复杂环境下砖混结构烟囱爆破拆除数值模拟及方案设计
时间：2022-12-08 19:15:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
王 刚
(安徽江南爆破工程有限公司,安徽 宁国 242300)
在城镇建设改造升级过程中,达不到国家环保标准的烟囱、冷却塔须进行爆破拆除。
尽管爆破拆除技术已经日臻完善,但复杂环境下高耸烟囱爆破拆除作业仍需综合考虑烟囱尺寸、结构特征、环境、安全风险等因素,方可确定合理的倾倒方向、炸高和爆破切口位置等[1-3]。
在高耸烟囱爆破拆除研究与实际应用方面,李玉景等[4]借用烟囱原有检修门洞设计对称卸荷槽、采用水钻取芯密孔切割工艺精准开设定向窗,实现了烟囱的安全倒塌。
李飞等[5]采用了底部爆破、定向倒塌的控制爆破方案成功爆破拆除120 m 高的钢筋混凝土烟囱。
程楠[6]通过优化开凿工艺、爆破参数及起爆网路等控制措施控制爆破次生灾害;采用混合材料悬挂式覆盖防护、减振堤等安全措施控制爆破负面效应,实现了复杂环境下210 m 高烟囱爆破拆除。
褚怀保等[7]以高速摄影监测、数值模拟结果为基础,对钢筋混凝土烟囱爆破拆除倒塌过程及保留筒壁受力过程与状态进行综合分析研究。费鸿禄[8]建立了不同切口形状烟囱相应的后坐理论模型和判别准则,并结合工程实例分析了切口形状对钢筋混凝土高烟囱拆除爆破倾倒后坐的影响规律。
基于宣城市原德胜玻璃厂61 m 烟囱爆破拆除工况进行方案设计,根据理论计算与工程经验选取了合理的爆破切口形状、尺寸、开凿工艺、爆破参数、起爆网路及多重控制措施,并结合数值仿真技术,对烟囱倒塌过程进行模拟计算,预测了倒塌方向,成功实现了复杂环境下砖混结构烟囱的爆破拆除。
1.1 烟囱结构
待拆除烟囱为砖混结构,结构完整,基本无风化。烟囱实测高度为61 m,下部筒体周长为16.3 m,直径约为5.2 m,壁厚为0.62 m,上部筒体直径约为1.4 m,内径为0.8 m,耐火砖内衬厚度为0.12 m,烟囱内部有一堵隔墙,南北走向,厚度约为0.12 m。
烟囱筒体有一个0.8 cm×0.8 cm 的出灰口。
1.2 周边环境
待拆除烟囱周边环境复杂,厂区范围和钢结构主厂房长边沿西北—东南方向布置,待拆除烟囱位于钢结构厂房西北侧,距离钢结构厂房5 m,西南侧距厂区围墙27 m,50 m 处为兰宝服装厂围墙,两围墙之间为荒草地。
正南侧约100 m 处为伟仁卫浴食堂和二层宿舍楼。
西侧10 m 处为钢桁架棚,西北侧35 m 处为厂区围墙。
北侧50 m 处为厂区钢桁架棚,围墙外为竹林。
东北侧5 m 处为锅炉房,52 m 处为建国商砼储料罐,与厂区仅一道低矮围墙相隔。
2.1 总体倒塌方案
烟囱高61m,质地良好,周围可供烟囱倒塌的空间有限,只有向北方向可供烟囱倒塌距离较大,但仅有50 m,定向倒塌会触及厂区以外的竹林地。鉴于委托单位对工期和施工经济性的综合考虑,经与北侧竹林地的业主协商,确定采用向北定向倒塌的控制爆破拆除方案,如图1 所示。
图1 倒塌设计方向(单位:m)
2.2 定向窗、定位窗的开设
烟囱切口进行钻孔前,在对称于倾倒轴线的切口两侧开设定向窗,定向倒塌中心线方向中间开设定位窗。
两侧定向窗呈垂直三角形布置,底边长为1.2 m、高为0.8 m,定位窗的高度为1.5 m,宽度为0.6 m。
定向窗先用风钻钻边孔,再用风镐进行开设,最后进行人工修整。
2.3 内部隔墙及耐火砖的预拆除
定位窗开凿完毕后,通过定位窗进入烟囱内部,用风镐对内部隔墙和耐火砖进行人工处理。
烟囱隔墙垂直于切口方向,隔墙处理高度与切口高度相同,沿隔墙自切口处向保留处逐渐降低,呈三角形。
对切口处的耐火砖进行人工处理,处理高度与切口相同,破坏周长为烟囱周长的一半。
2.4 倒塌方向的地面处理
为防止烟囱筒体倒塌触地振动和砖碎块反弹对周围的建筑物造成损坏,提前对倒塌方向上的水泥地面进行破拆,露出表土,破拆范围为沿倒塌中心线方向距离烟囱15 m 处开始至围墙外,破拆宽度为倒塌中心线两侧不小于5 m(即破拆总宽度不小于10 m)。
2.5 爆破参数设计
1)钻孔直径Ф=38～40 mm。
2)最小抵抗线W:取切口处烟囱壁厚的一半,即W=δ/2(δ为壁厚),即W=0.3 m。
3)钻孔深度L:L=0.667δ,则L=0.4 m。
4)炮孔间距a:a=(0. 75 ～0. 85)δ,即a=0.48 m,取a=0.45 m。
5)炮孔排距b:b=0.866a,则b=0.39 m,取b=0.4 m。
6)炸药单耗q:根据工程类比经验q=1.2 kg/m3。
7)单孔装药量Q:Q=qabδ, 则Q=0.13 kg/孔,取Q=0.15 kg/孔。
2.6 爆破切口参数设计
1)切口形状:倒梯形。
2)切口长度S:S=(1/2 ～2/3)C,这里S取7/12C,C为切口处筒体周长,C=16. 3 m,则S=0.58C=9.45 m。
3)切口高度h:h=2.5δ=1.5 m。
4)炮孔数目N:实际布置4 排,合计60 个炮孔。
5)总装药量:Q总=NQ= 60×0.15=9.0 kg。
爆破切口开挖位置及切口平面展开如图2所示。
图2 爆破切口开挖位置及切口平面展开
2.7 起爆方法及网路设计
1)起爆方法:炮孔起爆采用普通毫秒导爆管雷管,同段起爆。
2)起爆网路:起爆网路为先簇联后串联,每簇接12 根塑料导爆管,共分5 簇捆扎。
网路激发采用导爆管雷管,每个激发点采用2 发瞬发或低段同段导爆管雷管,用绝缘胶布均匀捆扎并覆盖,激发雷管用四通连接(复式连接闭合回路)或再用同段雷管捆扎后使用塑料导爆管连接至起爆站,单响药量为9.0 kg。
起爆网路如图3 所示。
图3 起爆网络示意图
2.8 爆破安全设计
1)爆破振动计算根据GB 6722—2014《爆破安全规程》的规定:
式中:V为爆破产生的质点振动速度,cm/s,普通居民住宅所允许的振动速度为:(2.3 ～2.8)cm/s;K、α为与地震波的传播介质和爆破区地形地质条件有关的系数和衰减系数,K= 300,α= 1.8;Q为最大段装药量,kg,取9.0 kg;R为爆破中心至被保护建筑物或构筑物之间的距离,m,因烟囱周边均为钢结构厂房,抗震能力较强,此处以西北侧围墙外破旧砖瓦房作为检测对象,距离烟囱为40 m。
代入式(1),可得:V=1.46 cm/s＜2.3 cm/s。
2)塌落振动计算
根据量纲分析法,集中质量(冲击或塌落)作用于地面造成的塌落振动速度可采用式(2)确定:
式中:Vt为塌落振动速度,cm/s;Kt为衰减系数,取3.37;σ为地面介质的破坏强度,MPa,取10 MPa;β为衰减指数,取1.66;R为监测点至撞击中心的距离,m;M为下落构件的质量,t;H为构件重心高度,m。
通过计算,不同位置的塌落振动速度见表1,距离是以烟囱重心着地点到各建筑的距离。
由表1 可得,此次爆破烟囱塌落振动速度都在允许范围内。
表1 不同位置的塌落振动速度
3)爆破飞石的控制
拆除爆破易产生飞石,需采用竹排、稻草覆盖炮孔并进行捆扎,以确保周边设施安全。
采用ANSYS/LSDYNA 有限元仿真软件建立烟囱等比例模型并对烟囱的倒塌过程进行模拟分析。采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 定义砖混烟囱材料,筒体及地面采用3D SOLID 164 划分网格,地面定义为刚体材料,筒体施加竖直方向的重力,设置* MAT_ ADD_EROSION 控制烟囱筒体单元失效并模拟延时起爆,定义PART 组间的单面自动接触。
其中,筒体材料参数见表2。
表2 砖混烟囱筒体材料参数
建立有限元模型,竖直方向为Z方向。
观测烟囱数值模拟倒塌过程,如图4 所示。
图4 烟囱数值模拟倒塌过程
由图4 可知,起爆后,筒体受重力影响逐步发生失稳,2.5 s 后,烟囱呈现明显倾倒趋势,5 s 时,烟囱底部材料局部失效,伴有一定的下坐现象,9 s后筒体完全触地,烟囱塌落动能一部分转化为土体对筒体的反作用,促使筒体进一步解体,一部分转化为产生触地地震波能量。
从倒塌过程可以看到烟囱沿着受拉破坏后的单元作为塑性铰做定轴转动,同时塑性铰不断沿着倒塌方向向前移动。
选取烟囱顶部部分节点,观察其运动轨迹变化,如图5、图6 所示。
图5 烟囱顶部选取节点
图6 测点三方向运动轨迹
图6 中,红、绿、蓝色曲线对应测点X、Y、Z方向坐标变化。
由图中可以看出,烟囱爆破切口形成后未立刻呈倾倒趋势,即存在一稳定阶段;5 s 时,X、Z方向位移出现短时迅速增大;8 s 后,速度趋于平稳。顶部各测点在Z方向数值下落61 m,在X负方向平均移动约60 m,Y方向平均移动约20 m。
结合图2分析发现,烟囱筒体倒塌部位在破旧瓦房和钢桁架棚之间,往竹林方向,不会对桁架棚造成影响。
根据爆破设计方案进行顶下窗开挖,使定向窗、卸荷槽(导向窗)沿倒塌中心轴线对称。
再进行现场钻孔、装药并做爆破防护。
烟囱倒塌过程如图7 所示。
图7 烟囱实际倒塌过程
由图7 可知,实际倒塌过程与数值仿真结果较为一致,烟囱在9 s 内倒塌,倒塌方向朝向竹林方向,倾倒方向无误,无后坐现象,钢桁架棚和破旧瓦房均未受到影响,爆破振动与飞石均得到有效控制。
针对复杂环境下砖混烟囱爆破拆除工况,合理设计爆破方案并结合数值仿真技术预测筒体倒塌方向,通过合理开挖定向窗,钻孔爆破,顺利爆破拆除1 座61 m 高的砖混烟囱,烟囱倒塌方向与设计方向、数值模拟结果基本相同,爆破振动、飞石均得到了有效控制,相关经验可为类似结构爆破拆除提供参考。
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