費(fèi)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(lái)越大，拆除爆破因其安全、經(jīng)濟(jì)、高效等突出優(yōu)點(diǎn)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(guò)程的危險(xiǎn)性，加上目前拆除爆破的設(shè)計(jì)和施工主要依賴于以往的一些工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(duì)鋼筋混凝土煙囪的拆除爆破傾倒過(guò)程問(wèn)題，許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究并得出了一系列對(duì)工程實(shí)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(duì)鋼筋混凝土高煙囪的理論研究相對(duì)較少，尤其是傾倒過(guò)程中的后坐問(wèn)題。工程實(shí)踐表明：在高煙囪拆除爆破定向傾倒過(guò)程中，會(huì)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(duì)鋼筋混凝土高煙囪拆除爆破傾倒過(guò)程中的后坐問(wèn)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(guò)程中的后坐問(wèn)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(dòng)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(shí)例，討論切口形狀對(duì)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(guò)程中的安全性問(wèn)題，為實(shí)際拆除爆破時(shí)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(gè)過(guò)程伴隨有筒體的后坐、前沖及下坐[12]。在傾倒過(guò)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(kāi)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(jiǎn)化分析，假設(shè)在傾倒過(guò)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(duì)煙囪傾倒過(guò)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?yàn)檎?見(jiàn)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(shí)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(cè)結(jié)果表明：鋼筋混凝土高煙囪定向傾倒過(guò)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(gè)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(guò)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(cè)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(diǎn)發(fā)生定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。因此在后坐分析過(guò)程中假設(shè)高煙囪以定向窗兩側(cè)夾角的頂點(diǎn)為支點(diǎn)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，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(duì)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(guò)程中煙囪壁由此處發(fā)生脆性斷裂破壞。假設(shè)此過(guò)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(guò)程中水平支座反力Fx會(huì)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(guò)程中，煙囪壁從此處發(fā)生剪壓脆性斷裂破壞。對(duì)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(duì)支撐部位進(jìn)行受力分析(見(jiàn)圖3)，則其內(nèi)部任一點(diǎn)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(guò)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(guò)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(guò)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(dòng)到某一角度時(shí)，就可以分別求出對(duì)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(shí)所對(duì)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(guò)程中發(fā)生后坐時(shí)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(guò)程中不會(huì)發(fā)生后坐；若f1、f2、f3分別小于1，則高煙囪傾倒過(guò)程中會(huì)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(shí)的臨界傾角(下文簡(jiǎn)稱前沖傾角)，°。

4 工程實(shí)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(jì)算，在切口高度、切口圓心角相同的情況下分析切口形狀對(duì)高煙囪傾倒過(guò)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(guò)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(gè)鋼筋混凝土高煙囪在傾倒過(guò)程中的后坐安全系數(shù)變化過(guò)程如圖4所示，圖中的小圖為后坐安全系數(shù)變化全過(guò)程圖，大圖為部分過(guò)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(guò)程中后坐安全系數(shù)不是一直減小的，在35°～55°之間有一個(gè)先增大后減小的趨勢(shì)，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(shí)Fy、FV值為極大值，而此時(shí)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(shí)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(jì)

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(shí)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(jì)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(chǎng)合，如文獻(xiàn)[17-22]中都采用該種切口設(shè)計(jì)，在現(xiàn)場(chǎng)爆破過(guò)程中均無(wú)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(shí)若余留支撐部的強(qiáng)度足夠，煙囪將會(huì)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(huì)發(fā)生部分前沖，但由于此種切口設(shè)計(jì)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(guò)程中將先發(fā)生劇烈前沖，幾乎不會(huì)發(fā)生后坐，該種切口設(shè)計(jì)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(duì)充足的場(chǎng)合，如該種切口設(shè)計(jì)在沈陽(yáng)熱力廠、焦作華潤(rùn)電廠、焦作電廠和鶴壁電廠等[10]多個(gè)煙囪爆破拆除工程中進(jìn)行了成功應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)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(shuō)明煙囪高度對(duì)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(shí)，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(shí)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(huì)引起該截面因剪壓破壞而下坐，在切口形狀選取時(shí)應(yīng)進(jìn)行深入探究。

根據(jù)煙囪爆破切口長(zhǎng)度L滿足經(jīng)驗(yàn)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(guò)程中預(yù)留支撐體會(huì)因?yàn)闊o(wú)法承受巨大的后坐力而提前發(fā)生后坐。因此，在工程實(shí)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(lái)減小高煙囪的后坐范圍。綜上分析，3種切口形狀對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 3種切口形狀對(duì)比結(jié)果

5 結(jié)論

1)正梯形切口高煙囪在傾倒失穩(wěn)過(guò)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(guò)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(guò)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(shí)際爆破工程中，隨著煙囪高度的增加必然會(huì)引起支撐部因剪壓破壞而下坐，因此在切口形狀選取時(shí)應(yīng)進(jìn)行深入探究。

3)正梯形切口高煙囪在傾倒過(guò)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(chǎng)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(shí)若余留支撐部的強(qiáng)度足夠，煙囪將會(huì)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(huì)發(fā)生部分前沖；倒梯形切口高煙囪在傾倒過(guò)程中將先發(fā)生劇烈前沖，幾乎不會(huì)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(chǎng)合。

4)工程實(shí)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。