210m钢筋砼烟囱爆破倒塌过程测量分析

2013-11-05钟冬望李琳娜司剑锋

武汉科技大学学报 2013年4期

朱宽，钟冬望，2，陈浩，2，李琳娜，2，何理，司剑锋

（1.武汉科技大学理学院，湖北，武汉，430065；2.武汉科技大学爆破技术研究中心，湖北，武汉，430065）

日趋苛刻的爆破环境对爆破施工提出了更高要求，采用精确的测量手段来研究爆破过程成为业内关注的焦点。高速摄影方法是记录高速流逝过程某一瞬时状态或全部历程的有效手段，其所获得的大量、准确的时间－空间信息，为研究高速现象的发生机理和运动规律提供了可靠依据。应力应变测量技术是通过对建构筑物中内嵌钢筋倒塌过程中的应力应变行为进行实时测量，以便于分析了解结构破坏过程中的应力应变发展规律。综合采用这两种实验测量手段，对于研究爆破过程、评价爆破效果、分析力学机理和总结工程经验能够提供重要依据。

本研究对南昌电厂210m钢筋混凝土烟囱定向爆破倒塌过程采用高速摄影及应力应变测量手段进行分析，旨在通过烟囱倒塌过程中各力学参数的获得及规律性的认识，为解决类似工程提供参考依据。

1 爆破倒塌过程实验监测

1.1 工程概况

所爆破拆除的江西南昌发电厂烟囱为钢筋混凝土筒式结构，高210m。在±0.00m标高处，烟囱外半径为9.24m，内半径为8.62m，壁厚为0.62m。在＋210.00m标高处，烟囱外半径为3.17m，内半径为2.92m，壁厚为0.25m［1］。按《爆破安全规程》（GB6722—2003）规定属于A级拆除爆破工程。

钢筋混凝土烟囱设计为单向倒塌，用机械手段沿倒塌方向两侧预先开凿定向窗，爆破切口弧度为215°，切口高度为5.2m。为确保安全起爆，采用以电子数码雷管为主、非电导爆管雷管为辅的综合复式起爆网路［2］，分二段起爆。爆破切口中间采用MS－1段非电雷管，两侧分别采用MS－3段非电雷管，孔外4组电雷管采用大串联起爆网路，用起爆器进行起爆。

1.2 测试系统

1.2.1 高速摄影测量

高速摄影系统采用日本NAC MEMRECAM GX－5高速摄影仪，该仪器由一台主机（DRP）连接多个摄像头，为可从不同方向同时拍摄的多摄像机系统。主机与安装有GX－Link控制软件的笔记本电脑相连，通过手持型遥控器J－Pad3进行触发采集图像。为便于监测，所布置测点均与烟囱倒塌方向有一定夹角。测量烟囱的拍摄频率为500帧／s，像素为720×1280。

1.2.2 应力应变测量

动态应变测试系统主要由TA120－6AA型大应变电阻应变计、DH5935动态电阻应变仪以及计算机组成。仪器配备有8个采样通道，A／D分辨率为14bit，采样速率精度达0.02%，满度线性度为0.1%±1×10－6。考虑实际测试时的安全性，用长度为100m的电缆与动态电阻应变仪连接后布置于安全区域。为保证测试信号的准确及减小信号的干扰，测试电源采用蓄电池直流供电，连接电缆采用RVVP四芯屏蔽电缆，并对仪器和电缆进行妥善的接地处理，采样频率设置为2 kHz。由于烟囱中部分钢筋在倒塌过程中会产生塑性变形，而常规应变计（测量变形范围仅为2%）不能测到塑性变形部分的特征曲线，因而测试传感器采用TA120－6AA（10%）型大应变电阻应变计。该电阻应变计电阻为120.8Ω，灵敏度系数KP＝2.07，最大测量变形范围为10%。根据预先开凿的定向窗位置，在烟囱预定倒塌方向的背面距地面1m处选取4根钢筋进行测试。先凿开混凝土，使螺纹钢裸露，后用砂轮机对钢筋表面打磨，再用细砂纸精磨至平整，最后在其上布置应变片。应变片布置图如图1所示。

图1 应变片布置图Fig.1 Strain gauge arrangement

2 观测结果与分析

2.1 观测结果

爆破前3s由爆破指挥部发出起爆命令，通过J－Pad3触发高速摄影仪采集图像信息，采用图像分幅处理技术得到210m钢筋混凝土烟囱在起爆后不同时刻倾角及角速度。观测结果如图2、图3所示。各测点的动态应变波形如图4～图7所示。

图2 时间－角度曲线Fig.2 Time－angle curve

图3 时间－角速度曲线Fig.3 Time－angular velocity curve

图4 1号测点时间－应变历程图Fig.4 Time－strain history in Site 1

图5 2号测点时间－应变历程图Fig.5 Time－strain history in Site 2

图6 3号测点时间－应变历程图Fig.6 Time－strain history in Site 3

图7 4号测点时间－应变历程图Fig.7 Time－strain history in Site 4

2.2 结果分析

综合分析爆破方案、高速摄影测量数据及烟囱倾倒过程中筒体钢筋时间－应变历程图，钢筋混凝土烟囱爆破倾倒过程分为以下五个阶段。

2.2.1 爆破切口形成阶段

雷管引爆炸药后75ms，装药区烟囱壁中的混凝土在爆炸载荷下迅速破碎并抛溅飞出，留下裸露的钢筋网。此时，筒体上部自重载荷全部瞬间加载在预留支撑体上，同时由爆破载荷作用引发囱体振动，其幅值超过混凝土极限抗拉强度及抗剪强度，初始损伤形成，混凝土的抗拉强度、抗剪强度以及钢筋的握裹力均受到削弱［3］；继而在偏心载荷作用下切口下沉，初始损伤进一步扩展，烟囱形成微小偏角，由于钢筋抗压能力远小于抗拉及抗剪能力，故切口区竖向钢筋迅速屈曲失稳；预留支撑体部位钢筋混凝土受到偏心载荷作用由受压变为受拉。选取爆破后约0.1s时刻，此时的钢筋应变值为81.4×10－6。根据应变协调原理，此时混凝土也将产生同样大小的应变，混凝土许用抗拉强度［σ］拉＝2.4MPa，混凝土弹性模量E＝30GPa，由胡克定律算得混凝土已达到极限抗拉强度，说明此时预留支撑体部位混凝土已产生裂纹。

2.2.2 整体下坐阶段

在倾覆力矩作用下，烟囱开始以定向窗夹角顶点为铰链转动，预留支撑体部位裂纹逐渐扩大，支撑部位受压范围逐渐变小，直至转动铰链的承载能力不足以支持整个烟囱的重量。通过高速摄影图像观测，2.158s时，烟囱开始整体下坐，由时间－角速度曲线可以看到此时烟囱转动速度有微小增加。通过动态应变仪时间－应变历程曲线可以看到，4个测点应变曲线在起爆后2s左右拉应变迅速变小，直至转化为压应变，此时烟囱开始下坐，测量部位的钢筋发生扭曲。两种测量方式得到的烟囱下坐开始时间基本一致。各测点瞬时最大应变值如表1所示。从表1中可看出，钢筋最大应变值均为正，产生时间均为起爆后烟囱倒塌全过程，这与实际情况相符合。

表1 各测点瞬时最大应变值Table1 Instantaneous maximum strain value of each site

以2号测点为例，仪器触发后7.7s，应变开始缓慢增大，表明钢筋此时处于线弹性阶段；8.6 s后，应变不再继续增大，表明材料进入屈服阶段。此期间钢筋瞬态最大应变为1898.9×10－6，计算得到瞬时最大应力值为391.1MPa，根据GB1499—2008中Ⅰ级螺纹钢力学性能要求，材料的屈服极限为335MPa，表明钢筋已经产生塑性变形。4.235s时下坐完成，整个下坐过程历时约2s。下坐过程中，烟囱竖向运动速度增加，因烟囱质量较大，具有很大的竖向冲量，在下坐过程中，支撑部位结构的破坏过程基本在烟囱竖向冲量作用下完成［4］。各测点信号最终均超出测试仪器量程而出现削峰，产生该现象的原因是烟囱倒塌过程中信号线被拉断所致。

2.2.3 定轴转动阶段

下坐过程完成后，烟囱两侧定向窗附近形成塑性区，且塑性区范围进一步扩大，烟囱以两侧塑性铰为支点继续发生定轴转动。上述过程伴随塑性铰向后移动，并由此导致钢筋混凝土构件脆性断裂，从而出现较大的受压不均区［5］。由烟囱时间－速度曲线可以看出，速度变化开始处于近似缓慢匀速转动阶段。这一阶段主要受到纵向钢筋的约束作用，随转动角度的增大，偏心弯矩逐渐增大，在爆破后5～6s有第一个加速阶段。原因系预留支撑体部位钢筋被拉断、钢筋约束作用消失所致。爆破后10s，烟囱转角达到11°，转动速度开始急剧上升。

2.2.4 局部折断阶段

烟囱倾倒过程中，任一截面均承受轴力P、剪力Q和弯矩M 作用，既可能由于正截面受弯而折断也可能因剪力和弯矩共同作用产生斜裂纹沿斜截面受剪破坏而折断［6］。文献［7］计算结果表明，烟囱爆破倾倒折断部位一般发生在烟囱高度的1／3处，且强度不高的烟囱还会发生多处折断。言志信［8］等通过数值模拟结果表明，折断部位一般发生在离地面1／3或1／2处。高速摄影图像分析结果显示，210m钢筋混凝土烟囱在15.626s时发生折断，折断部位发生在离底部105m处，与上述理论计算及数值模拟结果吻合。由于烟囱在15～105m范围进行过加固，其配筋率较高，抗剪能力较强，这也是烟囱在1／2部位发生折断的原因。通过此阶段的时间－速度曲线还可以看到烟囱的倾倒速度有所下降，系烟囱折断过程中消耗掉部分能量所致。

2.2.5 冲击撞地阶段

从17.316s开始，烟囱从底部开始依次触地破坏，该过程历时大约1s，爆堆长度236m，落地后，烟囱分成3段，烟囱底部筒体被压扁，上下和两侧有裂纹，15～55m处筒体压扁破碎，其它部位砼外壳全部摔碎，箍筋断开，钢筋外露［9］。