高文樂(lè)，段耀奎，柳鵬輝，方昌華，李傳水，吳 超

(1.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，青島 266590;2.山東同利爆破有限公司，濰坊 262400; 3.棗莊市金星爆破有限公司，棗莊 277116)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)爆破拆除煙囪的高度不斷增大，高煙囪具有長(zhǎng)細(xì)比大、自重大、壁厚與半徑比小等特點(diǎn)，故容易傾倒，爆破拆除此類煙囪會(huì)出現(xiàn)壓潰、下坐、碰撞、偏轉(zhuǎn)等復(fù)雜現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)普遍使用基于支撐部破壞失穩(wěn)的靜固中性軸“塑性鉸”模型的切口設(shè)計(jì)原理。王宇等對(duì)180 m高鋼筋混凝土煙囪爆破拆除過(guò)程中的下坐和空中斷裂現(xiàn)象研究得，減速運(yùn)動(dòng)使煙囪受到強(qiáng)烈的慣性力，產(chǎn)生較高的豎向動(dòng)荷載，導(dǎo)致空中斷裂[1]；孫金山等對(duì)拆除爆破數(shù)值模擬中鋼筋混凝土構(gòu)件的建模及參數(shù)取值方法研究得，采用應(yīng)變率相關(guān)的本構(gòu)模型時(shí)，應(yīng)變率的強(qiáng)烈波動(dòng)導(dǎo)致材料性能變化過(guò)于復(fù)雜[2]；王云茂等對(duì)薄壁式傘形水塔爆破拆除傾倒失穩(wěn)驗(yàn)算得，爆破切口圓心角取值越大，越有利于水塔的順利倒塌[3]；任江等對(duì)兩座150 m高鋼筋混凝土煙囪同時(shí)爆破拆除研究分析[4]；費(fèi)鴻祿等對(duì)切口形狀對(duì)高煙囪拆除爆破傾倒后坐的影響研究得，合理減小切口圓心角，可以有效減小高煙囪的后坐范圍等[5]。

在前人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)120 m高鋼筋混凝土排氣塔爆破拆除工程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，隨著爆破煙囪高度不斷增加，在爆破拆除倒塌過(guò)程中煙囪斷裂現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，為此結(jié)合有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)排氣塔爆破傾倒過(guò)程進(jìn)行預(yù)演，并對(duì)結(jié)構(gòu)頂部、折斷部位、底部支撐部位的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行探討分析，并探究煙囪倒塌和斷裂過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和倒塌過(guò)程中斷裂緣由，為以后類似工程的爆破拆除提供一定參考[6-13]。

1 工程概況

新材料排氣塔位于濰坊市寒亭區(qū)，實(shí)體圖見(jiàn)圖1。塔高120 m，結(jié)構(gòu)為鋼筋砼結(jié)構(gòu)，底部直徑10 m，壁厚0.4 m，離地10 m處有排氣管道連接口，排氣塔上口直徑為6.4 m，壁厚0.25 m，在70 m位置出現(xiàn)截面突變。排氣塔在廠區(qū)東北方，距北院墻約110 m，距禹王路150 m；距東院墻約120 m，南距廠區(qū)內(nèi)道路約150 m，西距待拆除廠房50 m，西北距待拆除配電所70 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，擬向正南方向整體放倒后破碎。周邊環(huán)境如圖2所示。

圖1 新材料排氣塔立體圖Fig. 1 Three-dimensional view of new material exhaust tower

圖2 排氣塔周圍環(huán)境示意圖(單位：m)Fig. 2 Schematic diagram of the surrounding environment of the exhaust tower(unit：m)

2 爆破方案設(shè)計(jì)

本工程兩側(cè)導(dǎo)向窗與定向窗提前用機(jī)械破碎，中間部分鉆孔爆破。以排氣塔塔基地表為基準(zhǔn)面，在排氣塔南側(cè)塔身0.5 m以上開(kāi)設(shè)定向窗和導(dǎo)向窗，保證兩側(cè)定向窗在同一高程，確保倒塌方向按指定方向傾倒，提前將排氣塔內(nèi)的底部一小部分內(nèi)襯拆除以防影響倒塌。

為保證排氣塔不發(fā)生后坐并按照預(yù)定方向傾倒，爆破切口形成后，排氣塔前傾產(chǎn)生的壓應(yīng)力遠(yuǎn)大于切口內(nèi)的鋼筋抗壓屈服強(qiáng)度，預(yù)留支撐面需提供足夠的支撐能力，來(lái)保證排氣塔按設(shè)計(jì)方向傾倒。鋼筋混凝土抗壓強(qiáng)度為7.2 MPa，在離地面0.5 m處對(duì)應(yīng)爆破下切口弧度為20.9 m，預(yù)留支撐面截面面積為4.02 m2，排氣塔重量引起壓應(yīng)力為3.66 MPa，說(shuō)明爆破切口形成時(shí)，余留截面有足夠支撐力確保排氣塔不產(chǎn)生后坐。

切口高度決定切口范圍內(nèi)混凝土被炸離鋼筋骨架后豎向鋼筋的穩(wěn)定性，也是衡量排氣塔爆破切口上下面閉合時(shí)排氣塔重心偏移距離能否大于切口處排氣塔外半徑的重要指標(biāo)，為保證倒塌根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合本工程實(shí)際情況排氣塔切口高度取3.5 m。排氣塔爆破切口參數(shù)表見(jiàn)表1，排氣塔切口布置圖見(jiàn)圖3。本工程最小抵抗線W=0.2 m，炮孔孔距0.4 m，炮孔排距0.3 m，孔深0.3 m，炸藥單耗3.2 kg/m3，單孔藥量150 g，布孔方式采用正方形布孔，從離地高0.5 m處布孔，炮孔排數(shù)取13，共鉆鑿234個(gè)孔。

表1 排氣塔爆破切口參數(shù)Table 1 Blasting incision parameters of exhaust tower

圖3 爆破切口布置圖(單位：m)Fig. 3 Layout of blasting cuts(unit：m)

3 有限元數(shù)值模擬

鋼筋混凝土排氣塔有限元模型按照排氣塔實(shí)際尺寸建立，為了能體現(xiàn)鋼筋和混凝土在定軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中各自受力狀態(tài)，采用分離式共節(jié)點(diǎn)模型。混凝土和地面均采用SOLID164單元，共建立四個(gè)part，分別為地面、排氣塔主體、爆破部分及鋼筋，鋼筋混凝土模型采用96號(hào)模型材料MAT_BRITTT LE_DAMAGE見(jiàn)表2，這是一種比較理想的鋼筋混凝土材料模型，這種材料模型可以支持鋼筋截面配筋率的設(shè)定和混凝土失效定義。

表2 96號(hào)材料鋼筋混凝土的材料模型參數(shù)選取Table 2 Selection of material model parameters for material No.96 reinforced concrete

地面單元尺寸設(shè)置為10 m，排氣塔主體爆破失效部分模型單元尺寸為0.1 m,運(yùn)用sweep掃掠網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分保證計(jì)算結(jié)果的精確性，排氣塔主體結(jié)構(gòu)共劃分144660個(gè)單元，地面共劃分100個(gè)單元，爆破失效部分共劃分1506個(gè)單元，通過(guò)關(guān)鍵字*MAT_ADD_OSION控制排氣塔爆破切口形成，材料失效通過(guò)定義材料的Fs參數(shù)控制，選取Fs值為0.11。

在倒塌過(guò)程中建筑物與地面的接觸非常復(fù)雜，爆破切口形成后，排氣塔在自重作用下支撐部位發(fā)生脆性斷裂，排氣塔底部一般不會(huì)發(fā)生破壞，因此，建模時(shí)選用CONTACT_ERODING_SINGLE_SURFACE定義混凝土單元之間以及混凝土單元和地面的接觸，通過(guò)向節(jié)點(diǎn)組元施加重力加速度，施加重力載為9.8 m/s2，對(duì)結(jié)構(gòu)距地面0.5 m以下位置施加xyz方向的約束，模擬時(shí)設(shè)定的靜摩擦系數(shù)為0.5，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.4。

3.1 排氣塔爆破拆除倒塌過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果

采用LS-PrePost對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行后處理，爆破切口形成后，鋼筋混凝土排氣塔切口支撐部位變形破壞狀態(tài)數(shù)值模擬如圖4，對(duì)應(yīng)實(shí)際倒塌過(guò)程圖5進(jìn)行對(duì)比，排氣塔筒體倒塌過(guò)程數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分別取2 s、4 s、6 s、8 s、10 s、11 s時(shí)的倒塌狀態(tài)如圖4所示。

圖4 鋼筋混凝土排氣塔數(shù)值模擬倒塌過(guò)程Fig. 4 Numerical simulation collapse process of reinforced concrete Exhaust tower

3.2 排氣塔爆破拆除倒塌過(guò)程攝影觀測(cè)結(jié)果

為實(shí)際觀測(cè)爆破切口形成后筒體定向倒塌過(guò)程，對(duì)筒體倒塌過(guò)程進(jìn)行拍攝。爆破切口形成后，筒體開(kāi)始下座定向偏轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)經(jīng)歷約4.5 s左右的應(yīng)力重分布后，定向窗角混凝土壓碎，在第6 s左右破壞貫穿整個(gè)支撐截面，在8.5 s左右在結(jié)構(gòu)約70 m位置出現(xiàn)斷裂，隨后筒體分離成兩部分，下筒體繞塑性鉸緩慢傾倒，上半筒體做自由落體運(yùn)動(dòng)，直至倒塌觸地結(jié)束，倒塌過(guò)程共約11.8 s。選取倒塌過(guò)程中的第2 s、4 s、6 s、8 s、10 s，11 s的倒塌狀態(tài)見(jiàn)圖5。

圖5 鋼筋混凝土排氣塔爆破拆除倒塌過(guò)程Fig. 5 The collapse process of reinforced concrete Exhaust tower demolition by blasting

圖4與圖5對(duì)比分析得，數(shù)值模擬筒體的倒塌過(guò)程姿態(tài)與實(shí)際爆破的倒塌過(guò)程姿態(tài)高度一致，其中數(shù)值模擬計(jì)算的排氣塔整體觸地時(shí)間為12 s，實(shí)際爆破的排氣塔整體觸地時(shí)間約11.5 s，模擬時(shí)間與實(shí)際倒塌大致相同；根據(jù)模擬計(jì)算與實(shí)際爆破的結(jié)果，可把結(jié)構(gòu)倒塌過(guò)程分為切口形成階段(0.2 s)、大偏心受壓脆性斷裂傾倒階段(0.2～4.7 s)、下坐階段(4.7～5.6 s)、空中下落傾倒階段(5.6～11.4 s)以及觸地階段(11.3～12 s)。由模擬得，結(jié)構(gòu)在9 s時(shí)在結(jié)構(gòu)約75 m位置出現(xiàn)裂隙，觀察得在8.5 s時(shí)，在結(jié)構(gòu)約70 m位置出現(xiàn)斷裂跡象，數(shù)值模擬與實(shí)際筒體斷裂位置大致相符，模擬效果較理想。

3.3 排氣塔筒體整體下坐過(guò)程速度分析

為研究排氣塔頂部單元運(yùn)動(dòng)情況，更好的分析建筑物爆破倒塌的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在排氣塔頂部選取一個(gè)混凝土A單元。

在排氣塔整體下坐減速階段，在結(jié)構(gòu)中部發(fā)生混凝土壓縮破壞，斷裂位置發(fā)生在距地面75 m左右高度處。斷裂發(fā)生后，下半筒體沿倒塌方向繼續(xù)傾倒，上半筒體與下半筒體分離，繞斷裂面旋轉(zhuǎn)做自由落體運(yùn)動(dòng)，對(duì)其斷裂面進(jìn)行分析，為更好的分析建筑物爆破倒塌過(guò)程中的斷裂原因，選取排氣塔斷裂部位B單元。

爆破切口高度是保證排氣塔穩(wěn)定倒塌的重要參數(shù)，確定切口高度要確保切口形成后切口內(nèi)裸露的豎向鋼筋失穩(wěn)，還要考慮切口上下沿閉合線相撞時(shí)，結(jié)構(gòu)傾倒角度能防止相撞時(shí)使傾倒方向不發(fā)生偏離。爆破切口形成后，混凝土抗拉強(qiáng)度低很快失效，切口內(nèi)縱筋失穩(wěn)退出工作，預(yù)留支撐面作用則由重力壓縮產(chǎn)生的壓應(yīng)力和重力矩，對(duì)支撐面中性軸的彎曲所產(chǎn)生的拉應(yīng)力。切口形成后開(kāi)始下坐，為研究結(jié)構(gòu)底部支撐部位單元運(yùn)動(dòng)情況，在結(jié)構(gòu)底部選取一個(gè)混凝土C單元，輸出豎向速度曲線圖6。

由圖6得，排氣塔在t=4.7 s之前豎向速度沒(méi)有明顯變化，故此為應(yīng)力重分布階段。由折線A知在4.7 s左右之后，結(jié)構(gòu)豎向塌落速度明顯加快，在9 s時(shí)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂豎向加速度出現(xiàn)短暫為零，結(jié)構(gòu)勻速下降持續(xù)時(shí)間約0.15 s，在11.3 s時(shí)排氣塔上半筒體頂部位置單元速度達(dá)最大值。數(shù)值模擬計(jì)算得，結(jié)構(gòu)最大觸地速度約為46 m/s，在11.3 s時(shí)上半筒體底部觸地，之后做減速運(yùn)動(dòng)直至倒塌結(jié)束，其他單元觸地后彈起該單元速度有所波動(dòng)，12 s時(shí)倒塌運(yùn)動(dòng)結(jié)束。

圖6 排氣塔所選部位單元豎向速度曲線圖Fig. 6 The vertical velocity curve of selected parts of the exhaust tower

由折線B知，4.7 s左右之后結(jié)構(gòu)豎向傾倒速度明顯加快，在5.6 s至9 s時(shí)結(jié)構(gòu)加速度幾乎為零，說(shuō)明在該時(shí)間段內(nèi)結(jié)構(gòu)下半筒體底部觸地處于破碎狀態(tài)。9 s之后下半筒體破碎部分與完整部分脫離結(jié)構(gòu)繼續(xù)做緩慢傾倒運(yùn)動(dòng)，速度開(kāi)始逐漸加快，結(jié)構(gòu)在10.8 s時(shí)速度達(dá)最大為29 m/s，之后速度突減持續(xù)0.15 s左右清零，故在10.8 s時(shí)下半筒體底部部分觸地，在11.2 s時(shí)下半筒體頂部觸地。在11.2～12 s之間，速度持續(xù)波動(dòng)是由于結(jié)構(gòu)組合復(fù)雜內(nèi)附鋼筋等原因，該單元觸地后被連續(xù)彈起，故速度有所波動(dòng)。

由折線C知，0～4.7 s之間速度稍有波動(dòng)是因爆破區(qū)域震動(dòng)的影響，支撐部混凝土受拉區(qū)在拉應(yīng)力作用下開(kāi)始產(chǎn)生一些微小裂紋，4.7 s左右之后結(jié)構(gòu)豎向塌落速度明顯加快，即整個(gè)底部支撐區(qū)域的裂紋貫通并斷裂，在5.6 s時(shí)排氣塔底部支撐位置單元速度達(dá)到最大。數(shù)值模擬計(jì)算得，所選結(jié)構(gòu)單元最大速度約為7.6 m/s，之后經(jīng)過(guò)0.4 s左右減速運(yùn)動(dòng)速度恢復(fù)零值，即所選支撐位置單元觸地，之后經(jīng)1.5 s左右的速度波動(dòng)穩(wěn)定下來(lái)是因其他單元觸地對(duì)該單元引起震動(dòng)?，F(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)支撐部位數(shù)值模擬受力變形破壞過(guò)程圖，分別取0.2 s、1.1 s、4.7 s、5.6 s的倒塌狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 支撐部位數(shù)值模擬受力變形破壞過(guò)程Fig. 7 Numerical simulation of the deformation and failure process of the support part

由數(shù)值模擬觀察可得，在0.2 s時(shí)結(jié)構(gòu)爆破部分失效，在切口頂角出現(xiàn)應(yīng)力集中，在1.1 s時(shí)底部支撐開(kāi)始出現(xiàn)裂隙。有應(yīng)力云圖得，在切口底角處出現(xiàn)應(yīng)力集中，4.7 s時(shí)裂隙貫通整個(gè)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)主體與基礎(chǔ)部分完全分離，結(jié)構(gòu)做自由落體運(yùn)動(dòng)，在5.6 s時(shí)爆破切口閉合，結(jié)構(gòu)做傾倒運(yùn)動(dòng)。

3.4 排氣塔筒體整體下坐過(guò)程位移分析

為更好地分析建筑物爆破倒塌的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，現(xiàn)研究其頂部、斷裂部及底部支撐部橫向位移，輸出單元位移圖8

由圖8所選的頂部A單元的位移為104 m，在4.7～11.3 s階段排氣塔頂部向下速度處于加速過(guò)程，9 s后結(jié)構(gòu)分離頂部單元豎向速度在下坐階段以自由落體的形式進(jìn)行加速，結(jié)構(gòu)截?cái)喱F(xiàn)象對(duì)上半部分結(jié)構(gòu)位移幾乎無(wú)影響。

圖8 排氣塔所選部位單元橫向位移曲線圖Fig. 8 The vertical displacement curve of selected parts of the exhaust tower

由折線B可知4.7 s之后倒塌橫向位移開(kāi)始急速下降，橫向總位移為50 m，底部觸地破碎高度為21 m，其中切口高度為4 m，因塑性鉸原因，故下半結(jié)構(gòu)處于緩慢下落過(guò)程，在9 s時(shí)結(jié)構(gòu)斷裂，對(duì)結(jié)構(gòu)位移幾乎無(wú)影響。由折線C得，所選底部單元在5.6 s時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)微小移動(dòng)，產(chǎn)生約2 m后座距離，倒塌范圍為106 m。

結(jié)構(gòu)中間位置出現(xiàn)缺陷主要是因?yàn)殡S著結(jié)構(gòu)高度的增加，結(jié)構(gòu)相應(yīng)的直徑會(huì)減小，從結(jié)構(gòu)底部直徑10 m到頂口直徑6.4 m，又因120 m高排氣塔長(zhǎng)細(xì)比大、自重力大、慣性大更容易傾倒，故排氣塔在傾倒過(guò)程中，中間位置極其容易出現(xiàn)裂隙，還有結(jié)構(gòu)經(jīng)多年的風(fēng)化侵蝕，混凝土本身飽和度低，容易吸水且其抗拉強(qiáng)度低，內(nèi)部鋼筋吸水已銹蝕，故所承受的拉應(yīng)力下降，還可能是施工時(shí)該部位鋼筋搭接不牢固及多次澆筑等多方面原因，造成結(jié)構(gòu)傾倒斷裂現(xiàn)象。

4 結(jié)論

(1)運(yùn)用有限元分析軟件LS-DYNA模擬排氣塔倒塌過(guò)程與實(shí)際倒塌過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析，由模擬計(jì)算可得，排氣塔傾倒的位移時(shí)程曲線和速度曲線與實(shí)際倒塌吻合較好，數(shù)值模擬結(jié)果可靠。

(2)在排氣塔下坐過(guò)程中，沖擊破壞與加速下落相互作用。在結(jié)構(gòu)倒塌過(guò)程中，結(jié)構(gòu)缺陷部位混凝土被破碎，在傾倒過(guò)程中直徑突變部位被折斷，且該部位混凝土風(fēng)化嚴(yán)重，內(nèi)部鋼筋銹蝕抗拉應(yīng)力降低，容易折斷。

(3)通過(guò)對(duì)折斷部位、底部支撐部位單元分析得：在爆破切口形成后結(jié)構(gòu)開(kāi)始下坐，應(yīng)力集中位置隨傾倒角度變化而改變，首先切口角頂先出現(xiàn)應(yīng)力集中，背部裂開(kāi)之后切口底角出現(xiàn)應(yīng)力集中；筒體斷裂后，下半筒體因塑性鉸原因緩慢傾倒，上半筒體做自由落體運(yùn)動(dòng)，倒塌結(jié)束破碎長(zhǎng)度為106 m，觸地時(shí)速度達(dá)最大，上筒體最大觸地速度為49 m/s,下筒體速度達(dá)最大為29 m/s；整個(gè)倒塌過(guò)程約12 s，實(shí)際為11.8 s,模擬時(shí)間與實(shí)際倒塌時(shí)間基本相符。

(4)運(yùn)用數(shù)值模擬對(duì)結(jié)構(gòu)速度位移分析，可以有效的確定倒塌范圍和最大沖擊力，來(lái)設(shè)定安全警戒范圍，為以后拆除此類相似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒，做出合理的設(shè)計(jì)方案。