蘇皇,唐春海,龍昌軍,宋其程

(1.廣西金建華爆破工程有限公司, 廣西 百色市 533000;2.廣西大學(xué) 資源環(huán)境與材料學(xué)院, 廣西 南寧 530004)

0 引言

隨著經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展,在城市規(guī)范化管理以及企業(yè)淘汰落后產(chǎn)能的進程中,一些廢舊高聳構(gòu)筑物,如煙囪、樓房、水塔等不可避免地需要進行拆除處理。此類構(gòu)筑物高度要遠大于直徑,其重心的高度一般在十幾米至幾十米之間,若此類構(gòu)筑物周邊環(huán)境復(fù)雜且位于人口較為密集的地方,選擇人工或機械方法進行破碎拆除,不僅僅在人力、物力等方面消耗巨大,還會面臨嚴(yán)重的安全隱患。爆破具有安全、經(jīng)濟以及高效的特點,被廣泛運用于高聳構(gòu)筑物的拆除工程中[1]。

煙囪拆除相關(guān)的爆破切口參數(shù)大多根據(jù)前人總結(jié)的經(jīng)驗公式計算得出,參數(shù)的準(zhǔn)確性不夠高,且各個煙囪的實際條件也有所差異,因此僅靠常規(guī)的公式進行設(shè)計,難以保證煙囪倒塌方向一定會與設(shè)計倒塌方向一致,使得爆破法拆除煙囪仍具有一定的安全隱患。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)值模擬分析為拆除爆破的研究提供了新的發(fā)展平臺。ANASYS/LS-DYNA是運用最為廣泛的非線性動力分析程序,擁有健全的材料模型和求解算法,可以清晰地模擬出煙囪倒塌動態(tài)全過程,如胡彬等[2]以理論計算為基礎(chǔ),結(jié)合ANASYS/LS-DYNA軟件進行數(shù)值模擬分析,對切口角度理論計算方法進行優(yōu)選,并將研究結(jié)果運用到實際工程中得到了理想的效果;林哲等[3]利用ANASYS/LS-DYNA軟件對煙囪在長方形切口、正梯形切口以及倒梯形切口爆破方式下拆除倒塌過程進行數(shù)值模擬對比分析,得出了各種方式下的倒塌特點。吳欣欣等[4]等采用ANASYS/LS-DYNA軟件對鋼筋混凝土煙道口倒塌過程進行數(shù)值模擬,驗證了利用結(jié)構(gòu)的對稱性將鋼筋混凝土煙道口設(shè)計為定軸轉(zhuǎn)動鉸接點,將煙囪內(nèi)襯與外壁同時爆破。

本文基于ANASYS/LS-DYNA軟件對某焦炭廠內(nèi)圓筒狀磚結(jié)構(gòu)煙囪的倒塌過程進行模擬,并判斷爆破設(shè)計的合理性,確保爆破作業(yè)的效果和安全。

1 工程概況

待拆除煙囪屬圓筒形狀磚結(jié)構(gòu)煙囪,全部為紅磚無鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),砂漿砌體。針對具有內(nèi)襯的2#、3#煙囪進行分析,3#煙囪內(nèi)襯到頂部,2#煙囪內(nèi)襯大約有10 m。施工過程中,由于煙囪內(nèi)襯高,預(yù)處理存在危險因素,因此,決定采用不預(yù)先處理內(nèi)襯進行爆破拆除。

2#煙囪底部外周長為22 m,煙囪高度為65 m,外層壁厚δ為80 c m,內(nèi)襯壁厚16 c m,中間間隔約4 c m。3#煙囪底部外周長為17.8 m,煙囪高度為62 m,外層壁厚δ為80 c m,內(nèi)襯壁厚16 c m,中間間隔約4 c m。

2#煙囪四面均有廠房,距離最近的廠房位于西側(cè)50 m處,倒塌方向較為限制,可向山體方向倒塌;而3#煙囪周圍均無建(構(gòu))筑物,倒塌方向沒有限制。

2 爆破方案

磚煙囪爆破拆除主要有3種方法。由于周邊環(huán)境較好,2個煙囪均采用定向倒塌方案。即在設(shè)計傾倒一側(cè)的煙囪底部筒壁上用爆破方法形成一個缺口,使煙囪重心位移,形成重力傾覆力矩致使煙囪朝著設(shè)計的方向倒塌。由于工期緊、倒塌范圍廣,且煙囪內(nèi)襯高,預(yù)處理存在危險因素,故不預(yù)先處理煙囪內(nèi)襯。

3 爆破參數(shù)

3.1 爆破切口形式和尺寸

(1)爆破切口采用正梯形,根據(jù)工程經(jīng)驗得出梯形底角的最佳角度一般為25°～35°,本工程的傾倒角度取30°。

(2)爆破切口可從距通風(fēng)口高0.5 m處開始設(shè)置。

(3)爆破切口長度:煙囪切口長度L=周長×(1/2～2/3)。2#煙囪切口下底邊L=17.8×(1/2～2/3)=8.9～11.8 m,實取11.4 m;上底邊根據(jù)爆破傾角現(xiàn)場決定。3#煙囪切口下底邊L=22×(1/2～2/3)=11～14.6 m,實取13.8 m;上底邊根據(jù)爆破傾角現(xiàn)場決定。

(4)實際切口高度H=1.8 m。

3.2 孔網(wǎng)參數(shù)

2#煙囪孔網(wǎng)參數(shù)如下:

(1)最小抵抗線W=1/2δ=1/2×80 c m=40 c m;

(2)采用間隔炮孔深度:L1=2/3δ=(0.67～0.80)×80 c m,取L1=60 c m;L2=80 c m;

(3)孔距a=40 c m;

(4)排距b=0.87,a=35 c m;

(5)在爆破切口范圍內(nèi),采用梅花形布孔,共布置7排炮孔約177個炮孔。

3#煙囪孔網(wǎng)參數(shù)如下:

(1)最小抵抗線W=1/2δ=1/2×80 c m=40 c m;

(2)采用間隔炮孔深度:L1=2/3δ=(0.67～0.80)×80 c m,取L1=60 c m;L2=80 c m;

(3)孔距a=40 c m;

(4)排距b=0.87,a=35 c m;

(5)在爆破切口范圍內(nèi),采用梅花形布孔,共布置7排約111個炮孔。

2個煙囪均未預(yù)先開定向窗。實際裝藥量均為孔深的2/3,即:80 c m深炮孔裝0.6 kg,60 c m深炮孔裝0.4 kg。

3.3 起爆網(wǎng)路

本工程采用數(shù)碼電子雷管起爆網(wǎng)路。由于在小孔網(wǎng)參數(shù)的延時起爆網(wǎng)路中電子雷管拒爆現(xiàn)象時有發(fā)生,同時,因本工程總藥量較小、炮孔全部都在地表之上,且煙囪是薄壁結(jié)構(gòu),其具有一定的泄能性,爆破地震波產(chǎn)生危害的可能性較小,因此,采用所有炮孔同時起爆的方法。

3.4 安全驗算

煙囪等高聳構(gòu)筑物爆破拆除時,倒塌振動及其產(chǎn)生的飛石是重點研究對象,因此對本工程中的個別飛石飛散距離及其振動進行安全驗算。

3.4.1 爆破飛石

拆除爆破個別飛石最大飛散距離,根據(jù)《工程爆破使用手冊》中的經(jīng)驗公式計算[5]:

式中,Smax為飛石飛散距離極值,m;v f為飛石初始速度,m/s;g為重力加速度,取9.8 m/s2。由高速攝影儀觀察分析,飛石初始速度為10～20 m/s,經(jīng)計算可得飛石最大飛散距離為40.8 m。

由于本項目中煙囪周圍50 m內(nèi)均有需要保護的對象,因此爆破飛石對周圍環(huán)境沒有影響。

3.4.2 爆破振動校核

工程施工監(jiān)測與理論分析結(jié)果表明:煙囪爆破形成的振動主要有3個部分,分別是切口內(nèi)炸藥起爆、煙囪下坐切口閉合撞擊以及筒體觸地沖擊,三者中最大的振動一般為煙囪的觸地沖擊振動,其次是切口內(nèi)炸藥起爆,因此僅需對炸藥爆炸產(chǎn)生的振動和觸地振動進行安全驗算[6]。

(1)炸藥爆炸產(chǎn)生的振動。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》中的Sadowski公式進行計算校核[7]:

式中,v為振動速度,c m/s;K,α為與地形、地質(zhì)有關(guān)的系數(shù),可取K為200、α為3;Q為最大單段藥量,取88.4 kg;R為振動監(jiān)測的距離,取50 m。經(jīng)計算,爆破振動校核值v=0.14 c m/s。校核的振速在爆破振動安全允許值之內(nèi)。

(2)觸地振動校核。高聳建筑在倒塌觸地時,會對地面產(chǎn)生較大的沖擊,其塌落振動采用式(3)計算[8]:

式中,v p為塌落引起的地面振速峰值,c m/s;m為塌落體質(zhì)量,本拆除煙囪為280 t;g為重力加速度,取9.8 m/s2;H為被爆體重心的高度,取21.7 m;R為測振點至沖擊地面中心的距離,取50 m;σ為地表破壞強度,取10 MPa;K'、β為與地質(zhì)地形有關(guān)的系數(shù),分別取3,-1.5。計算得v p=0.655 c m/s,同樣在振動安全允許值內(nèi)。

4 拆除爆破數(shù)值模擬分析

煙囪的內(nèi)襯一般為耐火磚砌成,具有一定的支承強度,內(nèi)襯與煙囪筒身主體之間多為爐灰或其他耐熱性保溫材料充填,對爆炸能量有很強的吸收作用,若爆破設(shè)計考慮不周,爆破時未能將內(nèi)襯破壞,其就有可能不隨煙囪筒身主體一起倒塌,從而形成了內(nèi)部不規(guī)則的支撐致使煙囪改變倒塌方向[9]。韓光欽[10]從起爆瞬間煙囪的受力情況以及傾倒機理兩個方面分析了內(nèi)襯對煙囪傾倒方向的影響,認為裝藥起爆后煙囪后壁所留支撐點、煙囪自重力、內(nèi)襯對煙囪壁的徑向作用力三者應(yīng)處在同一平面內(nèi),在重力和徑向作用力的共同作用下煙囪必然向設(shè)計倒塌方向傾倒,但施工中如果內(nèi)襯處理不理想,未能使內(nèi)襯保留部分中線與煙囪保留部分中線重合,這時內(nèi)襯對煙囪壁實際的徑向力就要偏轉(zhuǎn)到一個新位置致使支撐點、重力、徑向力不在同一平面內(nèi),造成一方面煙囪要在自重作用下傾倒,另一方面煙囪要在徑向力的作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn),扭轉(zhuǎn)的結(jié)果使得煙囪偏離了設(shè)計倒塌方向。由于本工程采用不預(yù)先處理煙囪內(nèi)襯,因此,有必要在施工前運用數(shù)值模擬進行分析,以確保爆破效果。

4.1 拆除爆破模型建立

選取2座煙囪中內(nèi)襯較高的3#煙囪作為原型,采用有限元軟件LS-DYNA進行煙囪的定向倒塌模擬,實際煙囪高為62 m,為磚結(jié)構(gòu),無鋼筋等復(fù)雜結(jié)構(gòu),因此選用整體式建模方法建立1∶1的煙囪有限元模型,模型單位制選取為g-c m-us。煙囪和內(nèi)襯的單元類型選取為SOLID164單元,地面單元選取SHELL163單元,爆破切口建立為獨立的part,地面和煙囪材料模型分別選取為剛性體和理想彈性體,筒體與地面間接觸設(shè)置為*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE面與面自動接觸。

4.2 材料選取及爆破切口

煙囪壁、內(nèi)襯模型均選用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC,*MAT_A DD_EROSION做為失效關(guān)鍵字,材料參數(shù)見表1。模型的抗壓強度設(shè)置為32.5 MPa,抗拉強度設(shè)置為6.0 MPa。

表1 材料參數(shù)

4.3 模擬結(jié)果分析

模型運算后將結(jié)果文件導(dǎo)入lspp軟件中觀察。起爆后,切口處的單元刪除并形成了完整的爆破缺口,爆破缺口如圖1所示。

圖1 爆破缺口形狀

爆破缺口形成后,煙囪的有效應(yīng)力峰值出現(xiàn)在缺口處,為得出煙囪的破壞過程,取爆破缺口下方的4個單元進行有效應(yīng)力分析(從左至右為A、B、C、D),選點圖如圖2所示,應(yīng)力圖如圖3所示。

圖2 特征點對應(yīng)位置

由圖3可知,爆破缺口形成之初,4個點的有效應(yīng)力均大于煙囪極限值,其中B、C點的有效應(yīng)力比A、D點的大且應(yīng)力值上升速度更快,表明此時煙囪內(nèi)壁的有效應(yīng)力較大,煙囪的斷裂從內(nèi)壁開始形成倒塌之勢,隨著時間的變化,煙囪逐漸倒塌。當(dāng)t=0.4 s時塔體與內(nèi)襯碰撞,如圖4所示。當(dāng)t=0.94 s時內(nèi)襯出現(xiàn)了有效應(yīng)力大于煙囪極限值的單元,其位于被壓側(cè)單元H1478891處,說明此時內(nèi)襯從該處產(chǎn)生斷裂,將隨著煙囪一起倒塌,且可以看到內(nèi)襯的初始斷裂處與煙囪初始斷裂處的變化趨勢基本一致,同時內(nèi)襯與煙囪的倒塌方向保持一致。

圖3 特征點應(yīng)力時程曲線

圖4 t=0.4 s時應(yīng)力云圖

為分析內(nèi)襯的倒塌軌跡,分別在內(nèi)襯上端及其下端各選取一點的位移曲線圖進行分析,如圖5、圖6所示。

圖5 內(nèi)襯上端一點位移時程曲線

圖6 內(nèi)襯下端一點位移時程曲線

由圖5可知,在0.4 s時,內(nèi)襯上端開始位移,并隨著時間推移距離逐步增加。由圖6可知,0.94 s內(nèi)襯下端被破壞并開始位移,使得塔體跟內(nèi)襯向一個方向傾倒。直至2.32 s時爆破缺口上沿筒壁與下沿筒壁碰撞,塔體開始加速下沖,如圖7所示。

圖7 t=2.32 s時塔體狀態(tài)

綜上模擬結(jié)果分析可知,煙囪在爆破形成爆破缺口后,由于重力原因,煙囪開始失穩(wěn)倒塌,在0.4 s時煙囪與內(nèi)襯發(fā)生碰撞,迫使內(nèi)襯破壞并與煙囪一同以原位移方向倒塌,即在不拆除內(nèi)襯的情況下,煙囪能以預(yù)設(shè)倒塌方向倒塌。

5 爆破效果

起爆后,兩座煙囪均向爆破設(shè)計倒塌方向倒塌,二者的倒塌長度均約70 m,爆破切口產(chǎn)生的飛石最遠距離約40 m,磚體落地飛濺最遠距離在煙囪倒塌方向近75 m處。在西側(cè)50 m的廠房處監(jiān)測得的振速峰值為0.8 c m/s,在安全允許振速內(nèi)。倒塌效果理想?，F(xiàn)場拆除過程與數(shù)值模擬煙囪倒塌過程基本一致,兩座煙囪倒塌方向和原定方向均沒有產(chǎn)生較大差別,達到了預(yù)期效果,且煙囪傾倒后破碎效果良好,清理工作進行順利。爆破效果如圖8所示。

圖8 爆破效果

6 結(jié)論

本文運用數(shù)值模擬分析方法,研究了在不預(yù)先拆除內(nèi)襯的情況下,磚混結(jié)構(gòu)煙囪的倒塌過程,研究成果用于指導(dǎo)工程實踐并證明其可行性。主要結(jié)論如下。

(1)爆破結(jié)果表明,本工程的爆破方案以及施工措施是合理可行的,在不預(yù)先處理煙囪內(nèi)襯的情況下,煙囪仍能依靠自重向預(yù)設(shè)倒塌方向倒塌。

(2)運用LS-DYNA有限元軟件,建立與方案相同的煙囪爆破模型,并進行數(shù)值模擬分析,可在爆破施工前模擬得到爆破結(jié)果,判斷爆破設(shè)計的合理性,保證了爆破作業(yè)的效果和爆破作業(yè)安全;

(3)爆破可在拆除廢舊高聳構(gòu)筑物工程中廣泛應(yīng)用,是一種快速、高效而又安全的方法,可一次性排險完成。本次研究成果及工程成功實施經(jīng)驗可為類似高聳構(gòu)筑物項目的拆除以及整治建設(shè)中所涉及類似的爆破作業(yè)提供一定的參考價值。