切口形狀對(duì)冷卻塔爆破拆除倒塌效果的影響?

高文樂(lè) 李琛豪 張建偉 王燕萍 張澤華 朱茂迅

①山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院（山東青島，266590）

②中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院（山東青島，266580）

③中建八局發(fā)展建設(shè)有限公司（山東青島，266100）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的力度不斷加大，大量高污染、高排放企業(yè)面臨淘汰和改建。 在此背景下，煙囪、冷卻塔、水塔等高聳建筑物需要進(jìn)行拆除。 爆破拆除有高效、便捷、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，在短時(shí)間內(nèi)借助炸藥爆炸作用，讓建筑物定向倒塌、破碎、解體，提高了施工效率。 爆破拆除一般面臨較為復(fù)雜的周邊環(huán)境，既要確保爆破產(chǎn)生的有害效應(yīng)不能對(duì)周邊待保護(hù)建筑的結(jié)構(gòu)造成破壞，又要嚴(yán)格要求建筑按照預(yù)先設(shè)計(jì)的方案定向倒塌，這就需要設(shè)計(jì)合理的爆破方案。

目前，針對(duì)高聳建筑物的爆破拆除設(shè)計(jì)，還處于依賴(lài)于工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐的初級(jí)階段。高文樂(lè)等[1]對(duì)爆破切口的最佳延期時(shí)差進(jìn)行了分析，得出在爆炸時(shí)差2.5 s時(shí)，爆堆范圍最小。孫飛等[2]設(shè)計(jì)了爆炸過(guò)程中的切口角度和高度，并對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行了預(yù)處理，保證了爆破的穩(wěn)定性。 段海霞等[3]通過(guò)研究5 組不同爆破切口尺寸，對(duì)比分析了爆堆大小等參數(shù)，提高了爆破方案的科學(xué)性。 賀建華等[4]利用高位切口定向倒塌控制爆破技術(shù)進(jìn)行爆破，使爆破參數(shù)得到了合理的優(yōu)化。 胡彬等[5]進(jìn)行了爆破切口角度計(jì)算，利用應(yīng)力破壞準(zhǔn)則計(jì)算了煙囪爆破切口角度。 費(fèi)鴻祿等[6]研究了煙囪拆除爆破傾倒后坐受到爆破切口的影響，得出合理的切口圓心角度可以減小煙囪的后坐距離。

由于冷卻塔的塔體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在拆除爆破中容易出現(xiàn)塌而不倒、爆堆過(guò)高等問(wèn)題。 合理的爆破切口形狀是冷卻塔順利爆破的關(guān)鍵。 采用軟件ANSYS/LS-DYNA，模擬重現(xiàn)兩座冷卻塔的倒塌過(guò)程，對(duì)倒塌形態(tài)、應(yīng)力云圖、觸地速度和爆堆范圍等進(jìn)行對(duì)比分析[7]，得到較優(yōu)的爆破切口，為類(lèi)似工程提供指導(dǎo)。

1 工程概況

山東省棗莊市十里泉電廠(chǎng)有兩座待拆的相同結(jié)構(gòu)的雙曲線(xiàn)型冷卻塔，分別標(biāo)號(hào)3＃和4＃。 冷卻塔標(biāo)高為92 m，上部直徑為43.2 m，下部直徑為73.6 m，平均壁厚為0.25 m，下部40 對(duì)人字柱的高度為5.8 m， 人字柱的截面尺寸為0.4 m×0.4 m，圓梁距人字柱頂端的1.2 m。

3＃冷卻塔正北面25 m 處有東西走向的架空電纜，80 m 處是電廠(chǎng)辦公樓房；兩座冷卻塔正南方向約5 m 處有東西方向的熱力管道，40 m 處是發(fā)電廠(chǎng)圍護(hù)外墻，二者之間有大量廢棄物堆積；在3＃冷卻塔的北、西北兩個(gè)方向有一個(gè)露天的停車(chē)場(chǎng)。冷卻塔實(shí)體圖以及冷卻塔平面布置分別如圖1 和圖2所示[8]。

圖1 冷卻塔實(shí)體Fig.1 Diagram of the cooling tower

圖2 冷卻塔的平面布置（單位:m）Fig.2 Plan view of the cooling tower （Unit: m）

2 爆破方案設(shè)計(jì)

進(jìn)行冷卻塔的爆破拆除工程，需要對(duì)塔體本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和周邊環(huán)境進(jìn)行細(xì)致的評(píng)估，選取科學(xué)合理的倒塌方案[9]。

工程實(shí)踐表明:相比于原地坍塌，采用定向倒塌爆破技術(shù)拆除冷卻塔更加安全、迅速，也較為省時(shí)、省力。 3＃、4＃冷卻塔均采用定向倒塌爆破。 3＃冷卻塔的倒塌方向?yàn)槲髌?0°；4＃冷卻塔在西北方向發(fā)生爆破坍塌。

2.1 爆破切口

3＃冷卻塔采用矩形爆破切口[10]。 在塔腹位置利用機(jī)械設(shè)備開(kāi)鑿出7 個(gè)6.6 m 高的減荷槽， 在中部預(yù)留6 個(gè)寬度為16.8 m 的支撐墻；切口長(zhǎng)度為151.0 m，切口高度7.0 m，27 對(duì)人字柱在冷卻塔的底部被拆除，爆炸中心角為235°。 圖3 中顯示了爆炸切割的擴(kuò)展。

圖3 3＃冷卻塔爆破切口的展開(kāi)示意（單位:m）Fig.3 Expansion of blasting cut of Cooling Tower 3＃（Unit: m）

4＃冷卻塔采用復(fù)合型切口[11]。 前期的預(yù)處理工作量較大，需要機(jī)械開(kāi)鑿9 條減荷槽，以中心倒塌線(xiàn)高13.0 m、寬5.6 m 的減荷槽為中心對(duì)稱(chēng)，兩邊分別開(kāi)鑿2 條高11.0 m、寬5.6 m 的減荷槽和2 條高9.0 m、寬5.6 m 的減荷槽，間隔都為5.6 m，最后再開(kāi)鑿2 個(gè)定位窗。

4＃冷卻塔爆破切口如圖4 所示。

圖4 4＃冷卻塔爆破切口的展開(kāi)示意（單位:m）Fig.4 Expansion of blasting cut of Cooling Tower 4＃（Unit: m）

2.2 爆破參數(shù)

冷卻塔的鉆孔爆破部位選擇在底部缺口的人字柱的上、下端兩個(gè)部位，采用水平鉆孔的方式鉆取炮孔，如表1 和圖5 所示。

表1 兩座冷卻塔的炮孔參數(shù)Tab.1 Blast-hole parameters of the two cooling towers

圖5 冷卻塔爆破切口和炮孔布置（單位:m）Fig.5 Layout of cuts and blast holes of the cooling tower（Unit: m）

2.3 起爆網(wǎng)路

兩座冷卻塔起爆采用非電毫秒延時(shí)爆破技術(shù)[12]。 3＃冷卻塔爆破切口內(nèi)的1 570 發(fā)毫秒導(dǎo)爆管雷管分成6 組，總共3 個(gè)爆破區(qū)；4＃冷卻塔爆破切口處506 發(fā)導(dǎo)爆管雷管分為2 個(gè)爆區(qū)。 如圖6 和表2所示。

表2 兩座冷卻塔不同爆區(qū)的導(dǎo)爆管雷管的數(shù)量Tab.2 Number of detonators in different explosion zones of the two cooling towers

圖6 兩座冷卻塔的延時(shí)段爆破切口Fig.6 Blasting cuts of the two cooling towers in extended period

3 有限元模型前處理

采用Solid164 單元對(duì)冷卻塔模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 在高聳建筑物拆除爆破的數(shù)值模擬中，眾多學(xué)者對(duì)于爆破切口是經(jīng)過(guò)定義部件失效時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 爆破設(shè)計(jì)中，每個(gè)部件失效時(shí)間根據(jù)各個(gè)區(qū)域的起爆時(shí)間設(shè)置，即到達(dá)一定時(shí)間后，部件被刪除，形成爆破切口。 根據(jù)爆破設(shè)計(jì)，兩座冷卻塔都是毫秒延時(shí)爆破。 針對(duì)模型進(jìn)行部件創(chuàng)建，3＃冷卻塔為9 個(gè)部件，分別為3 個(gè)爆破區(qū)的人字柱和待爆破塔壁、預(yù)留人字柱、圈梁、塔體、地面；4＃冷卻塔為7 個(gè)部件，分別為2 個(gè)爆破區(qū)的人字柱和待爆破塔壁、預(yù)留人字柱、圈梁、塔體、地面[13-14]。

采用Solid164 實(shí)體單元。 選取鋼筋混凝土材料*Mat_Brittle_Damage。 地面簡(jiǎn)化為剛性， 采用*Mat-Rigid 材料，并在材料定義時(shí)約束所有自由度。表3 為材料參數(shù)。

表3 材料參數(shù)Tab.3 Material parameters

對(duì)冷卻塔的爆破拆除進(jìn)行數(shù)值模擬研究，一般忽略實(shí)際爆破中的外界風(fēng)阻作用和內(nèi)部爆破產(chǎn)生的沖擊波對(duì)塔身內(nèi)部的作用。在這種理想狀態(tài)下，冷卻塔只受豎直向下的重力作用。 對(duì)模型施加重力約束，重力加速度為9.8 m/s2；同時(shí)，在模型下部人字柱與剛體地面接觸部位設(shè)置約束，約束6 個(gè)位移自由度。

經(jīng)過(guò)求解器求解之后，得到冷卻塔模型的應(yīng)力云圖、倒塌范圍和最遠(yuǎn)距離、觸地速度等信息，并進(jìn)行處理及導(dǎo)出。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 兩座冷卻塔倒塌過(guò)程對(duì)比

對(duì)比分析兩座冷卻塔的數(shù)值模擬倒塌過(guò)程和工程實(shí)例實(shí)際傾倒過(guò)程，得出爆破實(shí)際效果和數(shù)值模擬結(jié)果的倒塌運(yùn)動(dòng)規(guī)律相似。 但在兩座冷卻塔的爆破拆除中，塔體破碎并不理想，需要進(jìn)行機(jī)械二次破碎，這一點(diǎn)也比較符合實(shí)際工況。 在傾倒時(shí)間方面，兩座冷卻塔實(shí)際倒塌用時(shí)12.0 s，而數(shù)值模擬用時(shí)分別為13.5、14.8 s。 兩座冷卻塔的數(shù)值模擬基本符合工程實(shí)際。 倒塌效果如圖7 所示。

圖7 兩座冷卻塔的倒塌效果Fig.7 Collapse outcomes of the two cooling towers

4.2 倒塌過(guò)程中塔壁應(yīng)力分布分析

將宏觀(guān)狀態(tài)下的倒塌運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為微觀(guān)狀態(tài)下的受力分析十分必要。 將兩座冷卻塔數(shù)值模擬倒塌過(guò)程中的塔壁受力云圖通過(guò)LS-Prepost 軟件呈現(xiàn)。

圖8 為3＃冷卻塔數(shù)值模擬倒塌過(guò)程的應(yīng)力云圖。 在冷卻塔爆破切口形成之后，塔體應(yīng)力集中在預(yù)留人字柱和圈梁附近，最大應(yīng)力出現(xiàn)在第19 181單元，為60.6 MPa；隨后，在重力的牽引下開(kāi)始向設(shè)計(jì)方向倒塌，隨著爆破切口的閉合，塔腹開(kāi)始出現(xiàn)應(yīng)力集中，塔壁上縱向和軸向裂縫逐漸出現(xiàn)并擴(kuò)大，最大應(yīng)力為63.1 MPa，在第19 435 單元；塔體在扭曲撕裂現(xiàn)象出現(xiàn)之后，裂縫隨之延伸至整個(gè)塔身， 此時(shí)，鋼筋混凝土受傾覆力矩作用不斷被破壞，最大應(yīng)力為59.5 MPa，在第3 206 單元；最后，塔體被完全破壞傾倒，自由塌落。

圖8 3＃冷卻塔數(shù)值模擬的應(yīng)力云圖Fig.8 Stress nephogram in numerical simulation of Cooling Tower 3＃

圖9 為4＃冷卻塔數(shù)值模擬倒塌過(guò)程應(yīng)力云圖。比較圖8 可以發(fā)現(xiàn)，4＃冷卻塔的應(yīng)力分布和3＃冷卻塔幾乎一致。 首先，在爆破切口形成后，最大應(yīng)力在預(yù)留圈梁附近的第3 199 單元，為68.5 MPa。 但在爆破切口閉合后，由于爆破切口不同，4＃塔體傾斜角度要比3＃塔體大，4＃塔體上部受下部沖擊影響破壞嚴(yán)重，從而最先開(kāi)始出現(xiàn)扭曲撕裂現(xiàn)象，產(chǎn)生較大的塑性應(yīng)變，造成塔體凹陷。 之后的塔體倒塌過(guò)程中，最大應(yīng)力一直集中在塔體上部撕裂部位附近，直到塔身被完全破壞，自由塌落。

圖9 4＃冷卻塔數(shù)值模擬的應(yīng)力云圖Fig.9 Stress nephogram in numerical simulation of Cooling Tower 4＃

4.3 應(yīng)力分布對(duì)塔體倒塌過(guò)程的影響

結(jié)合倒塌特點(diǎn)，可把冷卻塔的傾倒過(guò)程分為4個(gè)階段。 宏觀(guān)狀態(tài)下塔體的扭曲撕裂是微觀(guān)狀態(tài)下應(yīng)力變化直接導(dǎo)致的。 圖10 中，單元分別選取兩座冷卻塔的爆破切口上方、切口上方的塔腹、側(cè)邊塔壁以及倒塌方向的反方向圈梁上方4 個(gè)部位。 3＃冷卻塔選取單元分別為A（29 783 單元）、B（29 770 單元）、C（34 935 單元）、D（43 264 單元）；4＃冷卻塔選取單元分別為A′（31 319 單元）、B′（31 304 單元）、C′（40 226 單元）、D′（43 086 單元）。

圖10 兩座冷卻塔的單元選取位置Fig.10 Location of two cooling tower units

圖11為兩座冷卻塔選取單元的應(yīng)力變化曲線(xiàn)。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析可以看出，爆破切口處，最大應(yīng)力出現(xiàn)在切口閉合的2.0 ～2.5 s之間，隨后切口處混凝土被壓碎破壞，應(yīng)力歸零。由于兩座冷卻塔爆破切口不同，切口正上方塔腹部位的應(yīng)力峰值出現(xiàn)時(shí)間有差異。3＃冷 卻 塔 在1.5 ～2.0 s 和4.0 ～4.5 s 之 間應(yīng)力最大；4＃塔體在3.5 ～4.0 s應(yīng)力最大。側(cè)邊塔壁的最大應(yīng)力都出現(xiàn)在7.0 s 左右，此時(shí)塔體進(jìn)入最后的自由塌落階段。 倒塌方向反方向圈梁部位最大應(yīng)力出現(xiàn)在2.0 s 左右，此時(shí)，圈梁部位承受較大的應(yīng)力。

對(duì)兩座冷卻塔數(shù)值模擬倒塌過(guò)程的應(yīng)力云圖和選取單元的應(yīng)力變化曲線(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，塔體的倒塌過(guò)程一般分為4 個(gè)階段。 第一階段是爆破切口形成階段，整個(gè)塔體自重全部由預(yù)留人字柱和圈梁支撐，上部塔身依然是未受應(yīng)力破壞的整體。 隨著塔體傾覆，此時(shí)進(jìn)入爆破切口閉合階段，由于爆破切口的不同，4＃塔體明顯比3＃塔體有較大的傾斜角度，兩座冷卻塔的應(yīng)力都是集中于塔體切口閉合和地面的交界處，同時(shí)塔身也開(kāi)始出現(xiàn)徑向或者橫向裂縫。 在裂縫不斷發(fā)展擴(kuò)大之后，進(jìn)入塔壁裂縫發(fā)育階段，這個(gè)階段的鋼筋混凝土塔身不斷被破壞，塔體失去剛度和完整性，3＃冷卻塔在這個(gè)階段是扭曲撕裂折疊倒塌，而4＃冷卻塔則在較大的切斜角度作用下，上部塔體提前受前沖慣性破壞嚴(yán)重。 最后，兩座冷卻塔進(jìn)入塌落階段，這個(gè)階段在上一個(gè)階段塔體剛度被破壞的基礎(chǔ)上不斷延伸，大片區(qū)域破壞完全，最后塌落。 由此得出:在裂隙發(fā)育階段，矩形切口發(fā)生扭曲撕裂倒塌；復(fù)合型切口不但發(fā)生扭曲撕裂現(xiàn)象，還會(huì)因較大的切口，上部塔體受到前沖慣性破壞。

4.4 結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)x 軸方向速度分析

對(duì)兩座冷卻塔模型選取相同的塔體頂端的單元節(jié)點(diǎn)。 3＃冷卻塔選取46 889 單元，4＃冷卻塔選取55 958單元。 選取位置如圖12 所示。

圖12 單元節(jié)點(diǎn)位置示意Fig.12 Location of unit nodes

通過(guò)后處理軟件導(dǎo)出速度-時(shí)間曲線(xiàn)進(jìn)行分析。從圖13 可看出，兩座冷卻塔選取單元節(jié)點(diǎn)的速度-時(shí)間曲線(xiàn)較為一致。 0～2 s 內(nèi)，節(jié)點(diǎn)速度隨著時(shí)間的增大而增大，表明這個(gè)階段冷卻塔爆破切口形成之后，塔體在重力作用下開(kāi)始向預(yù)定方向傾倒；在2 s左右，加速度開(kāi)始減小，速度增加緩慢，此時(shí)爆破切口閉合，塔體觸地。 由于爆破切口的不同，可以看出，在此階段4＃冷卻塔的加速度明顯比3＃冷卻塔大，也間接說(shuō)明復(fù)合型切口導(dǎo)致的塔體運(yùn)動(dòng)勢(shì)能大。3＃冷卻塔在2 ～8 s 時(shí)的速度曲線(xiàn)不規(guī)律，直接原因是矩形爆破切口上部勢(shì)能小，在爆破切口閉合之后塔體經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的扭曲撕裂現(xiàn)象導(dǎo)致的；而4＃冷卻塔在2 ～6 s 傾倒過(guò)程中有較大的勢(shì)能，致使塔頸部分?jǐn)嗔眩瑔卧?jié)點(diǎn)速度驟減。 最后，冷卻塔進(jìn)入自由傾覆階段，速度逐漸歸零。 所以，相比于矩形切口，復(fù)合型切口使塔體有較大的勢(shì)能，塔體觸地時(shí)分解更充分。

圖13 兩座冷卻塔單元節(jié)點(diǎn)的速度-時(shí)間曲線(xiàn)Fig. 13 Speed-time curves of unit node of the two cooling towers

4.5 不同爆破切口時(shí)的倒塌范圍對(duì)比分析

利用LS-Prepost 后處理軟件，選取模型最遠(yuǎn)倒塌單元導(dǎo)出數(shù)據(jù)，生成在x軸方向的倒塌距離，如圖14 所示。

3＃冷卻塔的最遠(yuǎn)倒塌單元為30925，最遠(yuǎn)倒塌距離為41 m。 4＃冷卻塔的最遠(yuǎn)倒塌單元為31503，最遠(yuǎn)倒塌距離為38 m，最遠(yuǎn)飛石距離小于3＃冷卻塔。 4＃冷卻塔破碎效果完好，爆破拆除較為成功，節(jié)省了二次破碎成本。

從兩座冷卻塔爆堆范圍和最遠(yuǎn)倒塌距離的對(duì)比分析來(lái)看，復(fù)合型爆破切口在破碎效果、倒塌范圍和距離等方面要優(yōu)于矩形切口。 尤其是針對(duì)最遠(yuǎn)倒塌距離曲線(xiàn)來(lái)看，4＃冷卻塔的倒塌過(guò)程更加平穩(wěn)，符合現(xiàn)階段多數(shù)學(xué)者對(duì)于冷卻塔爆破拆除數(shù)值模擬的研究和預(yù)測(cè)。

4.6 不同爆破切口時(shí)倒塌觸地速度對(duì)比分析

在爆破施工過(guò)程中，需要對(duì)待拆除建筑物進(jìn)行保護(hù)，嚴(yán)格進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)，使建筑物的爆破振動(dòng)控制在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)之下。 冷卻塔的整體觸地速度越大，爆破振動(dòng)越大。 對(duì)比兩座冷卻塔在x軸方向的倒塌速度，如圖15 和表4 所示。

表4 不同切口形狀爆破后的觸地速度Tab.4 Touchdown speed after blasting with different cut shapes

圖15 兩座冷卻塔的整體觸地速度-時(shí)間曲線(xiàn)Fig.15 Touchdown velocity-time curves of the two cooling towers

3＃冷卻塔倒塌觸地速度為2.40 m/s，4＃冷卻塔觸地速度為2.20 m/s，4＃冷卻塔的觸地速度略小于3＃冷卻塔的觸地速度。 4＃冷卻塔復(fù)合型切口的爆破設(shè)計(jì)對(duì)建筑物產(chǎn)生的振動(dòng)影響要小于3＃冷卻塔的矩形爆破切口。 所以，復(fù)合型切口比矩形切口爆破產(chǎn)生的觸地速度更小，振動(dòng)更小。

圍繞冷卻塔布置的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均未超過(guò)國(guó)家安全規(guī)程范圍，模擬結(jié)果符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。 實(shí)際數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬出現(xiàn)一定偏差的主要原因是:地面設(shè)置為剛性地面，產(chǎn)生的振動(dòng)較實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大。

5 結(jié)論

1）在切口形成和閉合的過(guò)程中，塔體保存完整，整體沿下部支撐體轉(zhuǎn)動(dòng)，倒塌方向反方向圈梁部位承受較大應(yīng)力。

2）通過(guò)對(duì)兩座冷卻塔的倒塌范圍、爆堆破碎程度和塔體觸地速度等爆破效果指標(biāo)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，4＃冷卻塔的爆破效果皆?xún)?yōu)于3＃冷卻塔，復(fù)合型切口設(shè)計(jì)比矩形爆破切口設(shè)計(jì)要更科學(xué)、合理。

3）冷卻塔是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而數(shù)值模擬中采用的是整體式建模。 相比于共節(jié)點(diǎn)分離式建模方法，整體式建模就忽略了鋼筋內(nèi)部細(xì)微的受力作用，和真實(shí)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)冷卻塔的爆破拆除存在一定誤差。 同時(shí)，數(shù)值模擬是理想狀態(tài)，忽略了爆破沖擊波、風(fēng)阻等對(duì)冷卻塔倒塌過(guò)程的影響，也忽略了常年累月風(fēng)化侵蝕減弱了鋼筋混凝土的整體受力特性。 但整體趨勢(shì)上，數(shù)值模擬基本與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際效果相符。