摘 要：煙囪定向爆破對高大煙囪拆除具有重要意義。為了提升煙囪定性爆破過程的安全性，本文提出了一種動力學分析方法，由此構建了動力學分析過程和模型，模型中拉應力、壓應力、剪切力、垂直支撐力等核心參數(shù)的計算，與煙囪傾倒過程中的傾角、中性軸后移角度建立了量化的關系。結(jié)果顯示，傾角越大，煙囪傾倒的角加速度、角速度都越大。這種動力學方法給出了煙囪傾倒過程的量化分析結(jié)果，可以提升煙囪定向爆破的安全性。

關鍵詞：皮帶機械；皮帶輪；旋壓加工；鍛壓加工；有限元仿真

中圖分類號： TU 746 文獻標志碼：A

在現(xiàn)代化城市中，因為生產(chǎn)需要和居民生活供暖需求等方面的原因，存在相當數(shù)量的高大煙囪。這些煙囪的絕對高度高，經(jīng)過長期使用后就面臨較大的安全隱患，必須予以妥善拆除[1]。高大煙囪的拆除一般有機械拆除法和人工拆除法。機械拆除法工作作業(yè)困難較大，人工拆除法則可能給操作人員帶來較大的威脅和人身傷害[2]。因此，爆破法逐漸成為取代機械拆除法和人工拆除法的新方法。通過爆破完成高大煙囪的拆除任務，安全性、效率更高，并且成本低、性價比好。雖然爆破拆除具有許多優(yōu)點，但也面臨很大的安全隱患，這種壓力主要來自煙囪周圍環(huán)境的復雜性和爆破過程中的不確定性[3]。如果能有效地控制爆破過程，就能更全面地解決問題，包括爆破點位、爆破方向、爆破強度。為了能夠按照預定的方向傾倒，就需要深入了解爆破過程的動力學特征，這也成為本文研究的切入點。

1 煙囪爆破中的失穩(wěn)傾倒過程分析

在爆破拆除過程中，煙囪要從原有結(jié)構狀態(tài)完成倒塌直到在水平地面平覆，才能完成整個爆破過程。炸藥爆破導致部分結(jié)構斷裂、斷裂結(jié)構失去穩(wěn)定性，再至逐步傾斜、倒塌和跌落。從技術的角度來看，這個稱為煙囪的失穩(wěn)傾倒，其整個過程一共包括4個環(huán)節(jié)：第一個環(huán)節(jié)，炸藥爆炸在煙囪原有結(jié)構上形成爆破切口；第二個環(huán)節(jié)，中性軸形成并且位置逐漸向后移動；第三個環(huán)節(jié)，斷裂的部分結(jié)構發(fā)生定軸旋轉(zhuǎn)；第四個環(huán)節(jié)，斷裂的部分結(jié)構塌落直至與地面接觸并達成穩(wěn)態(tài)。

從第一個環(huán)節(jié)來看，當爆破切口形成以后，煙囪對頂上部分的原有支撐結(jié)構大部分被破壞，只保留殘余的支撐部分。這一部分的連接面積縮小，從而導致無法提供有效的支撐力，無法達成對頂上部分結(jié)構重力的平衡效果。從瞬時狀態(tài)來看，爆破瞬間炸藥的沖擊力會使頂上部分有一個極為短暫的向上作用，但其后的時間內(nèi)頂上部分的重力將全部集中作用在殘余的支撐部分。這時進入第二個環(huán)節(jié)，煙囪原有的內(nèi)部結(jié)構應力都需要重新調(diào)整，頂上部分在逐漸傾倒的過程中形成了中性軸，中性軸可以作為頂上部分傾倒的旋轉(zhuǎn)軸，但這個中性軸的位置不是固定的，而是不斷向后移動的。因此，第二個環(huán)節(jié)和第三個環(huán)節(jié)是不存在特別明顯的界限的，中性軸在后移、頂上部分也在向下傾倒旋轉(zhuǎn)。進入第四個環(huán)節(jié)后，殘余的支撐部分進一步斷裂，導致頂上部分從煙囪原有結(jié)構上徹底解體，并在重力的作用下開始跌落。

為了便于描述煙囪爆破過程中的失穩(wěn)傾倒機理，給出說明，如圖1所示。

圖1為煙囪失穩(wěn)傾倒的一個平面分析圖，整個煙囪在爆破面上被劃分為3個不同的區(qū)域，隨著頂上部分不斷傾倒，中性軸也不斷向后移動。

爆破拆除預期效果的實現(xiàn)取決于爆破切口形成后，頂上部分的傾倒趨勢所造成的應力是否會超出殘余支撐部分的抵抗能力。因此，這里的應力分析是關鍵。殘余支撐部分會同時受到拉應力和壓應力的作用效果，如公式（1）、公式（2）所示。

（1）

式中：σF為煙囪頂上部分在傾倒過程中給殘余支撐部分的拉應力；M為煙囪頂上部分在傾倒過程中所受到的傾覆力矩；m為煙囪頂上部分的質(zhì)量；g為重力加速度；r為殘余支撐部分的內(nèi)部半徑；A為殘余支撐部分的橫截面積；e為殘余支撐部分的偏心距距離；I為殘余支撐部分所受到的慣性矩。

（2）

式中：σD為煙囪頂上部分在傾倒過程中給殘余支撐部分的壓應力；M為煙囪頂上部分在傾倒過程中所受到的傾覆力矩；m為煙囪頂上部分的質(zhì)量；g為重力加速度；β為殘余支撐部分對應圓心角大小的一半；r為殘余支撐部分的內(nèi)部半徑；A為殘余支撐部分的橫截面積；e為殘余支撐部分的偏心距距離；I為殘余支撐部分所受到的慣性矩。

2 煙囪爆破中的定向傾倒動力學分析

前面的工作分析了煙囪爆破過程中的失穩(wěn)機理，并詳細闡述了4個環(huán)節(jié)的狀態(tài)。接下來，對煙囪爆破過程中的定向傾倒進行進一步的動力學分析。在整個煙囪的爆破過程中，爆破界面的頂上部分是否發(fā)生傾倒以及怎樣傾倒是決定爆破成敗的關鍵。在這一過程中，頂上部分還會伴隨發(fā)生整體下坐、傾倒旋轉(zhuǎn)過程中斷裂、斷裂后前沖或斷裂后后坐等現(xiàn)象。

一旦頂上部分的傾倒趨勢形成，那么必將以拉力、壓力、剪切力等形式破壞頂上部分和煙囪本體的殘余接觸。殘余接觸部分一般會從外壁開始出現(xiàn)斷裂，對由鋼筋混凝土材料制成的煙囪來說，鋼筋先會在頂上部分傾倒過程中被拔出拉脫，然后成型的混凝土被破壞。這一過程的示意圖如圖2所示。

在煙囪爆破傾倒過程中，頂上部分和煙囪本體的殘余支撐所受到的剪切力如公式（3）所示。

（3）

式中：FQ為頂上部分和本體的殘余支撐所受到的剪切力；θ為頂上部分脫離煙囪本體發(fā)生傾倒的旋轉(zhuǎn)角度；θ0為頂上部分脫離煙囪本體即將發(fā)生傾倒的初始角度；m為煙囪頂上部分的質(zhì)量；l為殘余接觸界面的中性軸到頂上部分中心的距離；ε為頂上部分脫離煙囪本體發(fā)生傾倒的加速度；H為脫離煙囪本體的頂上部分的高度；R為煙囪頂上部分的外徑；K為煙囪頂上部分的外徑的變化率；ω為頂上部分脫離煙囪本體發(fā)生傾倒的角速度；ω0為頂上部分脫離煙囪本體發(fā)生傾倒的初始角速度。

在煙囪爆破傾倒過程中，頂上部分和煙囪本體的殘余支撐所受到的垂直支撐力如公式（4）所示。

FV=mg+[mlε+ω0H（2R-KH）][tanθcos（θ0+θ）-sin（θ0+θ）]-mlω2[tanθsin（θ0+θ）+cos（θ0+θ）] " " "（4）

式中：FV為頂上部分和煙囪本體的殘余支撐所受到的垂直支撐力；θ為頂上部分脫離煙囪本體發(fā)生傾倒的旋轉(zhuǎn)角度；θ0為頂上部分脫離煙囪本體即將發(fā)生傾倒的初始角度；m為煙囪頂上部分的質(zhì)量；l為殘余接觸界面的中性軸到頂上部分中心的距離；ε為頂上部分脫離煙囪本體發(fā)生傾倒的的加速度；H為脫離煙囪本體的頂上部分的高度；R為煙囪頂上部分的外徑；K為煙囪頂上部分的外徑的變化率；ω為頂上部分脫離煙囪本體發(fā)生傾倒的角速度；ω0為頂上部分脫離煙囪本體發(fā)生傾倒的初始角速度。

3 煙囪定向爆破動力學試驗分析結(jié)果

在前面的工作中，對煙囪定向爆破過程中失穩(wěn)傾倒的4個環(huán)節(jié)進行了闡述并分析了其動力學機理。為了提升煙囪定性爆破過程的安全性，本文提出了一種動力學分析方法。在這一方法中，煙囪定向爆破的失穩(wěn)過程被劃分為4個環(huán)節(jié)，進而對煙囪傾倒過程中的拉應力、壓應力、剪切力、垂直支撐力進行力學建模。在接下來的工作中，將通過試驗對煙囪定向爆破過程中的動力學特性進行驗證。

在試驗過程中，選取了2個實際的爆破案例，第一個案例中的煙囪高度為180m，第二個案例中的煙囪高度為210m。2個案例中的煙囪均為鋼筋混凝土結(jié)構，混凝土材料的密度為3000kg/m3。試驗環(huán)境中取自然風速，風速大小為2.0m/s。第一組試驗先考察煙囪定向爆破傾倒的角度和中性軸后移過程中的角度變化關系，結(jié)果如圖3所示。按照公式（3）和公式（4）計算傾角，而公式（3）和公式（4）的部分參數(shù)計算需要使用公式（1）和公式（2）。為了便于說明數(shù)據(jù)產(chǎn)生的過程，以煙囪傾角為θ=0.48°為輸入，計算中性軸后移角度。

此時，各參數(shù)的值如下：煙囪傾角θ為0.48°，即將發(fā)生傾倒的初始角度θ0=44.52°，煙囪脫離本體的高度H=80m，煙囪頂上部分的外徑R=2m，頂上部分脫離煙囪本體發(fā)生傾倒的加速度ε=0.03m/s2，重力加速度g=9.8m/s2，煙囪頂上部分的外徑的變化率K=0.03，頂上部分脫離煙囪本體發(fā)生傾倒的初始角速度ω0=0.05rad/s，頂上部分脫離煙囪本體發(fā)生傾倒的角速度ω=0.11rad/s，表示頂上部分和煙囪本體的殘余支撐所受到的垂直支撐力FV=6012N，根據(jù)公式（1）和公式（2）得到，煙囪頂上部分的質(zhì)量m=40000kg，將上述數(shù)據(jù)代入公式（4），可以計算出中性軸到頂上部分中心的距離l=90m，又因為煙囪高度為180m，所以可以計算中性軸后移角度為60°。

由此可知，當橫坐標煙囪傾角θ為0.48°時，縱坐標中性軸后移角度為60°。

按照同樣的方法可以得到圖中曲線上各組對應數(shù)據(jù)，從而繪制出曲線結(jié)果，如圖3所示。

在煙囪定向爆破的過程中，煙囪頂上部分的傾斜角度越大，中性軸后移的角度變化越小。2個高度的煙囪都表現(xiàn)出了這個共同的特征。但相對來說，煙囪高度越高，這種方向的關系越劇烈；煙囪高度越低，這種方向的關系越舒緩。

第二組試驗考察煙囪定向爆破傾倒的角度和煙囪傾倒的角加速度變化關系，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在煙囪傾倒過程中，傾角越大，煙囪傾倒的角加速度越快。在起初階段，煙囪傾角和煙囪傾倒角加速度變化關系接近線性變化。其后，二者的關系接近水平直線。這一組試驗結(jié)果也表明，煙囪高度的差異對二者關系變化曲線影響不大，只有幅度上的微小減弱。

第三組試驗考察煙囪定向爆破傾倒的角度和煙囪傾倒的角速度變化關系，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，在煙囪傾倒過程中，煙囪傾角和煙囪傾倒角速度變化關系始終接近于線性變化。煙囪傾角越大，煙囪傾倒角速度越快，并且這種關系不受煙囪高度差異的太大影響。

綜上所述，在試驗過程中，選取180m和210m的2個煙囪爆破案例作為試驗對象，對煙囪傾角-中性軸后移角度、煙囪傾角-煙囪傾倒角加速度、煙囪傾角-煙囪傾倒角速度3組曲線進行試驗驗證和試驗過程分析。綜合3組試驗的分析可以看出，煙囪傾角越大，中性軸后移的角度會越小，而煙囪傾倒角速度和角加速度會越來越快?？梢?，運用動力學的分析方法可以得到幾個關鍵參數(shù)的量化分析結(jié)果，可以對煙囪爆破過程的安全性進行預判。

4 結(jié)語

從4個環(huán)節(jié)對煙囪定向爆破過程中的失穩(wěn)傾倒進行分析：第一個環(huán)節(jié)，炸藥爆炸在煙囪原有結(jié)構上形成爆破切口；第二個環(huán)節(jié)，中性軸形成并且位置逐漸向后移動；第三個環(huán)節(jié)，斷裂的部分結(jié)構發(fā)生定軸旋轉(zhuǎn)；第四個環(huán)節(jié)，斷裂的部分結(jié)構塌落直至與地面接觸并達成穩(wěn)態(tài)?；诖?，構建了煙囪定向爆破的多參數(shù)動力學分析模型，從而對2個實際的定向爆破案例進行動力學分析。試驗結(jié)果得到的3組曲線變化證實了可以通過動力學分析有效地控制煙囪定向爆破過程，從而提升爆破過程的安全性。

參考文獻

[1]費鴻祿，段寶福.風載對筒形高聳建筑物定向爆破傾倒過程影響的研究[J].爆炸與沖擊，2023，20（1）：92-96.

[2]鄭炳旭，魏曉林，陳慶壽.鋼筋混凝土高煙囪爆破切口支撐部破壞觀測研究[J].巖石力學與工程學報，2021，25（2）：3513-3517.

[3]褚懷保，徐鵬飛，葉紅宇，等.鋼筋混凝土煙囪爆破拆除倒塌與受力過程研究[J].振動與沖擊，2022，34（22）：183-186.