切口形状对高烟囱拆除爆破倾倒后坐的影响

费鸿禄，钱起飞，刘 雨，张超逸

(1.辽宁工程技术大学爆破技术研究院，辽宁 阜新 123000；2.北方爆破科技有限公司，北京 100000)

随着城市建设和改造进入大规模的发展阶段，拆除钢筋混凝土建(构)筑物的需求也越来越大，拆除爆破因其安全、经济、高效等突出优点而被广泛应用于钢筋混凝土高烟囱的拆除工程中[1-2]。但由于拆除环境的复杂性、自身结构的不确定性及拆除爆破过程的危险性，加上目前拆除爆破的设计和施工主要依赖于以往的一些工程实践经验，缺乏准确性、系统性，给高烟囱的精细拆除爆破埋下了一定的安全隐患[3-4]。针对钢筋混凝土烟囱的拆除爆破倾倒过程问题，许多学者进行了大量的研究并得出了一系列对工程实践具有指导意义的结论[4-10]，但大多数研究都是基于数值模拟手段，对钢筋混凝土高烟囱的理论研究相对较少，尤其是倾倒过程中的后坐问题。工程实践表明：在高烟囱拆除爆破定向倾倒过程中，会伴随着后坐的发生[11-12]，而后坐往往影响着高烟囱拆除爆破的成败，因此必须对钢筋混凝土高烟囱拆除爆破倾倒过程中的后坐问题进行系统的研究，以完善钢筋混凝土高烟囱的拆除爆破理论。

鉴于钢筋混凝土高烟囱拆除爆破倾倒过程中的后坐问题与爆破切口形状具有较大的相关性，应用达朗贝尔原理和拉格朗日方程建立高烟囱定向倾倒的动力学方程，分析正梯形、倒梯形和矩形切口形状高烟囱倾倒后坐的力学状态，并分别建立相应的后坐理论模型和判别准则；结合工程实例，讨论切口形状对高烟囱拆除爆破倾倒后坐的影响规律，以分析不同切口形状高烟囱倾倒过程中的安全性问题，为实际拆除爆破时切口形状的选取提供理论参考。

1 高烟囱定向倾倒力学分析

高烟囱从爆破切口形成瞬间到切口上部筒体触地解体之前，烟囱在自身倾覆力矩作用下绕支撑部定向倾倒，整个过程伴随有筒体的后坐、前冲及下坐[12]。在倾倒过程中，支撑部发生大偏心受压脆性断裂破坏，具体表现为切口端在极大的自重压力下首先受压破坏，然后烟囱壁外侧受拉，混凝土开裂，受拉区钢筋屈服，最后受压区混凝土被压坏[5-6]，烟囱下坐偏转直至触地解体。为简化分析，假设在倾倒过程中烟囱完好未发生解体破坏，切口截面平整，视烟囱为从下到上均匀变化、壁厚连续收缩的圆筒，忽略爆炸荷载对烟囱倾倒过程的影响，烟囱倾倒受力分析如图1所示。

图1 烟囱倾倒受力分析Fig.1 Analysis of chimney dumping force

设沿烟囱倾倒方向为正(见图1)，根据达朗贝尔原理[13]有：

(1)

将上述结果带入(1)式整理可得：

(2)

烟囱定向倾倒的水平和竖向支座反力Fx、Fy分别为

(3)

烟囱倾倒角度为θ时截面的剪力FQ和竖向支持力FV分别为：

(4)

2 3种切口形状高烟囱后坐分析

高烟囱拆除爆破的摄影观测结果表明：钢筋混凝土高烟囱定向倾倒过程一般经历爆破切口形成、中性轴形成及后移、下坐及定向倾倒和触地解体4个阶段。高烟囱的后坐一般发生在下坐及定向倾倒阶段，由于在中性轴形成及后移过程中，余留支撑部已经发生剪压破坏而导致塑性铰弯矩消失，且根据文献[12]的观测结果可知：在发生下坐及定向倾倒之前，高烟囱的偏转角度、角速度以及角加速度很小，在下坐及定向倾倒阶段，高烟囱以定向窗两侧附近的塑性铰为支点发生定轴转动。因此在后坐分析过程中假设高烟囱以定向窗两侧夹角的顶点为支点定轴转动，且烟囱的初始倾角、角速度、角加速度、塑性铰弯矩为0。

2.1 正梯形切口

针对正梯形切口，由于切口部位薄弱截面位于底部截面，因此，在高烟囱定向倾倒过程中烟囱壁由此处发生脆性断裂破坏。假设此过程中切口下部筒体的承载力足够，则可认为高烟囱的后坐符合烟囱后滑理论模型。避免高烟囱发生后坐的条件为

Fx≤fFy

(5)

式中：f为切口部位薄弱截面的摩擦系数，通常取0.6～0.7[15]。

由于烟囱在定向倾倒过程中水平支座反力Fx会改变方向，在前期Fx为正，后期Fx为负，因此，为方便进行后坐分析，令|Fx|≤fFy。正梯形切口烟囱后坐分析如图2所示。

图2 正梯形切口烟囱后坐分析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则在上部截面，因此在倾倒过程中，烟囱壁从此处发生剪压脆性断裂破坏。对于这两种切口形状，随着烟囱的下坐偏转，支撑部的有效面积逐渐增大，因此烟囱的后坐可认为符合烟囱后坐理论模型。对支撑部位进行受力分析(见图3)，则其内部任一点的应力状态如下：

图3 倒梯形、矩形切口烟囱后坐分析Fig.3 Analysis of chimney backward collapse with inverted trapezoidal and rectangular cuts

(6)

若高烟囱在倾倒过程中发生后坐，则余留支撑部位必定发生剪压脆性断裂破坏，因此选定最大线应变理论[13]作为判断高烟囱发生后坐的力学依据。为方便表述，设σu为等效应力，整理如下：

σu=σ1-μ(σ2+σ3)≤[σ]

(7)

3 高烟囱倾倒过程中后坐的判断

根据上述分析可知，由于3种切口形状的切口参数及后坐机理不尽相同，为便于分析，现分别定义3种切口形状高烟囱倾倒过程中的后坐安全系数为f1、f2、f3，即：

(8)

式中：f1、f2、f3分别为与转角θ有关的函数，当烟囱转动到某一角度时，就可以分别求出对应的3种切口的后坐安全系数f1、f2、f3。其中f1=f2=f3=1时所对应的转角θ分别为正梯形、倒梯形、矩形切口高烟囱倾倒过程中发生后坐时的临界倾倒角度(后坐倾角)[θ]。若f1、f2、f3分别大于1，则高烟囱倾倒过程中不会发生后坐；若f1、f2、f3分别小于1，则高烟囱倾倒过程中会发生后坐。分别令：

f1-1=0;f2-1=0;f3-1=0

(9)

将式(9)代入MATLAB就可解出高烟囱后坐倾角[θ]的数值解。

(10)

式中：θ1为烟囱发生前冲时的临界倾角(下文简称前冲倾角)，°。

4 工程实例

4.1 工程概况

选取100、120、150、180、210、240 m钢筋混凝土高烟囱[17-22]进行计算，在切口高度、切口圆心角相同的情况下分析切口形状对高烟囱倾倒过程中后坐的影响规律。烟囱基本参数如表1所示，钢筋混凝土的密度取2 500 kg/m3，隔热层的密度取350 kg/m3，内衬的密度取2 000 kg/m3。

表1 烟囱基本参数

4.2 3种切口形状高烟囱后坐分析

正梯形、倒梯形、矩形切口高烟囱在定向倾倒过程中的后坐安全系数随着倾倒角度θ的增加是不断变化的，以上6个钢筋混凝土高烟囱在倾倒过程中的后坐安全系数变化过程如图4所示，图中的小图为后坐安全系数变化全过程图，大图为部分过程放大图。从图4中可以得出：在高烟囱不发生前冲的前提下，3种切口形状的高烟囱在倾倒过程中后坐安全系数不是一直减小的，在35°～55°之间有一个先增大后减小的趋势，大约在45°左右出现峰值。主要原因是当烟囱的倾角达到45°左右时Fy、FV值为极大值，而此时Fx、FQ值较小，且随着烟囱倾角的增大仍逐渐减小。图4a表明：正梯形切口高烟囱发生后坐时的倾倒角度介于50°～55°之间，且不同高度烟囱的后坐倾角值相差较小。图4b、图4c表明：倒梯形、矩形切口高烟囱的后坐倾角随着烟囱高度的增加而增大，其中倒梯形切口高烟囱的后坐倾角较矩形切口高烟囱的后坐倾角大。不同切口形状高烟囱前冲倾角、后坐倾角如表2所示。

图4 3种切口形状烟囱后坐安全系数与倾角关系Fig.4 Relationship between chimney back ward collapse safety factors and dumping angles of 3 cut shapes

表2 不同切口形状高烟囱前冲倾角、后坐倾角统计

由表2可知：正梯形切口高烟囱的θ1值和[θ]值近似相等，即烟囱在发生后坐瞬间也几乎发生前冲，由于钢筋混凝土高烟囱整体性好、强度较高，因此在此时前冲与后坐部分抵消，烟囱不发生明显后坐或前冲，此种切口设计适合于倒塌方向上空间不够充足且允许发生小范围后坐的场合，如文献[17-22]中都采用该种切口设计，在现场爆破过程中均无明显后坐，发生部分前冲，取得了良好的爆破效果，与理论分析结果吻合较好；矩形切口高烟囱的θ1值小于[θ]值，即烟囱在发生后坐之前就先发生前冲，此时若余留支撑部的强度足够，烟囱将会发生前冲，若余留支撑部的强度较低，后坐力能将其推垮，则会发生部分前冲，但由于此种切口设计定向性较差[9]，目前在工程爆破中应用较少；倒梯形切口高烟囱的θ1值远小于[θ]值，因此烟囱在倾倒过程中将先发生剧烈前冲，几乎不会发生后坐，该种切口设计更适合于周围环境复杂，不允许发生后坐，但倒塌方向上空间相对充足的场合，如该种切口设计在沈阳热力厂、焦作华润电厂、焦作电厂和鹤壁电厂等[10]多个烟囱爆破拆除工程中进行了成功应用，现场爆破效果与理论分析结果一致。不同切口形状烟囱后坐倾角与高度关系如图5所示。

图5 不同切口形状烟囱后坐倾角与高度的关系Fig.5 Relationship between the backward collapse dumping angles and height of chimney with different cut shapes

由图5可以得出：随着烟囱高度的增加，正梯形切口高烟囱的后坐倾角变化较小，由此说明烟囱高度对正梯形切口高烟囱的后坐影响较小；而倒梯形和矩形切口高烟囱的后坐倾角则随着烟囱高度的增加而显著增大，尤其是当切口上部截面烟囱的高度较高时，烟囱的后坐倾角更大，因此烟囱高度越大，越不易发生后坐，这与前面得出的结论相吻合。但在实际工程中，爆破切口部位仅有小于1/2的截面承载，随着烟囱高度的增加必然会引起该截面因剪压破坏而下坐，在切口形状选取时应进行深入探究。

根据烟囱爆破切口长度L满足经验公式：

(11)

式中：D为爆破切口部位薄弱截面筒壁的外直径，m。

选定切口圆心角α范围为180°～240°，不同高度烟囱的后坐倾角与切口圆心角的关系如图6所示。

图6 不同高度烟囱的后坐倾角与切口圆心角的关系Fig.6 Relationship between the back ward collapse dumping angles and the cut center angles with different chimney heights

由图6可以得出：随着切口圆心角的增大，高烟囱的后坐倾角逐渐减小，主要是由于切口圆心角的增大必然导致预留支撑体减小，在高烟囱倾倒过程中预留支撑体会因为无法承受巨大的后坐力而提前发生后坐。因此，在工程实践中，可在确保高烟囱能顺利倾倒失稳的前提下合理减小切口圆心角，以此来减小高烟囱的后坐范围。综上分析，3种切口形状对比结果如表3所示。

表3 3种切口形状对比结果

5 结论

1)正梯形切口高烟囱在倾倒失稳过程中余留支撑部从切口底部截面处脆性断裂，其后坐符合烟囱后滑理论模型；倒梯形或矩形切口高烟囱在倾倒失稳过程中余留支撑部在切口上部截面处发生剪压脆性断裂破坏，其后坐符合烟囱后坐理论模型。

2)在不发生前冲的前提下，3种切口形状高烟囱在定向倾倒过程中的后坐安全系数随着倾倒角度θ的增加是不断变化的；正梯形切口高烟囱的后坐倾角最小，且受烟囱高度的影响较小，倒梯形切口高烟囱的后坐倾角最大，矩形切口高烟囱的后坐倾角次之，且倒梯形和矩形切口高烟囱的后坐倾角随着烟囱高度的增加而增大。但在实际爆破工程中，随着烟囱高度的增加必然会引起支撑部因剪压破坏而下坐，因此在切口形状选取时应进行深入探究。

3)正梯形切口高烟囱在倾倒过程中不发生明显后坐或前冲，此种切口适合于倒塌方向上空间不够充足且允许发生小范围后坐的场合；矩形切口高烟囱在发生后坐之前就先发生前冲，此时若余留支撑部的强度足够，烟囱将会发生前冲，若余留支撑部的强度较低，后坐力能将其推垮，则会发生部分前冲；倒梯形切口高烟囱在倾倒过程中将先发生剧烈前冲，几乎不会发生后坐，此种切口更适合于周围环境复杂，不允许发生后坐，但倒塌方向上空间充足的场合。

4)工程实践中，在确保高烟囱能顺利倾倒失稳的前提下合理减小切口圆心角，可以有效减小高烟囱的后坐范围。