李　勇，池恩安，3，張義平，何　松，李　偉，劉茂新

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴陽(yáng) 550003；2.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550003；3.貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司，貴陽(yáng) 550002)

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復(fù)雜環(huán)境下高危雙曲線冷卻塔爆破拆除*

李勇1，2，池恩安1，2，3，張義平1，2，何松1，2，李偉1，2，劉茂新1，2

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴陽(yáng) 550003；2.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550003；3.貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司，貴陽(yáng) 550002)

摘要:針對(duì)在復(fù)雜環(huán)境下一座高86 m的冷卻塔，其部分塔壁、圈梁和人字柱已被機(jī)械拆除損毀的特殊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)用定向爆破技術(shù)拆除高危冷卻塔。在確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和不造成二次破壞的情況下，利用機(jī)械開(kāi)設(shè)高減荷槽、定位窗和泄壓窗等措施，以損毀部分塔壁作為爆破切口為基礎(chǔ)，對(duì)爆破切口內(nèi)的人字柱、圈梁進(jìn)行爆破；運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA 建立分離式共節(jié)點(diǎn)模型，對(duì)其倒塌過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)而對(duì)爆破方案進(jìn)行驗(yàn)證并為其優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞:復(fù)雜環(huán)境；高危冷卻塔；爆破拆除；數(shù)值模擬

雙曲線鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)冷卻塔具有高大壁薄、高寬比小(1.2～1.4)、重心偏低、截面直徑不斷變化的特殊造型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其爆破拆除帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。對(duì)此，許多學(xué)者在雙曲線冷卻塔爆破拆除領(lǐng)域做出了很多研究成果，如：王永慶在復(fù)雜環(huán)境下雙曲線冷卻塔爆破拆除方面做了研究[1]；傅建秋和薛里都研究了爆破切口大小和高度對(duì)冷卻塔順利倒塌的重要性[2，3]；付天杰對(duì)豎向切縫在高大冷卻塔拆除爆破中的作用進(jìn)行了研究[4]；詹振鏘和李勝林對(duì)冷卻塔爆破拆除傾倒過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[5，6]。

位于貴陽(yáng)市城區(qū)中心的一座高86 m冷卻塔，其冷卻塔塔壁、圈梁、人字柱承重結(jié)構(gòu)部分已被機(jī)械拆除，打破了冷卻塔的受力平衡狀態(tài)，現(xiàn)已成為高危構(gòu)筑物(見(jiàn)圖1)，務(wù)必及時(shí)爆破拆除，以防在自然因素(風(fēng)荷載)等其他外力作用下發(fā)生倒塌造成不堪設(shè)想的后果。因此，對(duì)設(shè)計(jì)安全、合理、經(jīng)濟(jì)的爆破設(shè)計(jì)方案提出了更加苛刻的要求，這在國(guó)內(nèi)尚首次。同時(shí)應(yīng)用大型動(dòng)力有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA 建立分離式共節(jié)點(diǎn)模型，對(duì)冷卻塔的倒塌過(guò)程進(jìn)行預(yù)演，進(jìn)一步對(duì)爆破方案進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，做到精準(zhǔn)無(wú)誤、安全順利倒塌。

1工程概況

冷卻塔位于貴州省貴陽(yáng)發(fā)電廠廠內(nèi)，其四面都由圍墻包圍，冷卻塔北側(cè)和西側(cè)都有大量民房，北側(cè)最近距離為21 m，東側(cè)最近距離為15 m，東側(cè)為河流，距冷卻塔最近距離46 m，南側(cè)60 m處是鐵路高架橋(川黔鐵路貨車(chē)外繞黔靈山至關(guān)田區(qū)間)，高26 m。冷卻塔周?chē)h(huán)境具體情況見(jiàn)圖2所示。

2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

冷卻塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由環(huán)形基礎(chǔ)、人字形柱、環(huán)形梁和通風(fēng)筒四部分構(gòu)成。冷卻塔高86 m，底部直徑為60 m，頂部直徑為38 m，中間咽喉部最小直徑30 m；人字型立柱高5.5 m，橫截面尺寸為0.4 m×0.4 m，共40對(duì)人字形柱，總計(jì)80根立柱；人字柱上部是高1 m、厚0.5 m的鋼筋混凝土圈梁，圈梁以上塔壁厚度20 cm。

目前，冷卻塔部分塔壁、圈梁和人字柱已被機(jī)械冷拆除，結(jié)構(gòu)整體性遭到破壞，共拆除15根人字形立柱，所對(duì)應(yīng)的圈梁部分已被拆除、塔壁也有部分進(jìn)行了破壞，被拆除部分最大高度為8.5 m，長(zhǎng)度為31 m，約占冷卻塔底部周長(zhǎng)的17%。

3難點(diǎn)分析

(1)從冷卻塔周?chē)h(huán)境考慮，需保護(hù)的建(構(gòu))筑物離待爆冷卻塔距離較近，且民房為磚混結(jié)構(gòu)抗震性能差，最近距離僅有15 m，南邊60 m處為高26 m的鐵路高架橋和在建鐵路橋，爆破時(shí)務(wù)必準(zhǔn)確控制倒塌方向，需對(duì)爆破飛石、爆破振動(dòng)、爆破沖擊波以及冷卻塔倒塌觸地振動(dòng)進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保周?chē)ㄖ锏陌踩?/p>

(2)冷卻塔局部承重結(jié)構(gòu)前期已被機(jī)械冷拆除、結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性已被破壞，在確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和不造成二次破壞的情況下，對(duì)冷卻塔進(jìn)行預(yù)拆除條件差，可供選擇的爆破技術(shù)方案少且技術(shù)要求高。

(3)因冷卻塔爆破環(huán)境較復(fù)雜，可供選擇的倒塌方向有限，且其坍塌落地的空間有限，需精確設(shè)計(jì)爆破切口。

(4)冷卻塔已成高危建筑，需即刻安全拆除，工期要求緊，任務(wù)重。

4爆破方案

4.1方案選擇

對(duì)于結(jié)構(gòu)整體性完好的冷卻塔，倒塌方式有原地坍塌和定向倒塌。如果采用原地坍塌爆破方案，首先，冷卻塔是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，經(jīng)多年風(fēng)化其四周強(qiáng)度不一致；其次，冷卻塔部分承重結(jié)構(gòu)已被機(jī)械拆除，整體完整性已被破壞，原受力平衡狀態(tài)被打破。上述兩個(gè)因素在冷卻塔原地坍塌過(guò)程中無(wú)法確保四周破壞一致，將會(huì)出現(xiàn)任意方向的倒塌，導(dǎo)致意外事故。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察與分析，對(duì)冷卻塔采用定向倒塌爆破拆除，倒塌方向中心線東偏南42°。

4.2爆破切口設(shè)計(jì)

采用定向倒塌爆破時(shí)，爆破切口的位置是冷卻塔能否按照設(shè)計(jì)方向倒塌的關(guān)鍵。爆破切口位置以損毀部分為中心，沿倒塌方向中心線向兩邊對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)。

爆破切口形狀采用正梯形[7]，冷卻塔底部半徑為30 m，周長(zhǎng)為188.4 m，冷卻塔爆破高度H取6.5 m，H=人字形立柱高度+圈梁高度=5.5 m+1 m=6.5 m。切口長(zhǎng)度取其底部圈梁周長(zhǎng)的0.6倍，切口的圓心角為220°，共計(jì)人字形立柱24對(duì)。為了確保冷卻塔的順利倒塌及充分解體，在爆破切口上方的塔壁上開(kāi)設(shè)4個(gè)減荷槽。為了降低冷卻塔倒塌塔內(nèi)壓縮空氣沖擊的危害，在倒塌方向反方向中心線上距離地面11.5 m處(圈梁上方)，開(kāi)一個(gè)2 m×4 m的泄壓窗口。 爆破切口見(jiàn)圖3所示。

4.3爆破參數(shù)

依照“多打孔，少裝藥”的原則，最大程度控制爆炸沖擊波、爆破振動(dòng)、爆破飛石等有害效應(yīng)，保護(hù)周邊鐵路橋及建筑物的安全。冷卻塔人字柱、圈梁孔網(wǎng)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　冷卻塔爆破切口孔網(wǎng)參數(shù)表

4.4起爆網(wǎng)路

采用塑料導(dǎo)爆管雷管，2#巖石乳化炸藥，雷管選用1段、7段、15段非電導(dǎo)爆管毫秒延期雷管，1段用于傳爆連接、7段用于孔外微差，15段用于孔內(nèi)延時(shí)，孔內(nèi)20個(gè)為一束簇聯(lián)，采用交叉復(fù)式網(wǎng)路。起爆網(wǎng)路連接示意圖見(jiàn)圖4、圖5。

5安全防護(hù)措施

冷卻塔定向爆破拆除主要存在三大安全問(wèn)題[8]： 一是冷卻塔的爆破振動(dòng)和觸地振動(dòng)；二是爆破飛石；三是爆破空氣沖擊波。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查鑒定，冷卻塔離周邊民房近且多為自建，為磚混結(jié)構(gòu)抗震性能差，為防止炸藥爆炸和冷卻塔筒體觸地引起的振動(dòng)以及飛石對(duì)鐵路高架橋和建筑物造成損害，采取如下防護(hù)措施：(1)挖設(shè)2道減震溝，寬度2～3 m，深3～4 m；(2)用沙袋敷設(shè)4道減震緩沖堤，前三道緩沖堤長(zhǎng)55 m、高 2 m、寬4 m，間隔4 m，特別地，為防止冷卻塔觸地沖擊將導(dǎo)致頂端部分塔壁沖入河流，最外側(cè)一道鋪設(shè)角度為50°的梯形緩沖防護(hù)墻，長(zhǎng)40 m、高6.5 m，底寬12 m；(3)架設(shè)防護(hù)排架。減震溝、緩沖堤、防護(hù)排架示意圖見(jiàn)圖6。

6數(shù)值模擬及爆破效果分析

6.1數(shù)值模擬及分析

采用ANSYS/LS-DYNA軟件建立分離式共節(jié)點(diǎn)模型對(duì)冷卻塔爆破拆除倒塌過(guò)程進(jìn)行模擬[9]，鋼筋采用桿單元beam161，混凝土采用實(shí)體單元solid164，鋼筋混凝土材料選取“MAT_PLASTIC_KINEMATIC”進(jìn)行定義，密度為2500 kg/m3，彈性模量0.5%，鋼筋彈性模量210 GPa，屈服極限240 MPa。

爆破切口選取“MAT_ADD_ERP-SION”關(guān)鍵字定義為時(shí)間失效準(zhǔn)則，達(dá)到失效時(shí)間后即自動(dòng)刪除。模型中同時(shí)建立減震溝、橋墩、緩沖堤等周邊建(構(gòu))筑物。經(jīng)過(guò) ANSYS /LS-DYNA 后處理程序運(yùn)算后可以對(duì)冷卻塔倒塌的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行觀察與分析，冷卻塔倒塌過(guò)程模擬圖見(jiàn)圖7所示。

從圖7中可以看到冷卻塔在1.5 s時(shí)爆破切口閉合，以一定的初速度向預(yù)定方向微傾斜；在3.5 s時(shí)爆破切口上部的塔壁，在自重、傾覆力矩的作用下完全損毀，筒體開(kāi)始自由坍落，同時(shí)塔壁也出現(xiàn)扭曲、撕裂，支撐立柱受拉加劇，仍沿預(yù)定方向倒塌；在5.25 s時(shí)冷卻塔塔壁已經(jīng)嚴(yán)重扭曲、撕裂變形，部分保留支撐柱在傾覆力矩和慣性的作用下被拉斷；在7 s時(shí)冷卻塔完全坍落觸地，塔壁成扁平狀，保留支撐柱被全部拉斷。

6.2爆破效果及分析

人字柱和圈梁以倒塌中心線向兩邊先后起爆，爆破切口形成以后，冷卻塔向缺口方向傾斜；約2 s后切口閉合且其上部迅速形成一條水平裂縫；約在4 s后冷卻塔加速坍落，塔壁開(kāi)始出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)、撕裂；約在6 s后冷卻塔在空中產(chǎn)生極大扭曲、變形；約在8 s后冷卻塔完全坍落觸地，爆堆高度約為2 m。圖8為冷卻塔爆破倒塌過(guò)程，整個(gè)倒塌過(guò)程歷時(shí)約8 s。

綜合比較分析：(1)塔倒塌過(guò)程的數(shù)值模擬和實(shí)際爆破倒塌過(guò)程，兩者運(yùn)動(dòng)規(guī)律基本一致，都為扭曲、撕裂、自由坍落；(2)兩者倒塌過(guò)程歷時(shí)都為8 s，且其倒塌范圍大體一致；(3)塔壁的模型材料是理想狀態(tài)下的，而冷卻塔本身材料隨著時(shí)間的推移變得十分復(fù)雜，故兩者在倒塌破壞過(guò)程中形態(tài)不一致。

7結(jié)語(yǔ)

雙曲線冷卻塔由于其特殊的造型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，爆破拆除冷卻塔，其倒塌過(guò)程復(fù)雜，難以在理論上做出準(zhǔn)確的描述。通過(guò)ANSYS/LS-DYNA軟件建立分離式共節(jié)點(diǎn)模型對(duì)冷卻塔爆破拆除倒塌過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)爆破方案進(jìn)行預(yù)演，從而驗(yàn)證方案的可行性以及為優(yōu)化爆破方案提供參考。

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Explosive Demolition of High-risk Hyperbolic Cooling Tower under Complex Environment

LIYong1，2，CHIEn-an1，2，3，ZHANGYi-ping1，2，HESong1，2，LIWei1，2，LIUMao-xin1，2

( 1.School of Mining ，Guizhou University，Guiyang 550003，China;2.State Key Laboratory of Guizhou Comprehensive Utilization of Non-metallic Mineral Resources， Guiyang 550003，China;3.Guizhou Xianlian Blasting Engineering Group Co Ltd， Guiyang 550002，China)

Abstract:An 86 m high cooling tower under the complex environment,with the character of broken tower wall,broken ring beam and broken herringbone column,was demolished by using directional blasting technology.To ensure the stable structure and without secondary damage,the herringbone column and ring beam in blasting incision were blasted based on the pretreatment measures of the pre off-loading groove,the orientation cut and the pressure release cut.The disconnect-type conode was built by using the ANSYS/LS-DYNA to simulate the collapse process,and further verification of blasting scheme was permed to provide a reference for the optimization.

Key words:complex environment; high-risk cooling tower; blasting demolition; numerical simulation

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.020

收稿日期:2016-01-27

作者簡(jiǎn)介:李勇(1988-)，男，湖南衡陽(yáng)人，貴州大學(xué)碩士研究生，主要從事爆破工程拆除爆破方向研究，(E-mail)850214461@qq.com。 通訊作者:池恩安(1968-)，男，貴州貴陽(yáng)人，博士、研究員，從事爆破工程方向研究，(E-mail)305310565@qq.com。

基金項(xiàng)目:貴州省優(yōu)秀青年科技人才培養(yǎng)對(duì)象專(zhuān)項(xiàng)資金(No.黔科合2013[30])；貴州大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(No.研理工2015071)

中圖分類(lèi)號(hào):TU746.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1001-487X(2016)02-0102-05