李　勇，池恩安，3，張義平，何　松，李　偉，劉茂新

(1.貴州大學 礦業(yè)學院，貴陽 550003；2.貴州省非金屬礦產資源綜合利用重點實驗室，貴陽 550003；3.貴州新聯(lián)爆破工程集團有限公司，貴陽 550002)

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復雜環(huán)境下高危雙曲線冷卻塔爆破拆除*

李勇1，2，池恩安1，2，3，張義平1，2，何松1，2，李偉1，2，劉茂新1，2

(1.貴州大學 礦業(yè)學院，貴陽 550003；2.貴州省非金屬礦產資源綜合利用重點實驗室，貴陽 550003；3.貴州新聯(lián)爆破工程集團有限公司，貴陽 550002)

摘要:針對在復雜環(huán)境下一座高86 m的冷卻塔，其部分塔壁、圈梁和人字柱已被機械拆除損毀的特殊結構特點，運用定向爆破技術拆除高危冷卻塔。在確保結構穩(wěn)定和不造成二次破壞的情況下，利用機械開設高減荷槽、定位窗和泄壓窗等措施，以損毀部分塔壁作為爆破切口為基礎，對爆破切口內的人字柱、圈梁進行爆破；運用ANSYS/LS-DYNA 建立分離式共節(jié)點模型，對其倒塌過程進行數值模擬，進而對爆破方案進行驗證并為其優(yōu)化提供參考。

關鍵詞:復雜環(huán)境；高危冷卻塔；爆破拆除；數值模擬

雙曲線鋼筋混凝土結構冷卻塔具有高大壁薄、高寬比小(1.2～1.4)、重心偏低、截面直徑不斷變化的特殊造型及結構特點，對其爆破拆除帶來了很大挑戰(zhàn)。對此，許多學者在雙曲線冷卻塔爆破拆除領域做出了很多研究成果，如：王永慶在復雜環(huán)境下雙曲線冷卻塔爆破拆除方面做了研究[1]；傅建秋和薛里都研究了爆破切口大小和高度對冷卻塔順利倒塌的重要性[2，3]；付天杰對豎向切縫在高大冷卻塔拆除爆破中的作用進行了研究[4]；詹振鏘和李勝林對冷卻塔爆破拆除傾倒過程進行了數值模擬研究[5，6]。

位于貴陽市城區(qū)中心的一座高86 m冷卻塔，其冷卻塔塔壁、圈梁、人字柱承重結構部分已被機械拆除，打破了冷卻塔的受力平衡狀態(tài)，現已成為高危構筑物(見圖1)，務必及時爆破拆除，以防在自然因素(風荷載)等其他外力作用下發(fā)生倒塌造成不堪設想的后果。因此，對設計安全、合理、經濟的爆破設計方案提出了更加苛刻的要求，這在國內尚首次。同時應用大型動力有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA 建立分離式共節(jié)點模型，對冷卻塔的倒塌過程進行預演，進一步對爆破方案進行驗證和優(yōu)化，做到精準無誤、安全順利倒塌。

1工程概況

冷卻塔位于貴州省貴陽發(fā)電廠廠內，其四面都由圍墻包圍，冷卻塔北側和西側都有大量民房，北側最近距離為21 m，東側最近距離為15 m，東側為河流，距冷卻塔最近距離46 m，南側60 m處是鐵路高架橋(川黔鐵路貨車外繞黔靈山至關田區(qū)間)，高26 m。冷卻塔周圍環(huán)境具體情況見圖2所示。

2結構特點

冷卻塔為鋼筋混凝土結構，由環(huán)形基礎、人字形柱、環(huán)形梁和通風筒四部分構成。冷卻塔高86 m，底部直徑為60 m，頂部直徑為38 m，中間咽喉部最小直徑30 m；人字型立柱高5.5 m，橫截面尺寸為0.4 m×0.4 m，共40對人字形柱，總計80根立柱；人字柱上部是高1 m、厚0.5 m的鋼筋混凝土圈梁，圈梁以上塔壁厚度20 cm。

目前，冷卻塔部分塔壁、圈梁和人字柱已被機械冷拆除，結構整體性遭到破壞，共拆除15根人字形立柱，所對應的圈梁部分已被拆除、塔壁也有部分進行了破壞，被拆除部分最大高度為8.5 m，長度為31 m，約占冷卻塔底部周長的17%。

3難點分析

(1)從冷卻塔周圍環(huán)境考慮，需保護的建(構)筑物離待爆冷卻塔距離較近，且民房為磚混結構抗震性能差，最近距離僅有15 m，南邊60 m處為高26 m的鐵路高架橋和在建鐵路橋，爆破時務必準確控制倒塌方向，需對爆破飛石、爆破振動、爆破沖擊波以及冷卻塔倒塌觸地振動進行嚴格控制，確保周圍建筑物的安全。

(2)冷卻塔局部承重結構前期已被機械冷拆除、結構的整體穩(wěn)定性已被破壞，在確保結構穩(wěn)定和不造成二次破壞的情況下，對冷卻塔進行預拆除條件差，可供選擇的爆破技術方案少且技術要求高。

(3)因冷卻塔爆破環(huán)境較復雜，可供選擇的倒塌方向有限，且其坍塌落地的空間有限，需精確設計爆破切口。

(4)冷卻塔已成高危建筑，需即刻安全拆除，工期要求緊，任務重。

4爆破方案

4.1方案選擇

對于結構整體性完好的冷卻塔，倒塌方式有原地坍塌和定向倒塌。如果采用原地坍塌爆破方案，首先，冷卻塔是鋼筋混凝土結構，經多年風化其四周強度不一致；其次，冷卻塔部分承重結構已被機械拆除，整體完整性已被破壞，原受力平衡狀態(tài)被打破。上述兩個因素在冷卻塔原地坍塌過程中無法確保四周破壞一致，將會出現任意方向的倒塌，導致意外事故。根據現場勘察與分析，對冷卻塔采用定向倒塌爆破拆除，倒塌方向中心線東偏南42°。

4.2爆破切口設計

采用定向倒塌爆破時，爆破切口的位置是冷卻塔能否按照設計方向倒塌的關鍵。爆破切口位置以損毀部分為中心，沿倒塌方向中心線向兩邊對稱設計。

爆破切口形狀采用正梯形[7]，冷卻塔底部半徑為30 m，周長為188.4 m，冷卻塔爆破高度H取6.5 m，H=人字形立柱高度+圈梁高度=5.5 m+1 m=6.5 m。切口長度取其底部圈梁周長的0.6倍，切口的圓心角為220°，共計人字形立柱24對。為了確保冷卻塔的順利倒塌及充分解體，在爆破切口上方的塔壁上開設4個減荷槽。為了降低冷卻塔倒塌塔內壓縮空氣沖擊的危害，在倒塌方向反方向中心線上距離地面11.5 m處(圈梁上方)，開一個2 m×4 m的泄壓窗口。 爆破切口見圖3所示。

4.3爆破參數

依照“多打孔，少裝藥”的原則，最大程度控制爆炸沖擊波、爆破振動、爆破飛石等有害效應，保護周邊鐵路橋及建筑物的安全。冷卻塔人字柱、圈梁孔網參數見表1。

表1　冷卻塔爆破切口孔網參數表

4.4起爆網路

采用塑料導爆管雷管，2#巖石乳化炸藥，雷管選用1段、7段、15段非電導爆管毫秒延期雷管，1段用于傳爆連接、7段用于孔外微差，15段用于孔內延時，孔內20個為一束簇聯(lián)，采用交叉復式網路。起爆網路連接示意圖見圖4、圖5。

5安全防護措施

冷卻塔定向爆破拆除主要存在三大安全問題[8]： 一是冷卻塔的爆破振動和觸地振動；二是爆破飛石；三是爆破空氣沖擊波。

經現場勘查鑒定，冷卻塔離周邊民房近且多為自建，為磚混結構抗震性能差，為防止炸藥爆炸和冷卻塔筒體觸地引起的振動以及飛石對鐵路高架橋和建筑物造成損害，采取如下防護措施：(1)挖設2道減震溝，寬度2～3 m，深3～4 m；(2)用沙袋敷設4道減震緩沖堤，前三道緩沖堤長55 m、高 2 m、寬4 m，間隔4 m，特別地，為防止冷卻塔觸地沖擊將導致頂端部分塔壁沖入河流，最外側一道鋪設角度為50°的梯形緩沖防護墻，長40 m、高6.5 m，底寬12 m；(3)架設防護排架。減震溝、緩沖堤、防護排架示意圖見圖6。

6數值模擬及爆破效果分析

6.1數值模擬及分析

采用ANSYS/LS-DYNA軟件建立分離式共節(jié)點模型對冷卻塔爆破拆除倒塌過程進行模擬[9]，鋼筋采用桿單元beam161，混凝土采用實體單元solid164，鋼筋混凝土材料選取“MAT_PLASTIC_KINEMATIC”進行定義，密度為2500 kg/m3，彈性模量0.5%，鋼筋彈性模量210 GPa，屈服極限240 MPa。

爆破切口選取“MAT_ADD_ERP-SION”關鍵字定義為時間失效準則，達到失效時間后即自動刪除。模型中同時建立減震溝、橋墩、緩沖堤等周邊建(構)筑物。經過 ANSYS /LS-DYNA 后處理程序運算后可以對冷卻塔倒塌的數值模擬結果進行觀察與分析，冷卻塔倒塌過程模擬圖見圖7所示。

從圖7中可以看到冷卻塔在1.5 s時爆破切口閉合，以一定的初速度向預定方向微傾斜；在3.5 s時爆破切口上部的塔壁，在自重、傾覆力矩的作用下完全損毀，筒體開始自由坍落，同時塔壁也出現扭曲、撕裂，支撐立柱受拉加劇，仍沿預定方向倒塌；在5.25 s時冷卻塔塔壁已經嚴重扭曲、撕裂變形，部分保留支撐柱在傾覆力矩和慣性的作用下被拉斷；在7 s時冷卻塔完全坍落觸地，塔壁成扁平狀，保留支撐柱被全部拉斷。

6.2爆破效果及分析

人字柱和圈梁以倒塌中心線向兩邊先后起爆，爆破切口形成以后，冷卻塔向缺口方向傾斜；約2 s后切口閉合且其上部迅速形成一條水平裂縫；約在4 s后冷卻塔加速坍落，塔壁開始出現扭轉、撕裂；約在6 s后冷卻塔在空中產生極大扭曲、變形；約在8 s后冷卻塔完全坍落觸地，爆堆高度約為2 m。圖8為冷卻塔爆破倒塌過程，整個倒塌過程歷時約8 s。

綜合比較分析：(1)塔倒塌過程的數值模擬和實際爆破倒塌過程，兩者運動規(guī)律基本一致，都為扭曲、撕裂、自由坍落；(2)兩者倒塌過程歷時都為8 s，且其倒塌范圍大體一致；(3)塔壁的模型材料是理想狀態(tài)下的，而冷卻塔本身材料隨著時間的推移變得十分復雜，故兩者在倒塌破壞過程中形態(tài)不一致。

7結語

雙曲線冷卻塔由于其特殊的造型和結構特點，爆破拆除冷卻塔，其倒塌過程復雜，難以在理論上做出準確的描述。通過ANSYS/LS-DYNA軟件建立分離式共節(jié)點模型對冷卻塔爆破拆除倒塌過程進行數值模擬，對爆破方案進行預演，從而驗證方案的可行性以及為優(yōu)化爆破方案提供參考。

參考文獻(References)

[1]王永慶，高蔭桐，李江國，等.復雜環(huán)境下雙曲線冷卻塔控制爆破拆除[J].爆破，2007，24(3)：49-51.

[1]WANG Yong-qing，GAO Yin-tong，LI Jiang-guo，et al.Demolition of a hyperbolic curve cooling tower in a complex environment[J].Blasting，2007，24(3)：49-51.(in Chinese)

[2]傅建秋，王永慶，高蔭桐，等.冷卻塔拆除爆破切口參數研究[J].工程爆破，2007，13(3)：53-55.

[2]FU Jian-qiu，WANG Yong-qing，GAO Yin-tong，et al.Research on cut parameters for demolition of the cooling tower[J].Engineering Blasting，2007，13(3)：53-55.(in Chinese)

[3]薛里，張志毅，楊年華.雙曲線冷卻塔爆破拆除切口參數的探討[J].工程爆破，2011，17(2)：49-52.

[3]XUE Li，ZHANG Zhi-yi，YANG Nian-hua.Discuss of cut parameters for blasting demolition of hyperbolic cooling towers[J].Engineering Blasting，2011，17(2)：49-52.(in Chinese)

[4]付天杰，趙超群，梁儒，等.豎向切縫在高大冷卻塔拆除爆破中的作用[J].工程爆破，2011，17(4)：58-63.

[4]FU Tian-jie，ZHAO Chao-qun，LIANG Ru，et al.Application of vertical cut in demolition blasting of tall cooling tower[J].Engineering Blasting，2011，17(4)：58-63.(in Chinese)

[5]詹振鏘，趙明生，池恩安，等.數值模擬在冷卻塔爆破拆除中的應用[J].爆破，2012，29(1)：73-76.

[5]ZHAN Zhen-qiang，ZHAO Ming-sheng，CHI En-an，et al.Application of numerical simulation in blasting of cooling tower[J].Blasting，2012，29(1)：73-76.(in Chinese)

[6]李勝林，劉殿書，劉凱，等.雙曲線冷卻塔爆破拆除數值模擬研究[J].北京理工大學學報，2014，34(2)：123-126.

[6]LIN Sheng-lin，LIU Dian-shu，LIU Kai，et al.Numerical simulation study on blasting demolition for hyperbolic cooling tower[J].Transactions of Beijing Institute of Technology，2014，34(2)：123-126.(in Chinese)

[7]吳劍鋒.雙曲線型冷卻塔爆破拆除切口參數研究[J].爆破，2009，26(1)：65-68.

[7]WU Jian-feng.Research on cut parameters for blasting demolition of hyperbolic cooling tower[J].Blasting，2009，26(1)：65-68.(in Chinese)

[8]李洪偉，顏事龍，郭進.爆破拆除切口形狀對冷卻塔爆破效果影響及數值模擬[J].爆破，2013，30(4)：92-95.

[8]LI Hong-wei，YAN Shi-long，GUO Jin.Numerical si-mulation of effect of cut parameters on explosive de-molition of cooling towers[J].Blasting,2013,30(4):92-95.(in Chinese)

[9]蔣超.爆破切口對冷卻塔定向爆破效果影響的數值模擬研究[D].淮南：安徽理工大學，2014.

[9]JIANG Chao.The blast demolition of reinforced concrete hyperbolic cooling tower and its numerical simulation[D].Huainan：AnHui University of Science and Technology,2014.(in Chinese)

Explosive Demolition of High-risk Hyperbolic Cooling Tower under Complex Environment

LIYong1，2，CHIEn-an1，2，3，ZHANGYi-ping1，2，HESong1，2，LIWei1，2，LIUMao-xin1，2

( 1.School of Mining ，Guizhou University，Guiyang 550003，China;2.State Key Laboratory of Guizhou Comprehensive Utilization of Non-metallic Mineral Resources， Guiyang 550003，China;3.Guizhou Xianlian Blasting Engineering Group Co Ltd， Guiyang 550002，China)

Abstract:An 86 m high cooling tower under the complex environment,with the character of broken tower wall,broken ring beam and broken herringbone column,was demolished by using directional blasting technology.To ensure the stable structure and without secondary damage,the herringbone column and ring beam in blasting incision were blasted based on the pretreatment measures of the pre off-loading groove,the orientation cut and the pressure release cut.The disconnect-type conode was built by using the ANSYS/LS-DYNA to simulate the collapse process,and further verification of blasting scheme was permed to provide a reference for the optimization.

Key words:complex environment; high-risk cooling tower; blasting demolition; numerical simulation

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.020

收稿日期:2016-01-27

作者簡介:李勇(1988-)，男，湖南衡陽人，貴州大學碩士研究生，主要從事爆破工程拆除爆破方向研究，(E-mail)850214461@qq.com。 通訊作者:池恩安(1968-)，男，貴州貴陽人，博士、研究員，從事爆破工程方向研究，(E-mail)305310565@qq.com。

基金項目:貴州省優(yōu)秀青年科技人才培養(yǎng)對象專項資金(No.黔科合2013[30])；貴州大學研究生創(chuàng)新基金項目(No.研理工2015071)

中圖分類號:TU746.5

文獻標識碼:A

文章編號:1001-487X(2016)02-0102-05