［摘 要］ 為了研究爆破切口高度對(duì)120 m高鋼筋混凝土煙囪爆破拆除效果的影響，通過(guò)有限元軟件Ansys LS-DYNA建立了整體式模型。對(duì)2.5、 3.0、 3.5、 4.0 m和4.5 m的5種爆破切口高度方案進(jìn)行數(shù)值模擬，比較分析在各切口高度下結(jié)構(gòu)的倒塌形態(tài)及運(yùn)動(dòng)時(shí)程曲線，并與實(shí)際工程進(jìn)行對(duì)比。對(duì)不同爆破切口高度下筒體的倒塌范圍、后坐距離、倒塌速度和前沖距離等參數(shù)進(jìn)行研究。結(jié)果表明：爆破切口高度過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致筒體產(chǎn)生較大的前沖距離；隨著爆破切口高度的增加，筒體破碎倒塌范圍逐漸變小，但是筒體下坐距離越來(lái)越大。通過(guò)對(duì)比分析，確定最佳爆破切口高度為3.5 m。實(shí)際倒塌效果和數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，數(shù)值模擬結(jié)果可靠。

［關(guān)鍵詞］ 鋼筋混凝土煙囪；爆破拆除；切口高度；數(shù)值模擬

［分類號(hào)］ TU746.5

Influence of Blasting Cut Height on the Blasting Demolition Outcomes

of a Reinforced Concrete Chimney

GAO Wenle①， YAN Tongqing①， SUN Hong①， KOU Yuming①， LIU Weidong②， XU Ming②， DUAN Yaokui③

① College of Civil Engineering and Architecture， Shandong University of Science and Technology （Shandong Qingdao， 266590）

② Poly Orica Management Co.， Ltd. （Shandong Weihai， 264205）

③ Transportation Bureau of Qihe County， Dezhou City （Shandong Dezhou， 251100）

［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］ In order to study the influence of blasting cut height on the blasting demolition outcomes of a 120 m-high reinforced concrete chimney， a comprehensive model was established using finite element software Ansys LS-DYNA. Five blasting cut height schemes of 2.5， 3.0， 3.5， 4.0 m， and 4.5 m were numerically simulated， and the collapse morphology and motion time history curves of the structure at each cut height were compared and analyzed. It was also compared with engineering practice. A study was conducted on factors such as the collapse range， recoil distance， collapse speed， and forward impact distance of the cylinder under different blasting cut heights. Results show that a too small blasting cut height can lead to a larger forward impact distance of the cylinder. With the increase of blasting cut height， the range of collapse of the cylinder gradually decreases， but the downward impact distance of the cylinder also increases. Through comparative analysis， the optimal height of the blasting cut is determined to be 3.5 m. The actual collapse outcomes are basically consistent with the numerical simulation results， and the numerical simulation results are reliable.

［KEYWORDS］ reinforced concrete chimney; blasting demolition; cut height; numerical simulation

0 引言

我國(guó)逐漸進(jìn)入新、舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換時(shí)代，人民對(duì)高品質(zhì)的環(huán)境質(zhì)量的追求越來(lái)越強(qiáng)烈。因此，對(duì)拆除嚴(yán)重污染環(huán)境的煙囪提出了迫切要求。如今，被拆除煙囪的高度越來(lái)越高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化多樣，周圍環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，拆除難度進(jìn)一步增加。隨著對(duì)爆破拆除理論和方法進(jìn)行了越來(lái)越多的深層次研究和討論，爆破拆除技術(shù)在理論和施工工藝等方面均取得了較大的發(fā)展［1］。

柴亞博等［2］對(duì)超高鋼筋混凝土煙囪的爆破切口角度的選取進(jìn)行了研究：預(yù)留支撐體截面的最大拉應(yīng)力達(dá)到材料強(qiáng)度時(shí)，可得到切口角度的選取上限；外力產(chǎn)生的截面彎矩和截面的抵抗力矩相等時(shí)，可以確定切口角度的選取下限。張建華等［3］對(duì)復(fù)雜環(huán)境下62.8 m高的磚結(jié)構(gòu)煙囪的爆破拆除方案進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化研究，確定了上切口高度為1 m以及上、下切口延期時(shí)差為1 s時(shí)，煙囪折疊效果最好，倒塌空間小。高文樂(lè)等［4］對(duì)120 m高鋼筋混凝土排氣塔結(jié)構(gòu)的頂部、斷裂部位和底部支撐部位的移動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了討論和分析。結(jié)果表明：筒體結(jié)構(gòu)在下沉和倒塌過(guò)程中，沖擊破壞和加速墜落相互作用，筒體表面缺陷位置極易發(fā)生斷裂。孫金山等［5］就鋼筋混凝土煙囪爆破拆除過(guò)程中出現(xiàn)的煙囪斷裂情況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)煙囪以一定的初速度撞擊地基時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沖擊載荷，在煙囪中部引起較大的應(yīng)變，導(dǎo)致煙囪早期斷裂。胡彬等［6］采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，驗(yàn)證了使用應(yīng)力破壞準(zhǔn)則確定煙囪爆破切口角度的優(yōu)越性。田靈偉等［7］對(duì)裂縫磚煙囪的爆破拆除進(jìn)行了探討，當(dāng)待拆除的煙囪存在缺陷時(shí)，需要采取一些必要措施去確保煙囪的各個(gè)部分強(qiáng)度大體一致，才能使煙囪順利倒塌。梁書鋒等［8］通過(guò)計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境下40 m高青磚混凝土結(jié)構(gòu)煙囪的爆破拆除。袁方等［9］針對(duì)含人字形內(nèi)襯的180 m高煙囪的爆破拆除，提出了開(kāi)鑿大拱形導(dǎo)向窗的方案，取得圓滿成功。徐鵬飛等［10］研究了正三角矩形與倒三角矩形組合切口對(duì)煙囪爆破拆除中倒塌及受力過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)倒三角矩形組合切口能夠延遲切口角端壓剪破壞的發(fā)生，有利于安全、精確定向和避免煙囪的過(guò)早下坐。

通過(guò)以往的工程實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，合理的爆破切口高度對(duì)爆破拆除效果至關(guān)重要。本文中，基于LS-DYNA軟件對(duì)5種爆破切口方案進(jìn)行數(shù)值模擬。導(dǎo)出不同位置單元的速度-位移曲線，并對(duì)照數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)每種方案的前沖、后坐距離等參數(shù)進(jìn)行分析，最終確定了最佳的爆破切口高度，可以為相似工程提供參考。

1 工程概況

待爆破拆除的

鋼筋混凝土動(dòng)力鍋爐煙囪位于山東省濰坊市寒亭區(qū)。煙囪高120 m，底部直徑10 m，底部壁厚0.4 m。在距地面4 m處有南、北2個(gè)煙道口，煙道口高約3 m，寬約2 m；東、西面有2個(gè)高約1.2 m、寬約1.2 m的扒灰口。煙囪位于廠區(qū)東部，周圍都是待拆的廠房和倉(cāng)庫(kù)。北部70 m為待拆廠房；東部226 m為圍墻，圍墻外為荒地；南部為廠區(qū)；西部305 m為廠區(qū)道路，300 m范圍內(nèi)無(wú)其他需要保護(hù)的建（構(gòu)）筑物。根據(jù)煙囪結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)情況，擬向正南方向爆破。周邊環(huán)境如圖1所示。

2 爆破設(shè)計(jì)

以待爆破煙囪處的地面為基準(zhǔn)面，在煙囪南部筒身+0.5 m以上，采用機(jī)械破碎的方式設(shè)置定向窗和導(dǎo)向窗。兩側(cè)定向窗的高度相同，使結(jié)構(gòu)向預(yù)定位置進(jìn)行倒塌，確保筒體觸地后破碎解體。在煙囪傾覆、倒塌過(guò)程中，根據(jù)煙囪的布筋情況，為使切口逐漸閉合，采用正梯形切口［11］。切口高度設(shè)計(jì)應(yīng)使煙囪切口閉合時(shí)結(jié)構(gòu)重心偏移距離大于煙囪支撐面，同時(shí)，保證切口范圍內(nèi)混凝土被炸離鋼筋骨架后豎向鋼筋失穩(wěn)。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，切口高度h≥（3.0～7.0）δ。（1）

式中：δ 為切口處壁厚。

為確保爆破時(shí)煙囪按預(yù)定方向準(zhǔn)確倒塌，實(shí)際工程中，切口高度通常大于切口位置處壁厚的5倍，即 h=5.0×0.4" m=2.0 m。結(jié)合工程實(shí)際情況，選取切口高度2.5、 3.0、 3.5、 4.0、 4.5 m 5種爆破方案，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果選取最佳爆破切口高度，確保拆除爆破順利進(jìn)行。

定向窗底角為45°，切口中間設(shè)置導(dǎo)向窗，破碎高度與切口高度一致，煙囪切口布置如圖2所示。

為保證煙囪可以按照預(yù)定方向順利倒塌，且不發(fā)生較大下坐及后坐，預(yù)留支撐面需受拉部分的最大壓力σtmax＞［σ拉］，受壓部分的最大壓力σtmax＞［σ壓］。［σ拉］為抗拉強(qiáng)度；［σ壓］為抗壓強(qiáng)度。在煙囪形成爆破切口后，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)前傾引起的壓力遠(yuǎn)超過(guò)切口內(nèi)鋼筋的抗壓強(qiáng)度，只需對(duì)煙囪支撐面進(jìn)行安全校核，就能保證煙囪沿設(shè)計(jì)方向傾倒［12］。

設(shè)爆破下切口弧長(zhǎng)L所對(duì)應(yīng)圓心角為β，鋼筋混凝土的抗壓強(qiáng)度［σ壓］＝7.2 MPa。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，β取240°，煙囪內(nèi)壁半徑R=5 m。在離地面0.5 m處，采用正梯形爆破切口，對(duì)應(yīng)爆破下切口弧度

L=β360π×2×R=20.9 （m）。（1）

切口形成時(shí)，校核預(yù)留支撐面的抗壓能力。

預(yù)留支撐面截面面積

S=120360×3.14×（5.42-5.02） =4.35 （m2）。（2）

式中：5.4 m為煙囪的外壁半徑;5.0 m為煙囪的內(nèi)壁半徑。

由動(dòng)力鍋爐煙囪重力引起的壓應(yīng)力

σ壓=2 500×1 041×9.84.35=

5.86 （MPa）＜［σ壓］＜σtmax。（3）

式中：2 500 kg/m3為鋼筋混凝土密度；1 041 m3為鋼筋混凝土體積；4.35 m2預(yù)留支撐面截面面積。

計(jì)算結(jié)果說(shuō)明：預(yù)留截面有足夠的支撐力，可以確保在爆破切口形成時(shí)煙囪不產(chǎn)生后坐。

3 最佳爆破切口高度分析

3.1 計(jì)算模型的建立

利用有限元軟件對(duì)煙囪按照實(shí)際尺寸建立整體式模型［13］。炸藥和鋼筋混凝土煙囪采用Solid164單元；地面選擇Rigid剛性材料。

數(shù)值模型的結(jié)構(gòu)主體單元尺寸與爆破部分單元尺寸設(shè)置為0.2 m；地面單元尺寸設(shè)置為20 m。結(jié)構(gòu)主體采用Sweep劃分網(wǎng)格；爆破部分采用映射網(wǎng)格劃分。爆破切口使用關(guān)鍵字*Mat_Add_Erosion進(jìn)行控制。鋼筋混凝土選用96號(hào)模型材料*Mat_Brittle_Damage。

這種材料模型支持鋼筋截面配筋率的設(shè)定和混凝土失效定義，可以有效地模擬鋼筋混凝凝土煙囪的爆破拆除倒塌過(guò)程［14］。 具體參數(shù)見(jiàn)表1。

3.2 不同切口高度對(duì)結(jié)構(gòu)倒塌的影響

在該鋼筋混凝土煙囪模型的基礎(chǔ)上，不改變模型的其他要素，僅對(duì)爆破切口高度作適當(dāng)?shù)母淖?，設(shè)置方案1#～5#，對(duì)應(yīng)的爆破切口高度分別為2.5、3.0、 3.5、 4.0、 4.5 m。對(duì)比5種方案的模擬結(jié)果，比較分析在各切口高度下結(jié)構(gòu)的倒塌形態(tài)及運(yùn)動(dòng)時(shí)程曲線，選擇最佳爆破方案。不同切口高度下結(jié)構(gòu)倒塌過(guò)程如圖3所示。

分析圖3可以發(fā)現(xiàn)，各方案在0.1 s時(shí)刻爆破切口形成，都經(jīng)歷4 s左右的應(yīng)力重分布時(shí)間之后，筒體開(kāi)始做傾倒運(yùn)動(dòng)。隨著切口高度的增加，切口閉合時(shí)間呈現(xiàn)先增加、后減小的趨勢(shì)。切口高度為3.0 m時(shí)，爆破切口在8.3 s時(shí)刻閉合，閉合時(shí)間最長(zhǎng)；之后，隨著切口高度的增加，切口閉合時(shí)間開(kāi)始減小。在切口高度為4.0 m時(shí)，倒塌時(shí)間最短，為11.5 s。切口高度對(duì)倒塌總時(shí)間的影響幾乎無(wú)規(guī)律可循，而上、下筒體的觸地時(shí)間幾乎隨切口高度的增加而逐漸減少，故要進(jìn)一步分析切口高度和煙囪倒塌、破碎之間的關(guān)系。

煙囪爆破拆除的前沖距離決定了煙囪倒塌的范圍［15］，頂部單元的橫向位移反映出結(jié)構(gòu)的前沖距離，頂部單元的橫向位移曲線如圖4所示。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，在0～4 s內(nèi)，各方案頂部單元的橫向位移幾乎為0。這主要是因?yàn)?，?dāng)切口形成后，整個(gè)筒體處于應(yīng)力重分布時(shí)間，筒體傾倒幅度不明顯；4 s以后，結(jié)構(gòu)的橫向位移開(kāi)始增大，上部筒體開(kāi)始有明顯的傾倒趨勢(shì)。對(duì)比5種方案，當(dāng)?shù)顾Y(jié)束時(shí)，根據(jù)頂部單元的最終位移可以發(fā)現(xiàn)，隨著切口高度的增加，筒體倒塌、破碎的范圍逐漸變小。

即隨著爆破切口高度的增加，在爆破切口形成時(shí)，筒體下坐越來(lái)越厲害。當(dāng)切口高度為4.0 m和4.5 m時(shí)，倒塌范圍分別為108.0 m和92.4 m，遠(yuǎn)小于筒體原高度120 m，意味著筒體將產(chǎn)生很大的下坐距離。下坐距離偏大，在現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)倒塌時(shí)極易造成安全事故以及拆除不成功，甚至出現(xiàn)倒塌方向偏離的狀況，故切口高度不宜太大。

3.3 不同切口高度下煙囪后坐距離與倒塌范圍

由圖5底部單元橫向位移曲線可知，在5種方案下，結(jié)構(gòu)均會(huì)發(fā)生不同程度的后坐現(xiàn)象。當(dāng)切口高度為4.0 m和4.5 m時(shí)，2條曲線一直未達(dá)到峰值，故2個(gè)方案所選底部單元一直向后位移，后坐距離很大。當(dāng)切口高度分別為2.5、 3.0、 3.5 m時(shí)，筒體底部單元的位移曲線出現(xiàn)峰值，筒體后坐基本完成。在煙囪傾倒之后，伴隨著前沖現(xiàn)象，帶動(dòng)達(dá)到后坐極值的底部單元向前位移，在曲線上表現(xiàn)為遞減段。切口高度為2.5 m和3.0 m時(shí)，筒體的前沖距離完全抵消筒體的后坐，煙囪存在著較大的前沖現(xiàn)象。當(dāng)切口高度為3.5 m時(shí)，結(jié)構(gòu)前期應(yīng)力重分布時(shí)間較長(zhǎng)，后坐距離與前沖距離均較小。

通過(guò)分析圖6中爆堆形態(tài)及范圍可以發(fā)現(xiàn)，切口高度為3.5 m和4.0 m時(shí)，筒體的破碎程度高，破碎效果最好。對(duì)于切口高度2.5 m和3.0 m，筒體未完全破碎，爆堆寬度較小，破碎效果不佳，當(dāng)筒體傾倒后發(fā)生明顯的前沖現(xiàn)象，爆堆之間存在一定的距離間隔［16］。

3.4 不同切口高度下煙囪的觸底速度

為更好地研究在不同切口參數(shù)下結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)，給出了結(jié)構(gòu)頂部單元的倒塌速度時(shí)程曲線，如圖7所示。

分析圖7可知，在0～4 s內(nèi)，單元速度波動(dòng)幅度微小，結(jié)構(gòu)處于應(yīng)力重分布階段，筒體傾倒緩慢。隨著時(shí)間的遞增，煙囪傾倒角度越來(lái)越大，煙囪在前沖過(guò)程中的豎向速度逐漸增加。當(dāng)切口高度為4.0、 4.5 m時(shí)，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。這主要是因?yàn)?，煙囪在傾倒過(guò)程中發(fā)生明顯的下坐，底部筒體會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)豎向速度的增加起到延緩作用；下坐結(jié)束后，煙囪又繼續(xù)以傾倒過(guò)程中產(chǎn)生的速度向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)切口高度為2.5、 3.0、 3.5 m時(shí)，煙囪下坐不明顯，曲線沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的突變，曲線的斜率逐漸增大，單元的豎向加速度不斷變大。當(dāng)切口高度為4.0 m，由于地面單元為剛性單元，在11.3 s時(shí)刻，所選頂部單元碎塊觸地后又被彈起做拋物運(yùn)動(dòng)，豎向速度出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。

為更好地分析結(jié)構(gòu)倒塌速度，根據(jù)速度時(shí)程曲線進(jìn)行匯總，倒塌觸地最大瞬時(shí)速度如表2所示。

通過(guò)表2可以看出，切口高度為3.5 m時(shí)，觸地速度最大，說(shuō)明在此高度下應(yīng)力重分布時(shí)間較長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)倒塌積攢的能量較大，筒體具有良好的倒塌破碎效果。但是，此時(shí)需要防范觸地振動(dòng)對(duì)臨近建（構(gòu)）筑物的影響。

4 數(shù)值模擬與實(shí)踐結(jié)果對(duì)比

綜合分析各項(xiàng)因素，切口高度為3.5 m時(shí)，筒體前期應(yīng)力重分布時(shí)間較長(zhǎng)，后坐與下坐距離較小，倒塌范圍長(zhǎng)，破碎程度高，利于后期清理。因此，選取切口高度3.5 m進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破施工。

導(dǎo)入切口高度為3.5 m時(shí)煙囪的數(shù)值模擬結(jié)果，觀測(cè)煙囪的倒塌破碎形態(tài)，并與實(shí)際爆破倒塌過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析。在爆破切口形成后，根據(jù)兩者的倒塌運(yùn)動(dòng)情況，輸出主要關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)的倒塌過(guò)程如圖8、圖9所示。

由圖8和圖9對(duì)比可知，數(shù)值模擬的結(jié)構(gòu)倒塌過(guò)程姿態(tài)與實(shí)際倒塌姿態(tài)高度相似。根據(jù)模擬結(jié)果，結(jié)構(gòu)在0.1 s時(shí)形成爆破切口，支撐部分進(jìn)入應(yīng)力重分布階段；筒體經(jīng)歷約2.8 s的應(yīng)力重分布，在結(jié)構(gòu)底部支撐區(qū)受集中力作用的單元開(kāi)始失效［17］;之后，結(jié)構(gòu)緩慢傾倒。在前4.0 s內(nèi)，因塑性鉸原因，結(jié)構(gòu)上部主體始終與底部支撐處未完全分離，煙囪筒體的傾倒角度很小，未做自由落體運(yùn)動(dòng)；在7.3 s時(shí)，底部下切口閉合，結(jié)構(gòu)繼續(xù)傾倒；在8.0 s時(shí)，結(jié)構(gòu)支撐部斷裂，與地面接觸完全分離；

10.9 s時(shí)，下筒體結(jié)構(gòu)頂部觸地；11.2 s時(shí)，上筒體結(jié)構(gòu)底部觸地；11.7 s時(shí)，上筒體結(jié)構(gòu)頂部觸地;后經(jīng)歷0.1 s的時(shí)間后，結(jié)構(gòu)完全觸地，整個(gè)倒塌過(guò)程結(jié)束。結(jié)構(gòu)實(shí)際快速倒塌并于11.8 s左右全部觸地倒塌、破碎，與模擬結(jié)果基本相符［18］。因此，數(shù)值模擬結(jié)果可靠性好。

5 結(jié)論

1）運(yùn)用LS-DYNA軟件，對(duì)煙囪爆破拆除進(jìn)行數(shù)值模擬。經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，模擬的爆破拆除倒塌時(shí)間、倒塌效果和實(shí)際爆破的倒塌時(shí)間、倒塌效果相同，數(shù)值模擬結(jié)果可靠。

2）煙囪定向爆破拆除的前沖距離決定著煙囪的倒塌范圍。隨著爆破切口高度的增加，筒體的倒塌范圍逐漸變小，結(jié)構(gòu)的下坐距離逐漸增大，不宜選取過(guò)大的爆破切口高度。

3）爆破切口高度為2.5 m和3.0 m時(shí)，煙囪存在著較大的前沖現(xiàn)象，爆堆之間存在一定的距離間隔，筒體未完全破碎，爆破效果不佳。

4）分析、對(duì)比不同的爆破切口高度模型對(duì)類似結(jié)構(gòu)的爆破拆除具有一定的借鑒意義。綜合考慮各種因素，當(dāng)切口高度為3.5 m時(shí)，煙囪倒塌破碎姿態(tài)與爆破效果較為理想，可以為相關(guān)工程提供參考。

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收稿日期：2023-11-17

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51874189）

第一作者：高文樂(lè)（1966—），男，碩士，教授，主要從事巖土力學(xué)和爆破安全技術(shù)的研究。E-mail： wenlegao@163.com

通信作者：寇玉明（1999—），男，碩士研究生，主要從事巖土力學(xué)和爆破安全技術(shù)的研究。E-mail： yumingk@163.com