張西良，崔正榮，儀海豹，劉為洲，楊海濤

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2. 馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責任公司，安徽 馬鞍山 243000；3. 金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山 243000)

拆除爆破是采用炸藥爆炸能量拆除建(構(gòu))筑物的重要技術(shù)手段，在社會城鎮(zhèn)化建設過程中發(fā)揮了不可磨滅的作用。經(jīng)過多年的理論研究及拆除實踐，取得大量研究成果和總結(jié)經(jīng)驗。我國的馮叔瑜、汪旭光、于亞倫和謝先啟等[1-5]專家教授組織編寫了多部控制爆破著作，為拆除爆破理論與技術(shù)的發(fā)展奠定了堅實基礎；賈永勝、鐘明壽、張廣榮等[6-8]采用數(shù)值模擬手段研究了拆除爆破倒塌規(guī)律，并進行了現(xiàn)場實踐驗證。

本文以長江沿岸某廢棄高聳電塔為例，推導了電塔倒塌方向偏轉(zhuǎn)角理論公式，并研究了風向、風速和風振效應對電塔拆除爆破偏轉(zhuǎn)角的影響規(guī)律；最后通過組織設計施工，成功實現(xiàn)了電塔的定向拆除爆破，較好地驗證了理論分析的可靠性，對類似拆除爆破具有一定指導借鑒作用。

1 工程概況

“皖江第一跨”即 220 kV皖中大跨越，是安徽第1座220 kV大跨越長江輸電通道，擔負著安徽北部與華東電網(wǎng)聯(lián)絡重任。皖中大跨越采用耐-直-直-耐的跨越方式，長江兩岸各有一座分裂式混凝土塔，分別稱為南塔和北塔，兩塔跨越距離1 411 m。該線路于1960年建成投運，2014年退役。

北塔位于長江西岸和縣西梁山鎮(zhèn)聶莊村長江大堤外。北塔周邊地勢平坦，距西北側(cè)036縣道(長江大堤)89 m，距養(yǎng)殖大棚167 m，距北側(cè)小朱莊177 m，距東側(cè)長江203 m(見圖1)，周邊環(huán)境十分復雜。

圖1 電塔周圍環(huán)境Fig.1 Electric tower surroundings

電塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔高117 m(其中塔體結(jié)構(gòu)高105 m，塔頂Y型橫擔高12 m)，底部直徑13 m，頂部直徑4.0 m，塔筒壁厚0.2～0.4 m(底部壁厚大、上部壁厚小)。塔筒內(nèi)設有鋼梯，供檢修人員使用。電塔退役后，塔身混凝土風化開裂嚴重，甚至成塊脫落，影響塔筒結(jié)構(gòu)的安全。為消除塔體安全隱患，計劃予以爆破拆除。

該電塔拆除爆破的主要技術(shù)難點有：塔頂?shù)臋M擔未拆除，影響塔體偏轉(zhuǎn)角；塔體高度大，風荷載對偏轉(zhuǎn)角影響大；周邊需要保護對象多、環(huán)境復雜，爆破飛石和振動等危害控制難度大。

2 電塔倒塌方向偏轉(zhuǎn)角理論推導

假定爆破切口形成瞬間，切口底部余留支撐體截面上的應力按線彈性分布。根據(jù)材料力學知識，建立余留支撐體截面特性參數(shù)計算簡圖(見圖2)，圖中陰影部分為余留支撐體截面，ox方向為設計預傾倒方向；c為切口形成后余留支撐截面的形心；R1為切口底部筒體內(nèi)半徑；R2為外半徑。

圖2 爆破切口截面參數(shù)Fig.2 Section parameters of blasting cut

現(xiàn)將坐標原點移至c點，以cxy為參考坐標系，分析截面上的應力。余留支撐體截面上由自重產(chǎn)生的均布壓應力為

(1)

式中：G為切口底部截面以上結(jié)構(gòu)自重；A0為考慮配筋后的余留支撐體截面的折算面積。

在繞cy軸、cx軸的彎矩Mcy、Mcx共同作用下，截面上任一點的應力σ2為

(2)

此處Icxy=0，上式可簡化為

(3)

式中：Icx、Icy、Icxy分別為切口底部支撐體截面關(guān)于cx、cy軸的慣性矩和慣性積。

切口底部截面上任一點的合應力為σ=σ1+σ2。

假定點(x0,y0)為支撐體截面中性軸上任一點的坐標，則中性軸上各點的正應力均為0，將(x0,y0)代入應力表達式中，則有

(4)

中性軸方程為

(5)

中性軸斜率方程為

(6)

由于倒塌中心線與中性軸直線相互垂直，假設電塔傾倒偏轉(zhuǎn)角為φ，即倒塌方向與cx軸正向夾角(逆時針為正，順時針為負)，則有

(7)

(8)

3 風荷載對電塔倒塌方向影響分析

3.1 順風向風載下倒塌方向偏轉(zhuǎn)角計算

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[9]，垂直作用于電塔表面單位面積的風荷載標準值表示為

Wk=βzμzμsw0

(9)

式中：w0為基本風壓，對于高聳結(jié)構(gòu)物電塔采用1.1的增大系數(shù)；βz為距塔體底部高度z處的風振系數(shù)；μs為風荷載體型系數(shù)，取0.56；μz為風壓高度變化系數(shù)。

考慮到μz和βz在結(jié)構(gòu)高度方向的分布是頂部最大，為簡化計算，這里取沿最大風壓高度變化系數(shù)μzmax和結(jié)構(gòu)頂部的風振系數(shù)βzmax計算風荷載標準值，即

Wk=1.1βzmaxμzmaxμsw0

現(xiàn)場風荷載作用對電塔產(chǎn)生傾倒旋轉(zhuǎn)彎矩(側(cè)向彎矩)。將風荷載等效為均布荷載作用于電塔表面，計算爆破切口底部風載傾覆彎矩時，將塔體的受荷面積等效成梯形截面(見圖3)。

圖3 風荷載計算Fig.3 Wind load calculation

混凝土塔體風載合力可表示為

(10)

式中：H為塔體結(jié)構(gòu)總高度，105 m；d為塔體結(jié)構(gòu)頂部直徑，4 m；D為塔體結(jié)構(gòu)底部直徑，13 m。

合力作用位置距離塔體底部高度為

(11)

假定切口底部距地面高度h0=0.5 m，均布風荷載在切口底面的彎矩Mw為

Mw=Fw(Hw-h0)+PW1(h1-h0)+PW2(h2-h0)

(12)

式中：PW1為下橫擔正面風荷載，kN；PW2為頂部兩橫擔正面風荷載，kN；h1為下橫擔的高度，88.5 m；h2為頂部兩橫擔的高度，100.75 m。

下部橫擔和頂部羊角橫擔處桁架和節(jié)點擋風的凈投影面積分別為23.47 m2和18.66 m2。計算得：PW1=3.57 kN，PW2=4.87 kN，Mw=1 345.06 kN。

同時考慮重力荷載和附屬鋼梯影響，通過計算得到基本風速v10=5.4 m/s(距地面10 m高度的風速)時，風向角α與倒塌偏轉(zhuǎn)角φ關(guān)系如圖4所示。

圖4 風向角與倒塌方向偏轉(zhuǎn)角關(guān)系Fig.4 Relationship between wind direction angle and collapse direction angle

可以看出，當基本風速一定時，倒塌偏轉(zhuǎn)角隨著風向的變化而改變；當預設倒塌方向逆時針旋轉(zhuǎn)90°與風向一致時，對塔體倒塌方向影響最大。

3.2 風速對倒塌方向偏轉(zhuǎn)角的影響

當基本風速不同時，作用于結(jié)構(gòu)高度的風振系數(shù)βz也不同，基本風速v10與風振系數(shù)最大值βz max的關(guān)系如圖5所示；順風向風載作用下，基本風速與切口底部的風荷載彎矩Mw的關(guān)系如圖6所示。

圖5 基本風速與βz max關(guān)系Fig.5 Relationship between basic wind speed and βzmax

圖6 基本風速與風荷載彎矩Mw關(guān)系Fig.6 Relationship between basic wind speed and Mw

隨著基本風速的增加，風振系數(shù)最大值βz max和風荷載彎矩Mw皆呈現(xiàn)不斷增大趨勢，進而對電塔的倒塌方向產(chǎn)生影響。

這里進一步計算出了不同風速下風向角與塔體倒塌偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系(見圖7)。

圖7 風向角與倒塌方向偏轉(zhuǎn)角關(guān)系Fig.7 Relationship between wind direction angle and collapse direction angle

塔體倒塌偏轉(zhuǎn)角隨著基本風速的增加而增大，且在風向角為100°時取得最大值。當基本風速在12 m/s以內(nèi)時，塔體倒塌偏轉(zhuǎn)角可控制在3.2°以內(nèi)。

3.3 橫風向風振效應對倒塌方向偏轉(zhuǎn)角的影響

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)，當雷諾數(shù)Re≥3.5×106，且結(jié)構(gòu)頂部風速的1.2倍大于臨界風速時，即1.2vH>vcr，應驗算共振響應。

雷諾數(shù)Re、臨界風速vcr、結(jié)構(gòu)頂部風速vH分別按照下式計算

Re=69 000vD

(13)

(14)

(15)

計算得到不同基本風速v10下，Re、vH和1.2vH數(shù)值如表1和圖8所示。

表1 不同基本風速下Re、vH和1.2vH數(shù)值表

圖8 不同基本風速下vcr和1.2vH關(guān)系Fig.8 Relationship between vcr and 1.2vH under different basic wind speeds

當1.2vH=vcr時，計算得到v10=6.52 m/s。因此，當基本風速v10>6.52 m/s時，適宜考慮橫風向共振效應(跨臨界范圍的強風共振)對塔體的影響。

對跨臨界的強風共振，在臨界風速vcr起始點高度H1以上至1.3vcr一段范圍內(nèi)均為共振鎖住區(qū)，基本風速均為vcr，存在以下關(guān)系

(16)

(17)

式中：H1為共振臨界風速起始高度，m；H2為共振鎖住區(qū)終點高度，當計算H2大于電塔高度時，取到結(jié)構(gòu)頂點，m；α為與地面類型相關(guān)的系數(shù)，取0.15。

計算得到基本風速與共振鎖住區(qū)高度的關(guān)系如圖9所示。

圖9 基本風速與共振鎖住區(qū)高度的關(guān)系Fig.9 Relationship between basic wind speed and the height of resonance lock zone

隨著基本風速的增大，共振鎖住區(qū)高度整體呈現(xiàn)逐漸減小趨勢。當基本風速為7.5～8.5 m/s時引起的橫風向共振效應最大；風速大于8.5 m/s后，共振鎖定區(qū)下移，結(jié)構(gòu)錐度增大，且振型系數(shù)小，可不考慮橫風向共振影響。

橫向共振引起的等效靜風荷載計算公式為

(18)

式中：λj為計算系數(shù)；Φj(z)為結(jié)構(gòu)的第j振型系數(shù)；ξj為結(jié)構(gòu)的阻尼比，混凝土結(jié)構(gòu)取0.05。

假定橫風向沿結(jié)構(gòu)高度均勻分布，分別計算得到不同基本風速下橫風向風荷載產(chǎn)生的彎矩，然后得到橫風向共振效應對倒塌方向偏轉(zhuǎn)角的影響曲線(見圖10和圖11)。

圖10 v10=8.5 m/s時倒塌方向偏轉(zhuǎn)角Fig.10 Deflection angle of collapse direction as v10=8.5 m/s

圖11 v10=7.5 m/s時倒塌方向偏轉(zhuǎn)角Fig.11 Deflection angle of collapse direction as v10=7.5 m/s

與順風向風載效應相比，考慮橫風向共振效應后，塔體的最大倒塌方向偏轉(zhuǎn)角顯著增加，引起最大偏轉(zhuǎn)角的風向也出現(xiàn)顯著變化。當風速在7.5～8.5 m/s時，橫風向共振效應明顯會使倒塌方向產(chǎn)生較大的偏轉(zhuǎn)角，這里對應的風向角與預定方向并不在90°附近。

4 考慮風荷載爆破拆除方案及參數(shù)

根據(jù)電塔周邊環(huán)境，為確保北塔拆除爆破安全，設計采用定向倒塌方案；倒塌方向與架線方向一致，南偏東56°。首先對跨越塔內(nèi)部的鋼梯進行預拆除，避免梯子對電塔的倒塌方向造成影響。然后按照設計的參數(shù)，在指定的位置開設定向窗和導向窗[10-12]，保證電塔倒塌方向的準確性。

圖12 電塔內(nèi)部鋼梯Fig.12 Steel ladder inside the electric tower

圖13 爆破定向窗Fig.13 Blasting directional window

根據(jù)工程實際經(jīng)驗并結(jié)合本工程特點，切口高度取3.6 m。設計爆破切口形狀為正梯形，切口角度210°。設計鉆孔直徑D為40 mm；采用正方形布孔方式，孔距a×排距b=30 cm×30 cm。

采用復式非電導爆管起爆系統(tǒng)；以倒塌方向為中心，左右各分為3個區(qū)，延時對稱起爆。

5 爆破危害效應控制及爆破效果

5.1 爆破危害控制措施

1)塌落振動控制。拆除爆破產(chǎn)生的振動效應包括爆破振動和建(構(gòu))筑物塌落的觸地振動[13-15]，而通常后者的振動強度要比爆破振動大，且頻率低，對四周民房等保護對象的危害也更大，因此，應以控制電塔倒塌觸地振動效應為主。

為減輕電塔傾倒落地后引起的觸地沖擊振動強度，在倒塌方向上分別在距離電塔水平距離30、60、80、95 m處各設置一道緩沖墻，作為塌落沖擊時的緩沖墊層。緩沖墻采用廢舊輪胎堆筑，高度為1.2 m。

2)爆破飛散物控制。為有效控制爆破飛散物的危害，設計采用12層密目安全網(wǎng)對爆破切口進行覆蓋防護，相鄰防護網(wǎng)采用鐵絲捆扎牢固，防止滑落。

5.2 拆除爆破效果

電塔拆除爆破效果如圖14和圖15所示。

圖14 爆破倒塌過程Fig.14 Blasting collapse process

圖15 爆破倒塌效果Fig.15 Blasting collapse effect

現(xiàn)場實測表明，電塔附近的基本風速在4～7 m/s；通過嚴格控制爆破參數(shù)、切口高度、起爆網(wǎng)路等，成功實現(xiàn)了電塔的定向爆破倒塌，消除了電塔安全隱患。現(xiàn)場實測表明，現(xiàn)場爆破后電塔按照設計傾倒方向進行倒塌，電塔實際傾倒偏轉(zhuǎn)角度在理論分析范圍內(nèi)，較好地驗證了理論分析的可靠性。

通過爆破安全防護，爆破飛石控制在30 m以內(nèi)，周邊民房等完好無損；現(xiàn)場監(jiān)測顯示，距離電塔90 m和170 m處的最大振動速度分別為1.38 cm/s和0.59 cm/s，振動速度在周邊設施的安全范圍內(nèi)。

6 結(jié)語

1)風荷載對電塔偏轉(zhuǎn)角影響分析是指導現(xiàn)場拆除爆破的重要理論依據(jù)。研究表明，倒塌偏轉(zhuǎn)角隨著風向的變化而改變，當預設倒塌方向與風向一致時，對塔體倒塌方向影響最大。塔體倒塌偏轉(zhuǎn)角隨著基本風速的增加而增大，且在風向角為100°時取得最大值。

2)當基本風速為7.5～8.5 m/s時，橫風向共振效應會引起較大的倒塌偏轉(zhuǎn)角，需要注意的是對應的風向角與預定方向并不在90°附近。當風速小于7.5 m/s或大于8.5 m/s時，可不考慮橫風向共振效應的影響。

3)通過精心設計、施工，現(xiàn)場爆破后電塔按照設計傾倒方向進行倒塌，實際倒塌偏轉(zhuǎn)角度控制在理論分析范圍內(nèi)，較好地驗證了理論分析的可靠性。