高文樂 李琛豪 張建偉 王燕萍 張澤華 朱茂迅

①山東科技大學土木工程與建筑學院（山東青島，266590）

②中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院（山東青島，266580）

③中建八局發(fā)展建設有限公司（山東青島，266100）

0 引言

近年來，國家對環(huán)境保護的力度不斷加大，大量高污染、高排放企業(yè)面臨淘汰和改建。 在此背景下，煙囪、冷卻塔、水塔等高聳建筑物需要進行拆除。 爆破拆除有高效、便捷、經(jīng)濟等優(yōu)點，在短時間內(nèi)借助炸藥爆炸作用，讓建筑物定向倒塌、破碎、解體，提高了施工效率。 爆破拆除一般面臨較為復雜的周邊環(huán)境，既要確保爆破產(chǎn)生的有害效應不能對周邊待保護建筑的結構造成破壞，又要嚴格要求建筑按照預先設計的方案定向倒塌，這就需要設計合理的爆破方案。

目前，針對高聳建筑物的爆破拆除設計，還處于依賴于工程經(jīng)驗和實踐的初級階段。高文樂等[1]對爆破切口的最佳延期時差進行了分析，得出在爆炸時差2.5 s時，爆堆范圍最小。孫飛等[2]設計了爆炸過程中的切口角度和高度，并對關鍵部位進行了預處理，保證了爆破的穩(wěn)定性。 段海霞等[3]通過研究5 組不同爆破切口尺寸，對比分析了爆堆大小等參數(shù)，提高了爆破方案的科學性。 賀建華等[4]利用高位切口定向倒塌控制爆破技術進行爆破，使爆破參數(shù)得到了合理的優(yōu)化。 胡彬等[5]進行了爆破切口角度計算，利用應力破壞準則計算了煙囪爆破切口角度。 費鴻祿等[6]研究了煙囪拆除爆破傾倒后坐受到爆破切口的影響，得出合理的切口圓心角度可以減小煙囪的后坐距離。

由于冷卻塔的塔體結構穩(wěn)定，在拆除爆破中容易出現(xiàn)塌而不倒、爆堆過高等問題。 合理的爆破切口形狀是冷卻塔順利爆破的關鍵。 采用軟件ANSYS/LS-DYNA，模擬重現(xiàn)兩座冷卻塔的倒塌過程，對倒塌形態(tài)、應力云圖、觸地速度和爆堆范圍等進行對比分析[7]，得到較優(yōu)的爆破切口，為類似工程提供指導。

1 工程概況

山東省棗莊市十里泉電廠有兩座待拆的相同結構的雙曲線型冷卻塔，分別標號3＃和4＃。 冷卻塔標高為92 m，上部直徑為43.2 m，下部直徑為73.6 m，平均壁厚為0.25 m，下部40 對人字柱的高度為5.8 m， 人字柱的截面尺寸為0.4 m×0.4 m，圓梁距人字柱頂端的1.2 m。

3＃冷卻塔正北面25 m 處有東西走向的架空電纜，80 m 處是電廠辦公樓房；兩座冷卻塔正南方向約5 m 處有東西方向的熱力管道，40 m 處是發(fā)電廠圍護外墻，二者之間有大量廢棄物堆積；在3＃冷卻塔的北、西北兩個方向有一個露天的停車場。冷卻塔實體圖以及冷卻塔平面布置分別如圖1 和圖2所示[8]。

圖1 冷卻塔實體Fig.1 Diagram of the cooling tower

圖2 冷卻塔的平面布置（單位:m）Fig.2 Plan view of the cooling tower （Unit: m）

2 爆破方案設計

進行冷卻塔的爆破拆除工程，需要對塔體本身的結構特點和周邊環(huán)境進行細致的評估，選取科學合理的倒塌方案[9]。

工程實踐表明:相比于原地坍塌，采用定向倒塌爆破技術拆除冷卻塔更加安全、迅速，也較為省時、省力。 3＃、4＃冷卻塔均采用定向倒塌爆破。 3＃冷卻塔的倒塌方向為西偏南10°；4＃冷卻塔在西北方向發(fā)生爆破坍塌。

2.1 爆破切口

3＃冷卻塔采用矩形爆破切口[10]。 在塔腹位置利用機械設備開鑿出7 個6.6 m 高的減荷槽， 在中部預留6 個寬度為16.8 m 的支撐墻；切口長度為151.0 m，切口高度7.0 m，27 對人字柱在冷卻塔的底部被拆除，爆炸中心角為235°。 圖3 中顯示了爆炸切割的擴展。

圖3 3＃冷卻塔爆破切口的展開示意（單位:m）Fig.3 Expansion of blasting cut of Cooling Tower 3＃（Unit: m）

4＃冷卻塔采用復合型切口[11]。 前期的預處理工作量較大，需要機械開鑿9 條減荷槽，以中心倒塌線高13.0 m、寬5.6 m 的減荷槽為中心對稱，兩邊分別開鑿2 條高11.0 m、寬5.6 m 的減荷槽和2 條高9.0 m、寬5.6 m 的減荷槽，間隔都為5.6 m，最后再開鑿2 個定位窗。

4＃冷卻塔爆破切口如圖4 所示。

圖4 4＃冷卻塔爆破切口的展開示意（單位:m）Fig.4 Expansion of blasting cut of Cooling Tower 4＃（Unit: m）

2.2 爆破參數(shù)

冷卻塔的鉆孔爆破部位選擇在底部缺口的人字柱的上、下端兩個部位，采用水平鉆孔的方式鉆取炮孔，如表1 和圖5 所示。

表1 兩座冷卻塔的炮孔參數(shù)Tab.1 Blast-hole parameters of the two cooling towers

圖5 冷卻塔爆破切口和炮孔布置（單位:m）Fig.5 Layout of cuts and blast holes of the cooling tower（Unit: m）

2.3 起爆網(wǎng)路

兩座冷卻塔起爆采用非電毫秒延時爆破技術[12]。 3＃冷卻塔爆破切口內(nèi)的1 570 發(fā)毫秒導爆管雷管分成6 組，總共3 個爆破區(qū)；4＃冷卻塔爆破切口處506 發(fā)導爆管雷管分為2 個爆區(qū)。 如圖6 和表2所示。

表2 兩座冷卻塔不同爆區(qū)的導爆管雷管的數(shù)量Tab.2 Number of detonators in different explosion zones of the two cooling towers

圖6 兩座冷卻塔的延時段爆破切口Fig.6 Blasting cuts of the two cooling towers in extended period

3 有限元模型前處理

采用Solid164 單元對冷卻塔模型進行網(wǎng)格劃分。 在高聳建筑物拆除爆破的數(shù)值模擬中，眾多學者對于爆破切口是經(jīng)過定義部件失效時間來實現(xiàn)的。 爆破設計中，每個部件失效時間根據(jù)各個區(qū)域的起爆時間設置，即到達一定時間后，部件被刪除，形成爆破切口。 根據(jù)爆破設計，兩座冷卻塔都是毫秒延時爆破。 針對模型進行部件創(chuàng)建，3＃冷卻塔為9 個部件，分別為3 個爆破區(qū)的人字柱和待爆破塔壁、預留人字柱、圈梁、塔體、地面；4＃冷卻塔為7 個部件，分別為2 個爆破區(qū)的人字柱和待爆破塔壁、預留人字柱、圈梁、塔體、地面[13-14]。

采用Solid164 實體單元。 選取鋼筋混凝土材料*Mat_Brittle_Damage。 地面簡化為剛性， 采用*Mat-Rigid 材料，并在材料定義時約束所有自由度。表3 為材料參數(shù)。

表3 材料參數(shù)Tab.3 Material parameters

對冷卻塔的爆破拆除進行數(shù)值模擬研究，一般忽略實際爆破中的外界風阻作用和內(nèi)部爆破產(chǎn)生的沖擊波對塔身內(nèi)部的作用。在這種理想狀態(tài)下，冷卻塔只受豎直向下的重力作用。 對模型施加重力約束，重力加速度為9.8 m/s2；同時，在模型下部人字柱與剛體地面接觸部位設置約束，約束6 個位移自由度。

經(jīng)過求解器求解之后，得到冷卻塔模型的應力云圖、倒塌范圍和最遠距離、觸地速度等信息，并進行處理及導出。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 兩座冷卻塔倒塌過程對比

對比分析兩座冷卻塔的數(shù)值模擬倒塌過程和工程實例實際傾倒過程，得出爆破實際效果和數(shù)值模擬結果的倒塌運動規(guī)律相似。 但在兩座冷卻塔的爆破拆除中，塔體破碎并不理想，需要進行機械二次破碎，這一點也比較符合實際工況。 在傾倒時間方面，兩座冷卻塔實際倒塌用時12.0 s，而數(shù)值模擬用時分別為13.5、14.8 s。 兩座冷卻塔的數(shù)值模擬基本符合工程實際。 倒塌效果如圖7 所示。

圖7 兩座冷卻塔的倒塌效果Fig.7 Collapse outcomes of the two cooling towers

4.2 倒塌過程中塔壁應力分布分析

將宏觀狀態(tài)下的倒塌運動轉(zhuǎn)化為微觀狀態(tài)下的受力分析十分必要。 將兩座冷卻塔數(shù)值模擬倒塌過程中的塔壁受力云圖通過LS-Prepost 軟件呈現(xiàn)。

圖8 為3＃冷卻塔數(shù)值模擬倒塌過程的應力云圖。 在冷卻塔爆破切口形成之后，塔體應力集中在預留人字柱和圈梁附近，最大應力出現(xiàn)在第19 181單元，為60.6 MPa；隨后，在重力的牽引下開始向設計方向倒塌，隨著爆破切口的閉合，塔腹開始出現(xiàn)應力集中，塔壁上縱向和軸向裂縫逐漸出現(xiàn)并擴大，最大應力為63.1 MPa，在第19 435 單元；塔體在扭曲撕裂現(xiàn)象出現(xiàn)之后，裂縫隨之延伸至整個塔身， 此時，鋼筋混凝土受傾覆力矩作用不斷被破壞，最大應力為59.5 MPa，在第3 206 單元；最后，塔體被完全破壞傾倒，自由塌落。

圖8 3＃冷卻塔數(shù)值模擬的應力云圖Fig.8 Stress nephogram in numerical simulation of Cooling Tower 3＃

圖9 為4＃冷卻塔數(shù)值模擬倒塌過程應力云圖。比較圖8 可以發(fā)現(xiàn)，4＃冷卻塔的應力分布和3＃冷卻塔幾乎一致。 首先，在爆破切口形成后，最大應力在預留圈梁附近的第3 199 單元，為68.5 MPa。 但在爆破切口閉合后，由于爆破切口不同，4＃塔體傾斜角度要比3＃塔體大，4＃塔體上部受下部沖擊影響破壞嚴重，從而最先開始出現(xiàn)扭曲撕裂現(xiàn)象，產(chǎn)生較大的塑性應變，造成塔體凹陷。 之后的塔體倒塌過程中，最大應力一直集中在塔體上部撕裂部位附近，直到塔身被完全破壞，自由塌落。

圖9 4＃冷卻塔數(shù)值模擬的應力云圖Fig.9 Stress nephogram in numerical simulation of Cooling Tower 4＃

4.3 應力分布對塔體倒塌過程的影響

結合倒塌特點，可把冷卻塔的傾倒過程分為4個階段。 宏觀狀態(tài)下塔體的扭曲撕裂是微觀狀態(tài)下應力變化直接導致的。 圖10 中，單元分別選取兩座冷卻塔的爆破切口上方、切口上方的塔腹、側(cè)邊塔壁以及倒塌方向的反方向圈梁上方4 個部位。 3＃冷卻塔選取單元分別為A（29 783 單元）、B（29 770 單元）、C（34 935 單元）、D（43 264 單元）；4＃冷卻塔選取單元分別為A′（31 319 單元）、B′（31 304 單元）、C′（40 226 單元）、D′（43 086 單元）。

圖10 兩座冷卻塔的單元選取位置Fig.10 Location of two cooling tower units

圖11為兩座冷卻塔選取單元的應力變化曲線。經(jīng)過對比分析可以看出，爆破切口處，最大應力出現(xiàn)在切口閉合的2.0 ～2.5 s之間，隨后切口處混凝土被壓碎破壞，應力歸零。由于兩座冷卻塔爆破切口不同，切口正上方塔腹部位的應力峰值出現(xiàn)時間有差異。3＃冷 卻 塔 在1.5 ～2.0 s 和4.0 ～4.5 s 之 間應力最大；4＃塔體在3.5 ～4.0 s應力最大。側(cè)邊塔壁的最大應力都出現(xiàn)在7.0 s 左右，此時塔體進入最后的自由塌落階段。 倒塌方向反方向圈梁部位最大應力出現(xiàn)在2.0 s 左右，此時，圈梁部位承受較大的應力。

對兩座冷卻塔數(shù)值模擬倒塌過程的應力云圖和選取單元的應力變化曲線研究發(fā)現(xiàn)，塔體的倒塌過程一般分為4 個階段。 第一階段是爆破切口形成階段，整個塔體自重全部由預留人字柱和圈梁支撐，上部塔身依然是未受應力破壞的整體。 隨著塔體傾覆，此時進入爆破切口閉合階段，由于爆破切口的不同，4＃塔體明顯比3＃塔體有較大的傾斜角度，兩座冷卻塔的應力都是集中于塔體切口閉合和地面的交界處，同時塔身也開始出現(xiàn)徑向或者橫向裂縫。 在裂縫不斷發(fā)展擴大之后，進入塔壁裂縫發(fā)育階段，這個階段的鋼筋混凝土塔身不斷被破壞，塔體失去剛度和完整性，3＃冷卻塔在這個階段是扭曲撕裂折疊倒塌，而4＃冷卻塔則在較大的切斜角度作用下，上部塔體提前受前沖慣性破壞嚴重。 最后，兩座冷卻塔進入塌落階段，這個階段在上一個階段塔體剛度被破壞的基礎上不斷延伸，大片區(qū)域破壞完全，最后塌落。 由此得出:在裂隙發(fā)育階段，矩形切口發(fā)生扭曲撕裂倒塌；復合型切口不但發(fā)生扭曲撕裂現(xiàn)象，還會因較大的切口，上部塔體受到前沖慣性破壞。

4.4 結構頂點x 軸方向速度分析

對兩座冷卻塔模型選取相同的塔體頂端的單元節(jié)點。 3＃冷卻塔選取46 889 單元，4＃冷卻塔選取55 958單元。 選取位置如圖12 所示。

圖12 單元節(jié)點位置示意Fig.12 Location of unit nodes

通過后處理軟件導出速度-時間曲線進行分析。從圖13 可看出，兩座冷卻塔選取單元節(jié)點的速度-時間曲線較為一致。 0～2 s 內(nèi)，節(jié)點速度隨著時間的增大而增大，表明這個階段冷卻塔爆破切口形成之后，塔體在重力作用下開始向預定方向傾倒；在2 s左右，加速度開始減小，速度增加緩慢，此時爆破切口閉合，塔體觸地。 由于爆破切口的不同，可以看出，在此階段4＃冷卻塔的加速度明顯比3＃冷卻塔大，也間接說明復合型切口導致的塔體運動勢能大。3＃冷卻塔在2 ～8 s 時的速度曲線不規(guī)律，直接原因是矩形爆破切口上部勢能小，在爆破切口閉合之后塔體經(jīng)過一段時間的扭曲撕裂現(xiàn)象導致的；而4＃冷卻塔在2 ～6 s 傾倒過程中有較大的勢能，致使塔頸部分斷裂，單元節(jié)點速度驟減。 最后，冷卻塔進入自由傾覆階段，速度逐漸歸零。 所以，相比于矩形切口，復合型切口使塔體有較大的勢能，塔體觸地時分解更充分。

圖13 兩座冷卻塔單元節(jié)點的速度-時間曲線Fig. 13 Speed-time curves of unit node of the two cooling towers

4.5 不同爆破切口時的倒塌范圍對比分析

利用LS-Prepost 后處理軟件，選取模型最遠倒塌單元導出數(shù)據(jù)，生成在x軸方向的倒塌距離，如圖14 所示。

3＃冷卻塔的最遠倒塌單元為30925，最遠倒塌距離為41 m。 4＃冷卻塔的最遠倒塌單元為31503，最遠倒塌距離為38 m，最遠飛石距離小于3＃冷卻塔。 4＃冷卻塔破碎效果完好，爆破拆除較為成功，節(jié)省了二次破碎成本。

從兩座冷卻塔爆堆范圍和最遠倒塌距離的對比分析來看，復合型爆破切口在破碎效果、倒塌范圍和距離等方面要優(yōu)于矩形切口。 尤其是針對最遠倒塌距離曲線來看，4＃冷卻塔的倒塌過程更加平穩(wěn)，符合現(xiàn)階段多數(shù)學者對于冷卻塔爆破拆除數(shù)值模擬的研究和預測。

4.6 不同爆破切口時倒塌觸地速度對比分析

在爆破施工過程中，需要對待拆除建筑物進行保護，嚴格進行爆破設計，使建筑物的爆破振動控制在國家標準之下。 冷卻塔的整體觸地速度越大，爆破振動越大。 對比兩座冷卻塔在x軸方向的倒塌速度，如圖15 和表4 所示。

表4 不同切口形狀爆破后的觸地速度Tab.4 Touchdown speed after blasting with different cut shapes

圖15 兩座冷卻塔的整體觸地速度-時間曲線Fig.15 Touchdown velocity-time curves of the two cooling towers

3＃冷卻塔倒塌觸地速度為2.40 m/s，4＃冷卻塔觸地速度為2.20 m/s，4＃冷卻塔的觸地速度略小于3＃冷卻塔的觸地速度。 4＃冷卻塔復合型切口的爆破設計對建筑物產(chǎn)生的振動影響要小于3＃冷卻塔的矩形爆破切口。 所以，復合型切口比矩形切口爆破產(chǎn)生的觸地速度更小，振動更小。

圍繞冷卻塔布置的振動測點，監(jiān)測數(shù)據(jù)均未超過國家安全規(guī)程范圍，模擬結果符合現(xiàn)場實際。 實際數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬出現(xiàn)一定偏差的主要原因是:地面設置為剛性地面，產(chǎn)生的振動較實測數(shù)據(jù)大。

5 結論

1）在切口形成和閉合的過程中，塔體保存完整，整體沿下部支撐體轉(zhuǎn)動，倒塌方向反方向圈梁部位承受較大應力。

2）通過對兩座冷卻塔的倒塌范圍、爆堆破碎程度和塔體觸地速度等爆破效果指標的對比發(fā)現(xiàn)，4＃冷卻塔的爆破效果皆優(yōu)于3＃冷卻塔，復合型切口設計比矩形爆破切口設計要更科學、合理。

3）冷卻塔是鋼筋混凝土結構，而數(shù)值模擬中采用的是整體式建模。 相比于共節(jié)點分離式建模方法，整體式建模就忽略了鋼筋內(nèi)部細微的受力作用，和真實的鋼筋混凝土結構冷卻塔的爆破拆除存在一定誤差。 同時，數(shù)值模擬是理想狀態(tài)，忽略了爆破沖擊波、風阻等對冷卻塔倒塌過程的影響，也忽略了常年累月風化侵蝕減弱了鋼筋混凝土的整體受力特性。 但整體趨勢上，數(shù)值模擬基本與現(xiàn)場實際效果相符。