切口形状对冷却塔爆破拆除倒塌效果的影响❋

高文乐 李琛豪 张建伟 王燕萍 张泽华 朱茂迅

①山东科技大学土木工程与建筑学院（山东青岛，266590）

②中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院（山东青岛，266580）

③中建八局发展建设有限公司（山东青岛，266100）

0 引言

近年来，国家对环境保护的力度不断加大，大量高污染、高排放企业面临淘汰和改建。 在此背景下，烟囱、冷却塔、水塔等高耸建筑物需要进行拆除。 爆破拆除有高效、便捷、经济等优点，在短时间内借助炸药爆炸作用，让建筑物定向倒塌、破碎、解体，提高了施工效率。 爆破拆除一般面临较为复杂的周边环境，既要确保爆破产生的有害效应不能对周边待保护建筑的结构造成破坏，又要严格要求建筑按照预先设计的方案定向倒塌，这就需要设计合理的爆破方案。

目前，针对高耸建筑物的爆破拆除设计，还处于依赖于工程经验和实践的初级阶段。高文乐等[1]对爆破切口的最佳延期时差进行了分析，得出在爆炸时差2.5 s时，爆堆范围最小。孙飞等[2]设计了爆炸过程中的切口角度和高度，并对关键部位进行了预处理，保证了爆破的稳定性。 段海霞等[3]通过研究5 组不同爆破切口尺寸，对比分析了爆堆大小等参数，提高了爆破方案的科学性。 贺建华等[4]利用高位切口定向倒塌控制爆破技术进行爆破，使爆破参数得到了合理的优化。 胡彬等[5]进行了爆破切口角度计算，利用应力破坏准则计算了烟囱爆破切口角度。 费鸿禄等[6]研究了烟囱拆除爆破倾倒后坐受到爆破切口的影响，得出合理的切口圆心角度可以减小烟囱的后坐距离。

由于冷却塔的塔体结构稳定，在拆除爆破中容易出现塌而不倒、爆堆过高等问题。 合理的爆破切口形状是冷却塔顺利爆破的关键。 采用软件ANSYS/LS-DYNA，模拟重现两座冷却塔的倒塌过程，对倒塌形态、应力云图、触地速度和爆堆范围等进行对比分析[7]，得到较优的爆破切口，为类似工程提供指导。

1 工程概况

山东省枣庄市十里泉电厂有两座待拆的相同结构的双曲线型冷却塔，分别标号3＃和4＃。 冷却塔标高为92 m，上部直径为43.2 m，下部直径为73.6 m，平均壁厚为0.25 m，下部40 对人字柱的高度为5.8 m， 人字柱的截面尺寸为0.4 m×0.4 m，圆梁距人字柱顶端的1.2 m。

3＃冷却塔正北面25 m 处有东西走向的架空电缆，80 m 处是电厂办公楼房；两座冷却塔正南方向约5 m 处有东西方向的热力管道，40 m 处是发电厂围护外墙，二者之间有大量废弃物堆积；在3＃冷却塔的北、西北两个方向有一个露天的停车场。冷却塔实体图以及冷却塔平面布置分别如图1 和图2所示[8]。

图1 冷却塔实体Fig.1 Diagram of the cooling tower

图2 冷却塔的平面布置（单位:m）Fig.2 Plan view of the cooling tower （Unit: m）

2 爆破方案设计

进行冷却塔的爆破拆除工程，需要对塔体本身的结构特点和周边环境进行细致的评估，选取科学合理的倒塌方案[9]。

工程实践表明:相比于原地坍塌，采用定向倒塌爆破技术拆除冷却塔更加安全、迅速，也较为省时、省力。 3＃、4＃冷却塔均采用定向倒塌爆破。 3＃冷却塔的倒塌方向为西偏南10°；4＃冷却塔在西北方向发生爆破坍塌。

2.1 爆破切口

3＃冷却塔采用矩形爆破切口[10]。 在塔腹位置利用机械设备开凿出7 个6.6 m 高的减荷槽， 在中部预留6 个宽度为16.8 m 的支撑墙；切口长度为151.0 m，切口高度7.0 m，27 对人字柱在冷却塔的底部被拆除，爆炸中心角为235°。 图3 中显示了爆炸切割的扩展。

图3 3＃冷却塔爆破切口的展开示意（单位:m）Fig.3 Expansion of blasting cut of Cooling Tower 3＃（Unit: m）

4＃冷却塔采用复合型切口[11]。 前期的预处理工作量较大，需要机械开凿9 条减荷槽，以中心倒塌线高13.0 m、宽5.6 m 的减荷槽为中心对称，两边分别开凿2 条高11.0 m、宽5.6 m 的减荷槽和2 条高9.0 m、宽5.6 m 的减荷槽，间隔都为5.6 m，最后再开凿2 个定位窗。

4＃冷却塔爆破切口如图4 所示。

图4 4＃冷却塔爆破切口的展开示意（单位:m）Fig.4 Expansion of blasting cut of Cooling Tower 4＃（Unit: m）

2.2 爆破参数

冷却塔的钻孔爆破部位选择在底部缺口的人字柱的上、下端两个部位，采用水平钻孔的方式钻取炮孔，如表1 和图5 所示。

表1 两座冷却塔的炮孔参数Tab.1 Blast-hole parameters of the two cooling towers

图5 冷却塔爆破切口和炮孔布置（单位:m）Fig.5 Layout of cuts and blast holes of the cooling tower（Unit: m）

2.3 起爆网路

两座冷却塔起爆采用非电毫秒延时爆破技术[12]。 3＃冷却塔爆破切口内的1 570 发毫秒导爆管雷管分成6 组，总共3 个爆破区；4＃冷却塔爆破切口处506 发导爆管雷管分为2 个爆区。 如图6 和表2所示。

表2 两座冷却塔不同爆区的导爆管雷管的数量Tab.2 Number of detonators in different explosion zones of the two cooling towers

图6 两座冷却塔的延时段爆破切口Fig.6 Blasting cuts of the two cooling towers in extended period

3 有限元模型前处理

采用Solid164 单元对冷却塔模型进行网格划分。 在高耸建筑物拆除爆破的数值模拟中，众多学者对于爆破切口是经过定义部件失效时间来实现的。 爆破设计中，每个部件失效时间根据各个区域的起爆时间设置，即到达一定时间后，部件被删除，形成爆破切口。 根据爆破设计，两座冷却塔都是毫秒延时爆破。 针对模型进行部件创建，3＃冷却塔为9 个部件，分别为3 个爆破区的人字柱和待爆破塔壁、预留人字柱、圈梁、塔体、地面；4＃冷却塔为7 个部件，分别为2 个爆破区的人字柱和待爆破塔壁、预留人字柱、圈梁、塔体、地面[13-14]。

采用Solid164 实体单元。 选取钢筋混凝土材料*Mat_Brittle_Damage。 地面简化为刚性， 采用*Mat-Rigid 材料，并在材料定义时约束所有自由度。表3 为材料参数。

表3 材料参数Tab.3 Material parameters

对冷却塔的爆破拆除进行数值模拟研究，一般忽略实际爆破中的外界风阻作用和内部爆破产生的冲击波对塔身内部的作用。在这种理想状态下，冷却塔只受竖直向下的重力作用。 对模型施加重力约束，重力加速度为9.8 m/s2；同时，在模型下部人字柱与刚体地面接触部位设置约束，约束6 个位移自由度。

经过求解器求解之后，得到冷却塔模型的应力云图、倒塌范围和最远距离、触地速度等信息，并进行处理及导出。

4 数值模拟分析

4.1 两座冷却塔倒塌过程对比

对比分析两座冷却塔的数值模拟倒塌过程和工程实例实际倾倒过程，得出爆破实际效果和数值模拟结果的倒塌运动规律相似。 但在两座冷却塔的爆破拆除中，塔体破碎并不理想，需要进行机械二次破碎，这一点也比较符合实际工况。 在倾倒时间方面，两座冷却塔实际倒塌用时12.0 s，而数值模拟用时分别为13.5、14.8 s。 两座冷却塔的数值模拟基本符合工程实际。 倒塌效果如图7 所示。

图7 两座冷却塔的倒塌效果Fig.7 Collapse outcomes of the two cooling towers

4.2 倒塌过程中塔壁应力分布分析

将宏观状态下的倒塌运动转化为微观状态下的受力分析十分必要。 将两座冷却塔数值模拟倒塌过程中的塔壁受力云图通过LS-Prepost 软件呈现。

图8 为3＃冷却塔数值模拟倒塌过程的应力云图。 在冷却塔爆破切口形成之后，塔体应力集中在预留人字柱和圈梁附近，最大应力出现在第19 181单元，为60.6 MPa；随后，在重力的牵引下开始向设计方向倒塌，随着爆破切口的闭合，塔腹开始出现应力集中，塔壁上纵向和轴向裂缝逐渐出现并扩大，最大应力为63.1 MPa，在第19 435 单元；塔体在扭曲撕裂现象出现之后，裂缝随之延伸至整个塔身， 此时，钢筋混凝土受倾覆力矩作用不断被破坏，最大应力为59.5 MPa，在第3 206 单元；最后，塔体被完全破坏倾倒，自由塌落。

图8 3＃冷却塔数值模拟的应力云图Fig.8 Stress nephogram in numerical simulation of Cooling Tower 3＃

图9 为4＃冷却塔数值模拟倒塌过程应力云图。比较图8 可以发现，4＃冷却塔的应力分布和3＃冷却塔几乎一致。 首先，在爆破切口形成后，最大应力在预留圈梁附近的第3 199 单元，为68.5 MPa。 但在爆破切口闭合后，由于爆破切口不同，4＃塔体倾斜角度要比3＃塔体大，4＃塔体上部受下部冲击影响破坏严重，从而最先开始出现扭曲撕裂现象，产生较大的塑性应变，造成塔体凹陷。 之后的塔体倒塌过程中，最大应力一直集中在塔体上部撕裂部位附近，直到塔身被完全破坏，自由塌落。

图9 4＃冷却塔数值模拟的应力云图Fig.9 Stress nephogram in numerical simulation of Cooling Tower 4＃

4.3 应力分布对塔体倒塌过程的影响

结合倒塌特点，可把冷却塔的倾倒过程分为4个阶段。 宏观状态下塔体的扭曲撕裂是微观状态下应力变化直接导致的。 图10 中，单元分别选取两座冷却塔的爆破切口上方、切口上方的塔腹、侧边塔壁以及倒塌方向的反方向圈梁上方4 个部位。 3＃冷却塔选取单元分别为A（29 783 单元）、B（29 770 单元）、C（34 935 单元）、D（43 264 单元）；4＃冷却塔选取单元分别为A′（31 319 单元）、B′（31 304 单元）、C′（40 226 单元）、D′（43 086 单元）。

图10 两座冷却塔的单元选取位置Fig.10 Location of two cooling tower units

图11为两座冷却塔选取单元的应力变化曲线。经过对比分析可以看出，爆破切口处，最大应力出现在切口闭合的2.0 ～2.5 s之间，随后切口处混凝土被压碎破坏，应力归零。由于两座冷却塔爆破切口不同，切口正上方塔腹部位的应力峰值出现时间有差异。3＃冷 却 塔 在1.5 ～2.0 s 和4.0 ～4.5 s 之 间应力最大；4＃塔体在3.5 ～4.0 s应力最大。侧边塔壁的最大应力都出现在7.0 s 左右，此时塔体进入最后的自由塌落阶段。 倒塌方向反方向圈梁部位最大应力出现在2.0 s 左右，此时，圈梁部位承受较大的应力。

对两座冷却塔数值模拟倒塌过程的应力云图和选取单元的应力变化曲线研究发现，塔体的倒塌过程一般分为4 个阶段。 第一阶段是爆破切口形成阶段，整个塔体自重全部由预留人字柱和圈梁支撑，上部塔身依然是未受应力破坏的整体。 随着塔体倾覆，此时进入爆破切口闭合阶段，由于爆破切口的不同，4＃塔体明显比3＃塔体有较大的倾斜角度，两座冷却塔的应力都是集中于塔体切口闭合和地面的交界处，同时塔身也开始出现径向或者横向裂缝。 在裂缝不断发展扩大之后，进入塔壁裂缝发育阶段，这个阶段的钢筋混凝土塔身不断被破坏，塔体失去刚度和完整性，3＃冷却塔在这个阶段是扭曲撕裂折叠倒塌，而4＃冷却塔则在较大的切斜角度作用下，上部塔体提前受前冲惯性破坏严重。 最后，两座冷却塔进入塌落阶段，这个阶段在上一个阶段塔体刚度被破坏的基础上不断延伸，大片区域破坏完全，最后塌落。 由此得出:在裂隙发育阶段，矩形切口发生扭曲撕裂倒塌；复合型切口不但发生扭曲撕裂现象，还会因较大的切口，上部塔体受到前冲惯性破坏。

4.4 结构顶点x 轴方向速度分析

对两座冷却塔模型选取相同的塔体顶端的单元节点。 3＃冷却塔选取46 889 单元，4＃冷却塔选取55 958单元。 选取位置如图12 所示。

图12 单元节点位置示意Fig.12 Location of unit nodes

通过后处理软件导出速度-时间曲线进行分析。从图13 可看出，两座冷却塔选取单元节点的速度-时间曲线较为一致。 0～2 s 内，节点速度随着时间的增大而增大，表明这个阶段冷却塔爆破切口形成之后，塔体在重力作用下开始向预定方向倾倒；在2 s左右，加速度开始减小，速度增加缓慢，此时爆破切口闭合，塔体触地。 由于爆破切口的不同，可以看出，在此阶段4＃冷却塔的加速度明显比3＃冷却塔大，也间接说明复合型切口导致的塔体运动势能大。3＃冷却塔在2 ～8 s 时的速度曲线不规律，直接原因是矩形爆破切口上部势能小，在爆破切口闭合之后塔体经过一段时间的扭曲撕裂现象导致的；而4＃冷却塔在2 ～6 s 倾倒过程中有较大的势能，致使塔颈部分断裂，单元节点速度骤减。 最后，冷却塔进入自由倾覆阶段，速度逐渐归零。 所以，相比于矩形切口，复合型切口使塔体有较大的势能，塔体触地时分解更充分。

图13 两座冷却塔单元节点的速度-时间曲线Fig. 13 Speed-time curves of unit node of the two cooling towers

4.5 不同爆破切口时的倒塌范围对比分析

利用LS-Prepost 后处理软件，选取模型最远倒塌单元导出数据，生成在x轴方向的倒塌距离，如图14 所示。

3＃冷却塔的最远倒塌单元为30925，最远倒塌距离为41 m。 4＃冷却塔的最远倒塌单元为31503，最远倒塌距离为38 m，最远飞石距离小于3＃冷却塔。 4＃冷却塔破碎效果完好，爆破拆除较为成功，节省了二次破碎成本。

从两座冷却塔爆堆范围和最远倒塌距离的对比分析来看，复合型爆破切口在破碎效果、倒塌范围和距离等方面要优于矩形切口。 尤其是针对最远倒塌距离曲线来看，4＃冷却塔的倒塌过程更加平稳，符合现阶段多数学者对于冷却塔爆破拆除数值模拟的研究和预测。

4.6 不同爆破切口时倒塌触地速度对比分析

在爆破施工过程中，需要对待拆除建筑物进行保护，严格进行爆破设计，使建筑物的爆破振动控制在国家标准之下。 冷却塔的整体触地速度越大，爆破振动越大。 对比两座冷却塔在x轴方向的倒塌速度，如图15 和表4 所示。

表4 不同切口形状爆破后的触地速度Tab.4 Touchdown speed after blasting with different cut shapes

图15 两座冷却塔的整体触地速度-时间曲线Fig.15 Touchdown velocity-time curves of the two cooling towers

3＃冷却塔倒塌触地速度为2.40 m/s，4＃冷却塔触地速度为2.20 m/s，4＃冷却塔的触地速度略小于3＃冷却塔的触地速度。 4＃冷却塔复合型切口的爆破设计对建筑物产生的振动影响要小于3＃冷却塔的矩形爆破切口。 所以，复合型切口比矩形切口爆破产生的触地速度更小，振动更小。

围绕冷却塔布置的振动测点，监测数据均未超过国家安全规程范围，模拟结果符合现场实际。 实际数据与数值模拟出现一定偏差的主要原因是:地面设置为刚性地面，产生的振动较实测数据大。

5 结论

1）在切口形成和闭合的过程中，塔体保存完整，整体沿下部支撑体转动，倒塌方向反方向圈梁部位承受较大应力。

2）通过对两座冷却塔的倒塌范围、爆堆破碎程度和塔体触地速度等爆破效果指标的对比发现，4＃冷却塔的爆破效果皆优于3＃冷却塔，复合型切口设计比矩形爆破切口设计要更科学、合理。

3）冷却塔是钢筋混凝土结构，而数值模拟中采用的是整体式建模。 相比于共节点分离式建模方法，整体式建模就忽略了钢筋内部细微的受力作用，和真实的钢筋混凝土结构冷却塔的爆破拆除存在一定误差。 同时，数值模拟是理想状态，忽略了爆破冲击波、风阻等对冷却塔倒塌过程的影响，也忽略了常年累月风化侵蚀减弱了钢筋混凝土的整体受力特性。 但整体趋势上，数值模拟基本与现场实际效果相符。