降低钢筋混凝土烟囱塌落振动探讨

李 强，林 飞，张阳光，赵 彭

(中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司，安徽 淮北235000)

1 工程概况

某公司由于厂区改扩建需要,采用爆破方式对厂区内锅炉房的钢筋混凝土烟囱进行拆除。 烟囱表面完好无裂痕,高度为61 m,底部壁厚为0.62 m,外部直径为3.8 m。 烟囱东面为一废弃浴室,距离约86 m;南面近处为锅炉房,距离烟囱约4.5 m,远处有高压输电线路,距离烟囱约27.5 m;西面为员工食堂,距离烟囱约59 m;北面为围墙和农田,围墙距离烟囱约8 m。 爆破区域周边环境如图1 所示。 此次爆破环境较为复杂,在爆破过程中要求既不能出现倒塌方向上的失误,又要降低烟囱的塌落振动影响,使之不会对周围需要保留的建筑物和高压线路造成影响。

图1 爆破区域周边环境平面图

2 爆破施工方案

根据现场环境情况,确定向西南方向定向倒塌的爆破方案。

爆破切口形式为梯形,共布置5 排炮孔,单孔装药量200 g,最大段药量为8 kg,共使用药量17 kg,导爆管雷管100 发,炮孔布置如图2 所示。

图2 炮孔布置示意图

为了减小烟囱爆破拆除时倒塌冲击引起的地面振动,爆破前在烟囱的设计倒塌中心线上用软土和沙包铺设了一条长30 m、宽2 m、高1 m 的减振堤。

3 理论分析

3.1 烟囱塌落模型分析

一般而言,对高大建筑实施爆破拆除,建筑倒塌对地面形成的冲击荷载分为球面和矩面两种类型。 对钢筋混凝土烟囱实施爆破拆除,烟囱倒塌是以球面或者柱面接触地面的,通常形成的是球面冲击荷载[1]。 对于圆柱形且较长的建筑爆破拆除而引发的倒塌,通常是以圆筒形接触地面,然而烟囱主体的外形并非规则的,这对理论探索不利,为探索便利,对模型简化处理。

将烟囱主体视为质量是M,下部固定而上部自由,圆环形截面的等效均质长杆。 当烟囱出现爆破切口以后,由于重力的影响,主体会围着铰接点运动。 主体运动时遭受离心力的作用,接触地面的瞬时速度能够划分成水平以及垂直的速度分量。 在选取合理的切口尺寸以后,相对于垂直的分量,水平的分量较小,因此,将烟囱同地面接触的线速度视为同地面垂直,触地动能[2]为:

式中:E1为烟囱触地动能,J;R2为烟囱具有的外半径下限值,m;R1为烟囱重心位置具有的外半径,m;r为内半径,m;ρ为整个烟囱具有的密度,kg/m3;ω为烟囱同地面接触的瞬时角速度,m/s;h为烟囱顶部同爆破切口的垂直距离,m。

烟囱倒塌前的势能为:

式中:M为烟囱质量,kg;g为重力加速度,m/s2;H1为烟囱的重心高度,m。

当烟囱发生倒塌时,可能会沿着某个截面出现断裂,为方便研究运算,不计倒塌时因为截面断裂而遭受的能量损耗,按照能量守恒定律可得:

由式(1)、式(2)、式(3)整理可得到烟囱触地时的瞬时角速度为:

烟囱触地时,各个单元的线速度为:

式中:V为线速度,m/s;x为单元接触地面时与烟囱根部之间的距离,m。

烟囱主体同地面接触时,将形成强烈的冲击效应,F为冲击力,dF为单元的冲击力。 为方便研究而忽略微单元的质量,通过动量定理能够得出:

式中:dM=π[(R-Ztanα)2-(r-Ztanα)2]ρdZ,ΔV=

式中,t为烟囱倒塌触地时与地面的接触时间,s。

通过以上公式得知,对F产生作用的重要因素主要有4 个,即烟囱触地的时间,塌落体的密度,断面切口的大小与位置。

在对烟囱实施爆破以前,将减振堤布设在倒塌位置,使烟囱主体与地面接触之前,得到一定的缓冲。 主体只是瞬间对减振堤形成冲击,在100 ms内出现接触应力。 减振堤出现的位移响应,由开始的大面积破坏,至其后的小面积破坏,最后主要是弹性形变的一个过程[3]。 随着时间的延长,冲击力会衰变成烟囱的自重,使烟囱更长时间作用于地面。 因而在确定材料本身的密度、断面缺口自身的尺寸时,能够借助减振提的布设,促使主体触地时间延长,则塌落振动会明显变小。

3.2 塌落振动计算

根据中国科学研究院力学研究所总结的塌落振动公式[4]:

式中:Vt为塌落振动峰值速度,cm/s;M为烟囱的质量,t,取410 t;g为重力加速度,m/s2,取9.8 m/s2;H为构件的高度,m,取61 m;σ为地面介质破坏强度,MPa,常为10 MPa;R为观测点至塌落中心的距离,m;Kt为衰减系数,Kt=3.37 ～4.09,取3.37;β为衰减指数,一般为-1.66 ～-1.80,此次计算取-1.66。

式中,衰减系数与衰减指数取值是在地面没有开挖沟槽、不铺设减振措施条件下的经验值。

通过计算,不同距离处的塌落振动速度计算值见表1。

表1 不同距离处的塌落振动速度计算值

4 振动监测

振动监测采用两台NUBOX-6016 爆破振动智能监测仪,分别布置在A1 及A3 位置,距离烟囱分别为60、30 m,经计算,A1、A3 位置距离烟囱塌落中心距离分别为30、40 m。 烟囱拆除爆破从起爆到完全倒塌触地共历时8 s,具体监测数据见表2,实测振动波形如图3 所示。

表2 振动监测数据

图3 实测振动波形

A1、A3 测定检测到的信号均为低频信号(倒塌触地信号)。 A1 测点距塌落中心30 m,监测到塌落振动速度最大值为1.01 cm/s,低于相同距离下塌落振动速度理论计算值1.41 cm/s;A3 测点距塌落中心40 m,监测到塌落振动速度最大值为0.31 cm/s,相较于相同距离处塌落振动理论值0.79 cm/s 显著偏小。 分析说明减振堤起到了明显的减振作用。

5 结语

从理论方面探索烟囱倒塌力学模型,对现场钢筋混凝土烟囱爆破拆除时的塌落振动进行监测,在烟囱着地区域设置减振堤,促使烟囱主体更长时间地作用于接触面,降低了烟囱倒塌时对地面的冲击力,使烟囱触地塌落振动强度明显降低。