煙囪定向爆破的動(dòng)力學(xué)分析

摘 要：煙囪定向爆破對(duì)高大煙囪拆除具有重要意義。為了提升煙囪定性爆破過(guò)程的安全性，本文提出了一種動(dòng)力學(xué)分析方法，由此構(gòu)建了動(dòng)力學(xué)分析過(guò)程和模型，模型中拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪切力、垂直支撐力等核心參數(shù)的計(jì)算，與煙囪傾倒過(guò)程中的傾角、中性軸后移角度建立了量化的關(guān)系。結(jié)果顯示，傾角越大，煙囪傾倒的角加速度、角速度都越大。這種動(dòng)力學(xué)方法給出了煙囪傾倒過(guò)程的量化分析結(jié)果，可以提升煙囪定向爆破的安全性。

關(guān)鍵詞：皮帶機(jī)械；皮帶輪；旋壓加工；鍛壓加工；有限元仿真

中圖分類(lèi)號(hào)： TU 746 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在現(xiàn)代化城市中，因?yàn)樯a(chǎn)需要和居民生活供暖需求等方面的原因，存在相當(dāng)數(shù)量的高大煙囪。這些煙囪的絕對(duì)高度高，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用后就面臨較大的安全隱患，必須予以妥善拆除[1]。高大煙囪的拆除一般有機(jī)械拆除法和人工拆除法。機(jī)械拆除法工作作業(yè)困難較大，人工拆除法則可能給操作人員帶來(lái)較大的威脅和人身傷害[2]。因此，爆破法逐漸成為取代機(jī)械拆除法和人工拆除法的新方法。通過(guò)爆破完成高大煙囪的拆除任務(wù)，安全性、效率更高，并且成本低、性?xún)r(jià)比好。雖然爆破拆除具有許多優(yōu)點(diǎn)，但也面臨很大的安全隱患，這種壓力主要來(lái)自煙囪周?chē)h(huán)境的復(fù)雜性和爆破過(guò)程中的不確定性[3]。如果能有效地控制爆破過(guò)程，就能更全面地解決問(wèn)題，包括爆破點(diǎn)位、爆破方向、爆破強(qiáng)度。為了能夠按照預(yù)定的方向傾倒，就需要深入了解爆破過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特征，這也成為本文研究的切入點(diǎn)。

1 煙囪爆破中的失穩(wěn)傾倒過(guò)程分析

在爆破拆除過(guò)程中，煙囪要從原有結(jié)構(gòu)狀態(tài)完成倒塌直到在水平地面平覆，才能完成整個(gè)爆破過(guò)程。炸藥爆破導(dǎo)致部分結(jié)構(gòu)斷裂、斷裂結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性，再至逐步傾斜、倒塌和跌落。從技術(shù)的角度來(lái)看，這個(gè)稱(chēng)為煙囪的失穩(wěn)傾倒，其整個(gè)過(guò)程一共包括4個(gè)環(huán)節(jié)：第一個(gè)環(huán)節(jié)，炸藥爆炸在煙囪原有結(jié)構(gòu)上形成爆破切口；第二個(gè)環(huán)節(jié)，中性軸形成并且位置逐漸向后移動(dòng)；第三個(gè)環(huán)節(jié)，斷裂的部分結(jié)構(gòu)發(fā)生定軸旋轉(zhuǎn)；第四個(gè)環(huán)節(jié)，斷裂的部分結(jié)構(gòu)塌落直至與地面接觸并達(dá)成穩(wěn)態(tài)。

從第一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)看，當(dāng)爆破切口形成以后，煙囪對(duì)頂上部分的原有支撐結(jié)構(gòu)大部分被破壞，只保留殘余的支撐部分。這一部分的連接面積縮小，從而導(dǎo)致無(wú)法提供有效的支撐力，無(wú)法達(dá)成對(duì)頂上部分結(jié)構(gòu)重力的平衡效果。從瞬時(shí)狀態(tài)來(lái)看，爆破瞬間炸藥的沖擊力會(huì)使頂上部分有一個(gè)極為短暫的向上作用，但其后的時(shí)間內(nèi)頂上部分的重力將全部集中作用在殘余的支撐部分。這時(shí)進(jìn)入第二個(gè)環(huán)節(jié)，煙囪原有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力都需要重新調(diào)整，頂上部分在逐漸傾倒的過(guò)程中形成了中性軸，中性軸可以作為頂上部分傾倒的旋轉(zhuǎn)軸，但這個(gè)中性軸的位置不是固定的，而是不斷向后移動(dòng)的。因此，第二個(gè)環(huán)節(jié)和第三個(gè)環(huán)節(jié)是不存在特別明顯的界限的，中性軸在后移、頂上部分也在向下傾倒旋轉(zhuǎn)。進(jìn)入第四個(gè)環(huán)節(jié)后，殘余的支撐部分進(jìn)一步斷裂，導(dǎo)致頂上部分從煙囪原有結(jié)構(gòu)上徹底解體，并在重力的作用下開(kāi)始跌落。

為了便于描述煙囪爆破過(guò)程中的失穩(wěn)傾倒機(jī)理，給出說(shuō)明，如圖1所示。

圖1為煙囪失穩(wěn)傾倒的一個(gè)平面分析圖，整個(gè)煙囪在爆破面上被劃分為3個(gè)不同的區(qū)域，隨著頂上部分不斷傾倒，中性軸也不斷向后移動(dòng)。

爆破拆除預(yù)期效果的實(shí)現(xiàn)取決于爆破切口形成后，頂上部分的傾倒趨勢(shì)所造成的應(yīng)力是否會(huì)超出殘余支撐部分的抵抗能力。因此，這里的應(yīng)力分析是關(guān)鍵。殘余支撐部分會(huì)同時(shí)受到拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的作用效果，如公式（1）、公式（2）所示。

（1）

式中：σF為煙囪頂上部分在傾倒過(guò)程中給殘余支撐部分的拉應(yīng)力；M為煙囪頂上部分在傾倒過(guò)程中所受到的傾覆力矩；m為煙囪頂上部分的質(zhì)量；g為重力加速度；r為殘余支撐部分的內(nèi)部半徑；A為殘余支撐部分的橫截面積；e為殘余支撐部分的偏心距距離；I為殘余支撐部分所受到的慣性矩。

（2）

式中：σD為煙囪頂上部分在傾倒過(guò)程中給殘余支撐部分的壓應(yīng)力；M為煙囪頂上部分在傾倒過(guò)程中所受到的傾覆力矩；m為煙囪頂上部分的質(zhì)量；g為重力加速度；β為殘余支撐部分對(duì)應(yīng)圓心角大小的一半；r為殘余支撐部分的內(nèi)部半徑；A為殘余支撐部分的橫截面積；e為殘余支撐部分的偏心距距離；I為殘余支撐部分所受到的慣性矩。

2 煙囪爆破中的定向傾倒動(dòng)力學(xué)分析

前面的工作分析了煙囪爆破過(guò)程中的失穩(wěn)機(jī)理，并詳細(xì)闡述了4個(gè)環(huán)節(jié)的狀態(tài)。接下來(lái)，對(duì)煙囪爆破過(guò)程中的定向傾倒進(jìn)行進(jìn)一步的動(dòng)力學(xué)分析。在整個(gè)煙囪的爆破過(guò)程中，爆破界面的頂上部分是否發(fā)生傾倒以及怎樣傾倒是決定爆破成敗的關(guān)鍵。在這一過(guò)程中，頂上部分還會(huì)伴隨發(fā)生整體下坐、傾倒旋轉(zhuǎn)過(guò)程中斷裂、斷裂后前沖或斷裂后后坐等現(xiàn)象。

一旦頂上部分的傾倒趨勢(shì)形成，那么必將以拉力、壓力、剪切力等形式破壞頂上部分和煙囪本體的殘余接觸。殘余接觸部分一般會(huì)從外壁開(kāi)始出現(xiàn)斷裂，對(duì)由鋼筋混凝土材料制成的煙囪來(lái)說(shuō)，鋼筋先會(huì)在頂上部分傾倒過(guò)程中被拔出拉脫，然后成型的混凝土被破壞。這一過(guò)程的示意圖如圖2所示。

在煙囪爆破傾倒過(guò)程中，頂上部分和煙囪本體的殘余支撐所受到的剪切力如公式（3）所示。

（3）

式中：FQ為頂上部分和本體的殘余支撐所受到的剪切力；θ為頂上部分脫離煙囪本體發(fā)生傾倒的旋轉(zhuǎn)角度；θ0為頂上部分脫離煙囪本體即將發(fā)生傾倒的初始角度；m為煙囪頂上部分的質(zhì)量；l為殘余接觸界面的中性軸到頂上部分中心的距離；ε為頂上部分脫離煙囪本體發(fā)生傾倒的加速度；H為脫離煙囪本體的頂上部分的高度；R為煙囪頂上部分的外徑；K為煙囪頂上部分的外徑的變化率；ω為頂上部分脫離煙囪本體發(fā)生傾倒的角速度；ω0為頂上部分脫離煙囪本體發(fā)生傾倒的初始角速度。

在煙囪爆破傾倒過(guò)程中，頂上部分和煙囪本體的殘余支撐所受到的垂直支撐力如公式（4）所示。

FV=mg+[mlε+ω0H（2R-KH）][tanθcos（θ0+θ）-sin（θ0+θ）]-mlω2[tanθsin（θ0+θ）+cos（θ0+θ）] " " "（4）

式中：FV為頂上部分和煙囪本體的殘余支撐所受到的垂直支撐力；θ為頂上部分脫離煙囪本體發(fā)生傾倒的旋轉(zhuǎn)角度；θ0為頂上部分脫離煙囪本體即將發(fā)生傾倒的初始角度；m為煙囪頂上部分的質(zhì)量；l為殘余接觸界面的中性軸到頂上部分中心的距離；ε為頂上部分脫離煙囪本體發(fā)生傾倒的的加速度；H為脫離煙囪本體的頂上部分的高度；R為煙囪頂上部分的外徑；K為煙囪頂上部分的外徑的變化率；ω為頂上部分脫離煙囪本體發(fā)生傾倒的角速度；ω0為頂上部分脫離煙囪本體發(fā)生傾倒的初始角速度。

3 煙囪定向爆破動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)分析結(jié)果

在前面的工作中，對(duì)煙囪定向爆破過(guò)程中失穩(wěn)傾倒的4個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了闡述并分析了其動(dòng)力學(xué)機(jī)理。為了提升煙囪定性爆破過(guò)程的安全性，本文提出了一種動(dòng)力學(xué)分析方法。在這一方法中，煙囪定向爆破的失穩(wěn)過(guò)程被劃分為4個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)而對(duì)煙囪傾倒過(guò)程中的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪切力、垂直支撐力進(jìn)行力學(xué)建模。在接下來(lái)的工作中，將通過(guò)試驗(yàn)對(duì)煙囪定向爆破過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行驗(yàn)證。

在試驗(yàn)過(guò)程中，選取了2個(gè)實(shí)際的爆破案例，第一個(gè)案例中的煙囪高度為180m，第二個(gè)案例中的煙囪高度為210m。2個(gè)案例中的煙囪均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土材料的密度為3000kg/m3。試驗(yàn)環(huán)境中取自然風(fēng)速，風(fēng)速大小為2.0m/s。第一組試驗(yàn)先考察煙囪定向爆破傾倒的角度和中性軸后移過(guò)程中的角度變化關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。按照公式（3）和公式（4）計(jì)算傾角，而公式（3）和公式（4）的部分參數(shù)計(jì)算需要使用公式（1）和公式（2）。為了便于說(shuō)明數(shù)據(jù)產(chǎn)生的過(guò)程，以煙囪傾角為θ=0.48°為輸入，計(jì)算中性軸后移角度。

此時(shí)，各參數(shù)的值如下：煙囪傾角θ為0.48°，即將發(fā)生傾倒的初始角度θ0=44.52°，煙囪脫離本體的高度H=80m，煙囪頂上部分的外徑R=2m，頂上部分脫離煙囪本體發(fā)生傾倒的加速度ε=0.03m/s2，重力加速度g=9.8m/s2，煙囪頂上部分的外徑的變化率K=0.03，頂上部分脫離煙囪本體發(fā)生傾倒的初始角速度ω0=0.05rad/s，頂上部分脫離煙囪本體發(fā)生傾倒的角速度ω=0.11rad/s，表示頂上部分和煙囪本體的殘余支撐所受到的垂直支撐力FV=6012N，根據(jù)公式（1）和公式（2）得到，煙囪頂上部分的質(zhì)量m=40000kg，將上述數(shù)據(jù)代入公式（4），可以計(jì)算出中性軸到頂上部分中心的距離l=90m，又因?yàn)闊焽韪叨葹?80m，所以可以計(jì)算中性軸后移角度為60°。

由此可知，當(dāng)橫坐標(biāo)煙囪傾角θ為0.48°時(shí)，縱坐標(biāo)中性軸后移角度為60°。

按照同樣的方法可以得到圖中曲線(xiàn)上各組對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，從而繪制出曲線(xiàn)結(jié)果，如圖3所示。

在煙囪定向爆破的過(guò)程中，煙囪頂上部分的傾斜角度越大，中性軸后移的角度變化越小。2個(gè)高度的煙囪都表現(xiàn)出了這個(gè)共同的特征。但相對(duì)來(lái)說(shuō)，煙囪高度越高，這種方向的關(guān)系越劇烈；煙囪高度越低，這種方向的關(guān)系越舒緩。

第二組試驗(yàn)考察煙囪定向爆破傾倒的角度和煙囪傾倒的角加速度變化關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在煙囪傾倒過(guò)程中，傾角越大，煙囪傾倒的角加速度越快。在起初階段，煙囪傾角和煙囪傾倒角加速度變化關(guān)系接近線(xiàn)性變化。其后，二者的關(guān)系接近水平直線(xiàn)。這一組試驗(yàn)結(jié)果也表明，煙囪高度的差異對(duì)二者關(guān)系變化曲線(xiàn)影響不大，只有幅度上的微小減弱。

第三組試驗(yàn)考察煙囪定向爆破傾倒的角度和煙囪傾倒的角速度變化關(guān)系，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，在煙囪傾倒過(guò)程中，煙囪傾角和煙囪傾倒角速度變化關(guān)系始終接近于線(xiàn)性變化。煙囪傾角越大，煙囪傾倒角速度越快，并且這種關(guān)系不受煙囪高度差異的太大影響。

綜上所述，在試驗(yàn)過(guò)程中，選取180m和210m的2個(gè)煙囪爆破案例作為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)煙囪傾角-中性軸后移角度、煙囪傾角-煙囪傾倒角加速度、煙囪傾角-煙囪傾倒角速度3組曲線(xiàn)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和試驗(yàn)過(guò)程分析。綜合3組試驗(yàn)的分析可以看出，煙囪傾角越大，中性軸后移的角度會(huì)越小，而煙囪傾倒角速度和角加速度會(huì)越來(lái)越快。可見(jiàn)，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)的分析方法可以得到幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的量化分析結(jié)果，可以對(duì)煙囪爆破過(guò)程的安全性進(jìn)行預(yù)判。

4 結(jié)語(yǔ)

從4個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)煙囪定向爆破過(guò)程中的失穩(wěn)傾倒進(jìn)行分析：第一個(gè)環(huán)節(jié)，炸藥爆炸在煙囪原有結(jié)構(gòu)上形成爆破切口；第二個(gè)環(huán)節(jié)，中性軸形成并且位置逐漸向后移動(dòng)；第三個(gè)環(huán)節(jié)，斷裂的部分結(jié)構(gòu)發(fā)生定軸旋轉(zhuǎn)；第四個(gè)環(huán)節(jié)，斷裂的部分結(jié)構(gòu)塌落直至與地面接觸并達(dá)成穩(wěn)態(tài)。基于此，構(gòu)建了煙囪定向爆破的多參數(shù)動(dòng)力學(xué)分析模型，從而對(duì)2個(gè)實(shí)際的定向爆破案例進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。試驗(yàn)結(jié)果得到的3組曲線(xiàn)變化證實(shí)了可以通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析有效地控制煙囪定向爆破過(guò)程，從而提升爆破過(guò)程的安全性。

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