周俊珍， 李科斌

(1.湖南鐵軍工程建設(shè)有限公司， 湖南 長沙 410003；2.安徽理工大學(xué) 化學(xué)與工程學(xué)院， 安徽 淮南市 232001)

0 引 言

高聳煙囪在傾倒過程中發(fā)生空中折斷是爆破拆除施工中較為常見的現(xiàn)象，一般見于磚煙囪和超過150 m的鋼筋混凝土煙囪，冷水江電廠煙囪爆破中，240 m煙囪傾倒不久后便在上部發(fā)生折斷，折斷現(xiàn)象一方面在一定程度上縮小了倒塌范圍，降低了整體塌落振動(dòng)，但另一方面也容易形成安全隱患，導(dǎo)致工程事故發(fā)生。文獻(xiàn)[1]已通過力學(xué)分析從理論上解釋了折斷機(jī)理，本文將對(duì)240 m鋼筋混凝土煙囪發(fā)生空中折斷進(jìn)行進(jìn)一步的解釋和研究，并探討其影響因素，最終運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA程序重現(xiàn)空中折斷過程，得出模擬數(shù)據(jù)。

1 空中斷裂現(xiàn)象的力學(xué)模型

為便于建立數(shù)學(xué)模型和計(jì)算，將煙囪簡化為等直徑筒體[2]，即煙囪內(nèi)外半徑不隨高度變化，將鋼筋和混凝土等效為一種均質(zhì)材料，同時(shí)假定煙囪定向傾倒時(shí)的支點(diǎn)位于煙囪軸線底部并忽略空氣阻力的影響(如圖1a)，取轉(zhuǎn)角為φ時(shí)距離煙囪底部r的任一單元體A(如圖1b)，其截面積為S，密度為ρ，轉(zhuǎn)動(dòng)切向速度為ν，于是重力P=ρSgdr，煙囪整體和單元體受力情況如圖1所示。

通過力學(xué)分析，由達(dá)朗貝爾原理可知：

(1)

化簡并由轉(zhuǎn)動(dòng)方程有：

(2)

式中H0為煙囪高度。

圖1 煙囪傾倒轉(zhuǎn)動(dòng)受力分析

式(2)即是煙囪傾倒轉(zhuǎn)動(dòng)φ角度時(shí)r高度上截面所受剪切力，為求得最大剪切力的值及所在位置，可繼續(xù)對(duì)式(2)求r的偏微分，即令?τr/?r=0，得：

(3)

同理可得彎矩方程為

(4)

(5)

煙囪傾倒過程中，筒體發(fā)生折斷的力學(xué)解釋正是剪切破壞或受彎破壞[3]，并可根據(jù)最大剪力和最大彎矩公式預(yù)測折斷發(fā)生時(shí)煙囪的傾倒角度φ，但需要說明的是，由于實(shí)際爆破中煙囪筒體直徑變化，材料強(qiáng)度不同，尤其是鋼筋混凝土中鋼筋的作用，實(shí)際折斷位置及角度需綜合考慮各因素。

2 煙囪空中斷裂的影響因素

判斷煙囪倒塌過程中是否發(fā)生空中折斷主要依據(jù)煙囪某一截面的彎矩或者剪力是否達(dá)到其抗彎或抗剪強(qiáng)度[4]。假定煙囪各處材料性能一致，且無原有裂縫的存在，則判斷最大剪切力和最大彎矩是否大于抗剪強(qiáng)度或抗壓強(qiáng)度就能確定具體折斷方式和折斷位置，根據(jù)前一節(jié)的分析可知，折斷發(fā)生的位置最有可能在煙囪1/3或2/3高度處。

因此，煙囪傾倒過程發(fā)生突然折斷從力學(xué)上分析的原因是受剪破壞或受彎破壞，但實(shí)際爆破拆除中，高聳煙囪發(fā)生空中折斷還與以下因素有關(guān)。

(1) 煙囪材料。不同材料的煙囪發(fā)生空中折斷的原因不同，如對(duì)于磚煙囪，一般是受剪折斷，而強(qiáng)度較高的鋼筋混凝土煙囪，折斷主要是因?yàn)槭軓澠茐摹?/p>

(2) 煙囪結(jié)構(gòu)。由于高度不同，煙囪結(jié)構(gòu)有所差別，高度較小的煙囪內(nèi)外半徑近似呈線性減小，而高度較大的煙囪，煙囪上部直徑和厚度減小程度明顯，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，即高度越大，安全系數(shù)越小，最危險(xiǎn)截面位置也將上移。

(3) 風(fēng)化程度。一般所要爆破拆除的煙囪多為經(jīng)過了很長一段時(shí)間的使用，由于風(fēng)吹雨打，年久失修，風(fēng)化嚴(yán)重，筒體尤其是中上部強(qiáng)度降低很多，甚至出現(xiàn)輕微細(xì)小裂縫，這對(duì)于爆破過程中發(fā)生折斷的影響是非常大的。

(4) 爆炸荷載。文獻(xiàn)表明，爆破瞬間將產(chǎn)生明顯的沖擊荷載，在最薄弱截面處可能產(chǎn)生輕微裂縫，進(jìn)而在傾倒過程中形成應(yīng)力集中，裂紋不斷擴(kuò)展，進(jìn)而折斷。也有學(xué)者稱其為回程應(yīng)力波[6]的作用。

3 空中斷裂在數(shù)值模擬中的實(shí)現(xiàn)

3.1 實(shí)際爆破空中斷裂情況

圖2展示了冷水江金竹山電廠240 m鋼筋混凝土煙囪發(fā)生空中折斷的實(shí)際情況。240 m煙囪的折斷發(fā)生在傾倒轉(zhuǎn)角約為10°時(shí)，如圖中φ角，折斷處高度為158.5 m，與煙囪總體高度比值為0.66，正好是2/3高度處，即剪力最大處。通過前兩節(jié)的分析，可對(duì)本次煙囪群爆破倒塌折斷現(xiàn)象作如下解釋：

由于炸藥量大，起爆瞬間的突加沖擊荷載，使原本強(qiáng)度薄弱的中上部筒體出現(xiàn)微小裂紋根據(jù)實(shí)際傾倒中出現(xiàn)局部飛塵推斷)，上下筒體直徑的顯著差異使得理論最大彎矩位置上移(根據(jù)實(shí)際傾倒中中上部出現(xiàn)明顯變形推斷)，而后傾倒過程中由于剪切力和彎矩的共同作用，在裂紋生成處出現(xiàn)應(yīng)力集中，達(dá)到抗剪或抗彎強(qiáng)度使材料失效破壞，斷裂發(fā)生。

圖2 240 m煙囪群倒塌過程的空中折斷

3.2 空中斷裂數(shù)值模擬過程

依據(jù)煙囪設(shè)計(jì)資料按筒體實(shí)際半徑和材料性能建模，建立有限元模型如圖3所示，其中對(duì)煙囪上部進(jìn)行了微小的弱化處理，以符合實(shí)際中由于年久失修引起的材料強(qiáng)度的降低。

圖3 240 m煙囪整體式模型

在LS-PREPOST后處理器中顯示求解結(jié)果，如圖4所示。

從傾倒折斷過程可以看出，由于240 m上下部分半徑的劇烈變化，上部具有很大的柔性，隨著切口形成后煙囪的定向轉(zhuǎn)動(dòng)，整個(gè)筒體發(fā)生明顯的變形，觀察7.5 s時(shí)的拉應(yīng)力分布，可知在2/3高度區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中，隨著切口上沿觸地，切口閉合完成(7.4 s)，此時(shí)開始出現(xiàn)折斷裂紋(傾角約12°，高度約159 m)，而究其原因，除上文提及的材料強(qiáng)度弱化、自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、彎矩和剪應(yīng)力達(dá)到較大值外，由于預(yù)留支撐區(qū)迅速破壞導(dǎo)致的微小下坐在切口閉合瞬間產(chǎn)生的慣性作用也是折斷的重要原因之一，這一結(jié)論是從煙囪折斷與切口閉合時(shí)間的吻合上推測得到的。

圖4 240 m鋼筋混凝土煙囪空中折斷模擬結(jié)果

圖4中(b)、(c)圖顯示了煙囪產(chǎn)生的裂紋隨著傾倒的進(jìn)行不斷發(fā)展擴(kuò)大，直至貫通，筒體在2/3高度處一分為二，從(c)圖中還可以看出，9.3 s時(shí)上部筒體又出現(xiàn)新的裂紋；傾倒至12.3 s時(shí)，由于上下筒體折斷時(shí)上部筒體已有了初速度，垂直下落的同時(shí)在水平向前也有位移，加之上下筒體間相互接觸作用以及新裂紋的產(chǎn)生，共同導(dǎo)致上部筒體邊傾斜邊斷裂成兩截，一截在空中與下部筒體碰撞解體，另一截則獨(dú)自下落(14.0 s)；14.8 s時(shí)，上部筒體兩截基本解體完全，下部筒體則繼續(xù)傾倒。

圖4中(d)～(f)圖表明煙囪上部經(jīng)二次折斷后，上下兩截形成了兩種不同的運(yùn)動(dòng)和破壞方式，圖5和圖6分別顯示了上截頂部單元A和下截底部單元B在X向的位移和在Y向的速度。

對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)際折斷過程，兩者在上下筒體折斷時(shí)間、折斷位置及破壞規(guī)律上基本一致，所不同的是數(shù)值模擬結(jié)果出現(xiàn)了上部筒體在空中二次折斷的現(xiàn)象，影響了上部筒體的運(yùn)動(dòng)方式，這可能是由于模擬中材料強(qiáng)度的選取與實(shí)際存在差異造成的，因此選擇的材料參數(shù)與實(shí)際越接近，得到的模擬結(jié)果也將越符合真實(shí)情景。

4 結(jié) 論

(1) 通過煙囪空中折斷的力學(xué)模型，推導(dǎo)出高聳煙囪筒體各處剪切力和彎矩的理論計(jì)算公式，并得到最大剪切力和最大彎矩的位置分別在2/3H0和1/3H0處；

(2) 分析歸納了影響煙囪折斷的因素，煙囪折斷是各因素綜合作用的結(jié)果；

(3) 建立了冷水江電廠240 m煙囪空中折斷的有限元模型，分析研究了整體與局部單元的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，模擬結(jié)果基本與真實(shí)情景相符。

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