煙囪完好未發(fā)生解體破壞，切口截面平整，視煙囪為從下到上均勻變化、壁厚連續(xù)收縮的圓筒，忽略爆炸荷載對煙囪傾倒過程的影響，煙囪傾倒受力分析如圖1所示。

圖1 煙囪傾倒受力分析Fig.1 Analysis of chimney dumping force

設(shè)沿?zé)焽鑳A倒方向為正(見圖1)，根據(jù)達(dá)朗貝爾原理[13]有：

(1)

將上述結(jié)果帶入(1)式整理可得：

(2)

煙囪定向傾倒的水平和豎向支座反力Fx、Fy分別為

(3)

煙囪傾倒角度為θ時截面的剪力FQ和豎向支持力FV分別為：

(4)

2 3種切口形狀高煙囪后坐分析

高煙囪拆除爆破的攝影觀測結(jié)果表明：鋼筋混凝土高煙囪定向傾倒過程一般經(jīng)歷爆破切口形成、中性軸形成及后移、下坐及定向傾倒和觸地解體4個階段。高煙囪的后坐一般發(fā)生在下坐及定向傾倒階段，由于在中性軸形成及后移過程中，余留支撐部已經(jīng)發(fā)生剪壓破壞而導(dǎo)致塑性鉸彎矩消失，且根據(jù)文獻(xiàn)[12]的觀測結(jié)果可知：在發(fā)生下坐及定向傾倒之前，高煙囪的偏轉(zhuǎn)角度、角速度以及角加速度很小，在下坐及定向傾倒階段，高煙囪以定向窗兩側(cè)附近的塑性鉸為支點發(fā)生定軸轉(zhuǎn)動。因此在后坐分析過程中假設(shè)高煙囪以定向窗兩側(cè)夾角的頂點為支點定軸轉(zhuǎn)動，且煙囪的初始傾角、角速度、角加速度、塑性鉸彎矩為0。

2.1 正梯形切口

針對正梯形切口，由于切口部位薄弱截面位于底部截面，因此，在高煙囪定向傾倒過程中煙囪壁由此處發(fā)生脆性斷裂破壞。假設(shè)此過程中切口下部筒體的承載力足夠，則可認(rèn)為高煙囪的后坐符合煙囪后滑理論模型。避免高煙囪發(fā)生后坐的條件為

Fx≤fFy

(5)

式中：f為切口部位薄弱截面的摩擦系數(shù)，通常取0.6～0.7[15]。

由于煙囪在定向傾倒過程中水平支座反力Fx會改變方向，在前期Fx為正，后期Fx為負(fù)，因此，為方便進(jìn)行后坐分析，令|Fx|≤fFy。正梯形切口煙囪后坐分析如圖2所示。

圖2 正梯形切口煙囪后坐分析Fig.2 Analysis of chimney backward collapse with trapezoidal cut

2.2 倒梯形或矩形切口

倒梯形或矩形切口部位的薄弱截面則在上部截面，因此在傾倒過程中，煙囪壁從此處發(fā)生剪壓脆性斷裂破壞。對于這兩種切口形狀，隨著煙囪的下坐偏轉(zhuǎn)，支撐部的有效面積逐漸增大，因此煙囪的后坐可認(rèn)為符合煙囪后坐理論模型。對支撐部位進(jìn)行受力分析(見圖3)，則其內(nèi)部任一點的應(yīng)力狀態(tài)如下：

圖3 倒梯形、矩形切口煙囪后坐分析Fig.3 Analysis of chimney backward collapse with inverted trapezoidal and rectangular cuts

(6)

若高煙囪在傾倒過程中發(fā)生后坐，則余留支撐部位必定發(fā)生剪壓脆性斷裂破壞，因此選定最大線應(yīng)變理論[13]作為判斷高煙囪發(fā)生后坐的力學(xué)依據(jù)。為方便表述，設(shè)σu為等效應(yīng)力，整理如下：

σu=σ1-μ(σ2+σ3)≤[σ]

(7)

3 高煙囪傾倒過程中后坐的判斷

根據(jù)上述分析可知，由于3種切口形狀的切口參數(shù)及后坐機(jī)理不盡相同，為便于分析，現(xiàn)分別定義3種切口形狀高煙囪傾倒過程中的后坐安全系數(shù)為f1、f2、f3，即：

(8)

式中：f1、f2、f3分別為與轉(zhuǎn)角θ有關(guān)的函數(shù)，當(dāng)煙囪轉(zhuǎn)動到某一角度時，就可以分別求出對應(yīng)的3種切口的后坐安全系數(shù)f1、f2、f3。其中f1=f2=f3=1時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)角θ分別為正梯形、倒梯形、矩形切口高煙囪傾倒過程中發(fā)生后坐時的臨界傾倒角度(后坐傾角)[θ]。若f1、f2、f3分別大于1，則高煙囪傾倒過程中不會發(fā)生后坐；若f1、f2、f3分別小于1，則高煙囪傾倒過程中會發(fā)生后坐。分別令：

f1-1=0;f2-1=0;f3-1=0

(9)

將式(9)代入MATLAB就可解出高煙囪后坐傾角[θ]的數(shù)值解。

(10)

式中：θ1為煙囪發(fā)生前沖時的臨界傾角(下文簡稱前沖傾角)，°。

4 工程實例

4.1 工程概況

選取100、120、150、180、210、240 m鋼筋混凝土高煙囪[17-22]進(jìn)行計算，在切口高度、切口圓心角相同的情況下分析切口形狀對高煙囪傾倒過程中后坐的影響規(guī)律。煙囪基本參數(shù)如表1所示，鋼筋混凝土的密度取2 500 kg/m3，隔熱層的密度取350 kg/m3，內(nèi)襯的密度取2 000 kg/m3。

表1 煙囪基本參數(shù)

4.2 3種切口形狀高煙囪后坐分析

正梯形、倒梯形、矩形切口高煙囪在定向傾倒過程中的后坐安全系數(shù)隨著傾倒角度θ的增加是不斷變化的，以上6個鋼筋混凝土高煙囪在傾倒過程中的后坐安全系數(shù)變化過程如圖4所示，圖中的小圖為后坐安全系數(shù)變化全過程圖，大圖為部分過程放大圖。從圖4中可以得出：在高煙囪不發(fā)生前沖的前提下，3種切口形狀的高煙囪在傾倒過程中后坐安全系數(shù)不是一直減小的，在35°～55°之間有一個先增大后減小的趨勢，大約在45°左右出現(xiàn)峰值。主要原因是當(dāng)煙囪的傾角達(dá)到45°左右時Fy、FV值為極大值，而此時Fx、FQ值較小，且隨著煙囪傾角的增大仍逐漸減小。圖4a表明：正梯形切口高煙囪發(fā)生后坐時的傾倒角度介于50°～55°之間，且不同高度煙囪的后坐傾角值相差較小。圖4b、圖4c表明：倒梯形、矩形切口高煙囪的后坐傾角隨著煙囪高度的增加而增大，其中倒梯形切口高煙囪的后坐傾角較矩形切口高煙囪的后坐傾角大。不同切口形狀高煙囪前沖傾角、后坐傾角如表2所示。

圖4 3種切口形狀煙囪后坐安全系數(shù)與傾角關(guān)系Fig.4 Relationship between chimney back ward collapse safety factors and dumping angles of 3 cut shapes

表2 不同切口形狀高煙囪前沖傾角、后坐傾角統(tǒng)計

由表2可知：正梯形切口高煙囪的θ1值和[θ]值近似相等，即煙囪在發(fā)生后坐瞬間也幾乎發(fā)生前沖，由于鋼筋混凝土高煙囪整體性好、強(qiáng)度較高，因此在此時前沖與后坐部分抵消，煙囪不發(fā)生明顯后坐或前沖，此種切口設(shè)計適合于倒塌方向上空間不夠充足且允許發(fā)生小范圍后坐的場合，如文獻(xiàn)[17-22]中都采用該種切口設(shè)計，在現(xiàn)場爆破過程中均無明顯后坐，發(fā)生部分前沖，取得了良好的爆破效果，與理論分析結(jié)果吻合較好；矩形切口高煙囪的θ1值小于[θ]值，即煙囪在發(fā)生后坐之前就先發(fā)生前沖，此時若余留支撐部的強(qiáng)度足夠，煙囪將會發(fā)生前沖，若余留支撐部的強(qiáng)度較低，后坐力能將其推垮，則會發(fā)生部分前沖，但由于此種切口設(shè)計定向性較差[9]，目前在工程爆破中應(yīng)用較少；倒梯形切口高煙囪的θ1值遠(yuǎn)小于[θ]值，因此煙囪在傾倒過程中將先發(fā)生劇烈前沖，幾乎不會發(fā)生后坐，該種切口設(shè)計更適合于周圍環(huán)境復(fù)雜，不允許發(fā)生后坐，但倒塌方向上空間相對充足的場合，如該種切口設(shè)計在沈陽熱力廠、焦作華潤電廠、焦作電廠和鶴壁電廠等[10]多個煙囪爆破拆除工程中進(jìn)行了成功應(yīng)用，現(xiàn)場爆破效果與理論分析結(jié)果一致。不同切口形狀煙囪后坐傾角與高度關(guān)系如圖5所示。

圖5 不同切口形狀煙囪后坐傾角與高度的關(guān)系Fig.5 Relationship between the backward collapse dumping angles and height of chimney with different cut shapes

由圖5可以得出：隨著煙囪高度的增加，正梯形切口高煙囪的后坐傾角變化較小，由此說明煙囪高度對正梯形切口高煙囪的后坐影響較?。欢固菪魏途匦吻锌诟邿焽璧暮笞鴥A角則隨著煙囪高度的增加而顯著增大，尤其是當(dāng)切口上部截面煙囪的高度較高時，煙囪的后坐傾角更大，因此煙囪高度越大，越不易發(fā)生后坐，這與前面得出的結(jié)論相吻合。但在實際工程中，爆破切口部位僅有小于1/2的截面承載，隨著煙囪高度的增加必然會引起該截面因剪壓破壞而下坐，在切口形狀選取時應(yīng)進(jìn)行深入探究。

根據(jù)煙囪爆破切口長度L滿足經(jīng)驗公式：

(11)

式中：D為爆破切口部位薄弱截面筒壁的外直徑，m。

選定切口圓心角α范圍為180°～240°，不同高度煙囪的后坐傾角與切口圓心角的關(guān)系如圖6所示。

圖6 不同高度煙囪的后坐傾角與切口圓心角的關(guān)系Fig.6 Relationship between the back ward collapse dumping angles and the cut center angles with different chimney heights

由圖6可以得出：隨著切口圓心角的增大，高煙囪的后坐傾角逐漸減小，主要是由于切口圓心角的增大必然導(dǎo)致預(yù)留支撐體減小，在高煙囪傾倒過程中預(yù)留支撐體會因為無法承受巨大的后坐力而提前發(fā)生后坐。因此，在工程實踐中，可在確保高煙囪能順利傾倒失穩(wěn)的前提下合理減小切口圓心角，以此來減小高煙囪的后坐范圍。綜上分析，3種切口形狀對比結(jié)果如表3所示。

表3 3種切口形狀對比結(jié)果

5 結(jié)論

1)正梯形切口高煙囪在傾倒失穩(wěn)過程中余留支撐部從切口底部截面處脆性斷裂，其后坐符合煙囪后滑理論模型；倒梯形或矩形切口高煙囪在傾倒失穩(wěn)過程中余留支撐部在切口上部截面處發(fā)生剪壓脆性斷裂破壞，其后坐符合煙囪后坐理論模型。

2)在不發(fā)生前沖的前提下，3種切口形狀高煙囪在定向傾倒過程中的后坐安全系數(shù)隨著傾倒角度θ的增加是不斷變化的；正梯形切口高煙囪的后坐傾角最小，且受煙囪高度的影響較小，倒梯形切口高煙囪的后坐傾角最大，矩形切口高煙囪的后坐傾角次之，且倒梯形和矩形切口高煙囪的后坐傾角隨著煙囪高度的增加而增大。但在實際爆破工程中，隨著煙囪高度的增加必然會引起支撐部因剪壓破壞而下坐，因此在切口形狀選取時應(yīng)進(jìn)行深入探究。

3)正梯形切口高煙囪在傾倒過程中不發(fā)生明顯后坐或前沖，此種切口適合于倒塌方向上空間不夠充足且允許發(fā)生小范圍后坐的場合；矩形切口高煙囪在發(fā)生后坐之前就先發(fā)生前沖，此時若余留支撐部的強(qiáng)度足夠，煙囪將會發(fā)生前沖，若余留支撐部的強(qiáng)度較低，后坐力能將其推垮，則會發(fā)生部分前沖；倒梯形切口高煙囪在傾倒過程中將先發(fā)生劇烈前沖，幾乎不會發(fā)生后坐，此種切口更適合于周圍環(huán)境復(fù)雜，不允許發(fā)生后坐，但倒塌方向上空間充足的場合。

4)工程實踐中，在確保高煙囪能順利傾倒失穩(wěn)的前提下合理減小切口圓心角，可以有效減小高煙囪的后坐范圍。