降低鋼筋混凝土煙囪塌落振動探討

李 強，林 飛，張陽光，趙 彭

(中煤科工集團淮北爆破技術研究院有限公司，安徽 淮北235000)

1 工程概況

某公司由于廠區改擴建需要,采用爆破方式對廠區內鍋爐房的鋼筋混凝土煙囪進行拆除。 煙囪表面完好無裂痕,高度為61 m,底部壁厚為0.62 m,外部直徑為3.8 m。 煙囪東面為一廢棄浴室,距離約86 m;南面近處為鍋爐房,距離煙囪約4.5 m,遠處有高壓輸電線路,距離煙囪約27.5 m;西面為員工食堂,距離煙囪約59 m;北面為圍墻和農田,圍墻距離煙囪約8 m。 爆破區域周邊環境如圖1 所示。 此次爆破環境較為復雜,在爆破過程中要求既不能出現倒塌方向上的失誤,又要降低煙囪的塌落振動影響,使之不會對周圍需要保留的建筑物和高壓線路造成影響。

圖1 爆破區域周邊環境平面圖

2 爆破施工方案

根據現場環境情況,確定向西南方向定向倒塌的爆破方案。

爆破切口形式為梯形,共布置5 排炮孔,單孔裝藥量200 g,最大段藥量為8 kg,共使用藥量17 kg,導爆管雷管100 發,炮孔布置如圖2 所示。

圖2 炮孔布置示意圖

為了減小煙囪爆破拆除時倒塌沖擊引起的地面振動,爆破前在煙囪的設計倒塌中心線上用軟土和沙包鋪設了一條長30 m、寬2 m、高1 m 的減振堤。

3 理論分析

3.1 煙囪塌落模型分析

一般而言,對高大建筑實施爆破拆除,建筑倒塌對地面形成的沖擊荷載分為球面和矩面兩種類型。 對鋼筋混凝土煙囪實施爆破拆除,煙囪倒塌是以球面或者柱面接觸地面的,通常形成的是球面沖擊荷載[1]。 對于圓柱形且較長的建筑爆破拆除而引發的倒塌,通常是以圓筒形接觸地面,然而煙囪主體的外形并非規則的,這對理論探索不利,為探索便利,對模型簡化處理。

將煙囪主體視為質量是M,下部固定而上部自由,圓環形截面的等效均質長桿。 當煙囪出現爆破切口以后,由于重力的影響,主體會圍著鉸接點運動。 主體運動時遭受離心力的作用,接觸地面的瞬時速度能夠劃分成水平以及垂直的速度分量。 在選取合理的切口尺寸以后,相對于垂直的分量,水平的分量較小,因此,將煙囪同地面接觸的線速度視為同地面垂直,觸地動能[2]為:

式中:E1為煙囪觸地動能,J;R2為煙囪具有的外半徑下限值,m;R1為煙囪重心位置具有的外半徑,m;r為內半徑,m;ρ為整個煙囪具有的密度,kg/m3;ω為煙囪同地面接觸的瞬時角速度,m/s;h為煙囪頂部同爆破切口的垂直距離,m。

煙囪倒塌前的勢能為:

式中:M為煙囪質量,kg;g為重力加速度,m/s2;H1為煙囪的重心高度,m。

當煙囪發生倒塌時,可能會沿著某個截面出現斷裂,為方便研究運算,不計倒塌時因為截面斷裂而遭受的能量損耗,按照能量守恒定律可得:

由式(1)、式(2)、式(3)整理可得到煙囪觸地時的瞬時角速度為:

煙囪觸地時,各個單元的線速度為:

式中:V為線速度,m/s;x為單元接觸地面時與煙囪根部之間的距離,m。

煙囪主體同地面接觸時,將形成強烈的沖擊效應,F為沖擊力,dF為單元的沖擊力。 為方便研究而忽略微單元的質量,通過動量定理能夠得出:

式中:dM=π[(R-Ztanα)2-(r-Ztanα)2]ρdZ,ΔV=

式中,t為煙囪倒塌觸地時與地面的接觸時間,s。

通過以上公式得知,對F產生作用的重要因素主要有4 個,即煙囪觸地的時間,塌落體的密度,斷面切口的大小與位置。

在對煙囪實施爆破以前,將減振堤布設在倒塌位置,使煙囪主體與地面接觸之前,得到一定的緩沖。 主體只是瞬間對減振堤形成沖擊,在100 ms內出現接觸應力。 減振堤出現的位移響應,由開始的大面積破壞,至其后的小面積破壞,最后主要是彈性形變的一個過程[3]。 隨著時間的延長,沖擊力會衰變成煙囪的自重,使煙囪更長時間作用于地面。 因而在確定材料本身的密度、斷面缺口自身的尺寸時,能夠借助減振提的布設,促使主體觸地時間延長,則塌落振動會明顯變小。

3.2 塌落振動計算

根據中國科學研究院力學研究所總結的塌落振動公式[4]:

式中:Vt為塌落振動峰值速度,cm/s;M為煙囪的質量,t,取410 t;g為重力加速度,m/s2,取9.8 m/s2;H為構件的高度,m,取61 m;σ為地面介質破壞強度,MPa,常為10 MPa;R為觀測點至塌落中心的距離,m;Kt為衰減系數,Kt=3.37 ～4.09,取3.37;β為衰減指數,一般為-1.66 ～-1.80,此次計算取-1.66。

式中,衰減系數與衰減指數取值是在地面沒有開挖溝槽、不鋪設減振措施條件下的經驗值。

通過計算,不同距離處的塌落振動速度計算值見表1。

表1 不同距離處的塌落振動速度計算值

4 振動監測

振動監測采用兩臺NUBOX-6016 爆破振動智能監測儀,分別布置在A1 及A3 位置,距離煙囪分別為60、30 m,經計算,A1、A3 位置距離煙囪塌落中心距離分別為30、40 m。 煙囪拆除爆破從起爆到完全倒塌觸地共歷時8 s,具體監測數據見表2,實測振動波形如圖3 所示。

表2 振動監測數據

圖3 實測振動波形

A1、A3 測定檢測到的信號均為低頻信號(倒塌觸地信號)。 A1 測點距塌落中心30 m,監測到塌落振動速度最大值為1.01 cm/s,低于相同距離下塌落振動速度理論計算值1.41 cm/s;A3 測點距塌落中心40 m,監測到塌落振動速度最大值為0.31 cm/s,相較于相同距離處塌落振動理論值0.79 cm/s 顯著偏小。 分析說明減振堤起到了明顯的減振作用。

5 結語

從理論方面探索煙囪倒塌力學模型,對現場鋼筋混凝土煙囪爆破拆除時的塌落振動進行監測,在煙囪著地區域設置減振堤,促使煙囪主體更長時間地作用于接觸面,降低了煙囪倒塌時對地面的沖擊力,使煙囪觸地塌落振動強度明顯降低。