钢筋混凝土烟囱拆除爆破倾倒过程摄影分析.pdf

第34卷 第4期 2017年12月 爆 破 BLASTING Vol. 34 No. 4 Dec. 2017 doi10. 3963／ j. issn. 1001 －487X. 2017. 04. 019 钢筋混凝土烟囱拆除爆破倾倒过程摄影分析 郑长青 1， 张 静 1， 赖经建2， 曹哲伦1 （1.珠海爆破新技术开发有限公司， 珠海519000；2.汉通控股集团有限公司， 广州510000） 摘 要 为了精确观测钢筋砼烟囱爆破倾倒过程中爆破切口形成、 切口闭合、 烟囱倾倒运动及破坏规律， 采 用佳能1DX高级单反数码相机和佳能7D数码相机， 对准南方碱业股份有限公司100 m高钢筋砼烟囱的爆 破切口， 拍摄了数百张高清晰照片。根据相机抓拍的烟囱状态变化和相应时刻， 通过计算详细定量地描绘了 烟囱的倾倒破坏过程和运动规律， 发现该工况下烟囱爆破从起爆到倾倒触地经历了7个阶段。 关键词 钢筋混凝土烟囱；拆除爆破；定量分析；倾倒过程；摄影分析 中图分类号 TU746. 5 文献标识码 A 文章编号 1001 －487X（2017）04 －0106 －03 Photography Analysis of Toppling Process of Reinforced Concrete Chimney During Explosive Demolition ZHENG Chang-qing1，ZHANG Jing1，LAI Jing-jian2，CAO Zhe-lun1 （1. Zhuhai Blasting New Technology Development Co Ltd，Zhuhai 519000，China； 2. The Holding Group Co Ltd，Guangzhou 510000，China） Abstract In order to accurately observe the open and closure of blast cut，chimney collapse movement，and fail- ure mechanism of the reinforced concrete chimney in the blasting process，the Canon 1DX advanced digital SLR cam- era and Canon 7D digital camera were used to record the blasting incision of the Southern Limited by Share Ltd alkali 100 m-high reinforced concrete chimney，by which hundreds of high-resolution photos were taken. According to the changes and corresponding states of the chimney captured by the camera，through detailed quantitative demonstration of the dumping process and the movement of the chimney destruction，results show that the chimney demolition went through seven stages in total from the initiation to the final touchdown. Key words reinforced concrete chimney；explosive demolition；quantitative analysis；collapse process；pho- tography analysis 收稿日期2017 －08 －27 作者简介郑长青（1963 －） ， 男， 教授级高级工程师、 博士， 中国爆破 行业协会专家委员会副主任， 从事爆破理论及爆破技术应 用研究， （E-mail）zh-bp＠163. com。 在钢筋混凝土烟囱拆除爆破工程中， 准确计算 烟囱倾倒的位移、 速度、 加速度等物理参数的变化过 程， 对于倾倒机理分析、 工程经验总结、 类似工程模 拟计算具有十分重要的意义［ 1］。摄影测量分析是 获得这些参数的有效办法之一， 专业的摄影测量系 统过于复杂不易引入爆破拆除工程， 利用近景摄影 测量原理［ 1，2］， 采用高级单反数码相机进行摄影， 能 十分方便快捷地记录烟囱倾倒运动过程， 配合计算 机图像处理软件， 计算获得倾倒过程中各力学参数， 从而为倾倒机理分析、 工程经验总结、 类似工程模拟 计算提供有力依据［ 2］。 通过单反数码相机近景摄影， 对南方碱业股份 有限公司100 m钢筋混凝土烟囱爆破拆除过程进行 了准确的摄影记录， 并对烟囱倾倒运动过程的各受 力状态及运动状态进行了对比分析， 将倾倒过程分 解为7个过程， 详细定量地描绘了烟囱倾倒破坏运 动规律， 为类似工程提供了重要的参考数据［ 3-7］。 万方数据 1 工程概况 拆除钢筋混凝土烟囱高100 m， 位于南方碱业 股份有限公司厂内， 烟囱东、 南、 西三个方向与被保 护建（ 构） 筑物、 管线距离分别为45 m、9 m、30 m， 不 具备倒塌条件。烟囱北面方向与建筑物的距离为 105 m， 具备基本倒塌条件， 采用高位切口定向控制 爆破， 切口位置设于烟囱＋ 15 m处， 爆破切口高度 1. 8 m。 2 爆破切口及倾倒过程摄影观测 2. 1 观测系统 近景摄影测量也称非地形摄影测量， 通过加工 处理确定静态目标的表面形态和动态目标的活动轨 迹， 分析物体运动的各项物理参数［ 3-7］。 摄像观测系统采用Canon高级单反数码照相机 及电脑图片处理软件， 利用Canon 1DX数码相机对 焦爆破切口位置， 以12幅／秒的速度进行连拍， 观测 爆破切口的形成、 闭合以及倾倒的过程； 利用Canon 7D数码相机对焦烟囱整体， 以7幅／秒速度进行连 拍， 观测烟囱整体倾倒运动过程。对两台数码相机 拍摄的图片进行分析校核， 计算烟囱倾倒过程状态、 速度、 加速度、 角速度、 角加速的等运动参数［ 5-7］。 2. 2 观测点布置 观测点布置的原则是 首先应该是安全区域， 其 次对爆破切口的观测须处在上风区， 风吹散爆破粉 尘时， 尽可能清楚地观测到爆破切口［ 6］。综合考虑 现场情况， 第一观测点选取在烟囱西侧200 m处， 通 过长焦镜头观测爆破切口， 观测高度15 m； 第二观 测点选取在烟囱东侧200 m观测烟囱整体运动， 观 测高度24 m。 3 观察结果与分析 起爆瞬间， 在相片上可以看到明显起爆火花， 可 以确定爆破开始时间， 烟囱倾倒过程各个阶段开始 时间， 持续时间以及该阶段内转动的角度汇总如表 1所示。结合摄影测量数据对烟囱倒塌过程这7个 阶段进行分析。 3. 1 第1阶段 爆破切口形成 起爆后约0. 43 s， 切口部位的混凝土在爆炸能 量作用下被破碎并抛出， 形成爆破缺口， 通过摄影测 量计算， 缺口比设计的定向窗高出34. 68 cm， 形成 的切口如图1所示。 表1 各个阶段对应的开始及持续时间 Table 1 The beginning and duration of each phase 倾倒阶段 开始 时间／ s 持续 时间／ s 转动 角度／ 爆破开始00. 430 切口形成0. 433. 422. 0 缓慢转动3. 851. 864. 0 第一次转动加速5. 712. 1513. 8 定向窗闭合碰撞7. 860. 302. 7 第二次转动加速8. 141. 5321. 7 加速倾倒9. 671. 1926. 5 触底解体10. 86 图1 爆破切口 Fig. 1 Blasting cut 缺口形成过程中， 在重力作用下， 烟囱在3. 42 s 的时间里发生了轻微转动， 转角约2。对照片进行 数据分析处理计算知， 爆渣抛掷飞散距离达24 m， 从飞出到落地用时1. 5 s， 爆渣最大水平抛掷速度为 28. 94 m／ s。 3. 2 第2阶段 缓慢定轴转动 在爆破切口形成后， 切口范围内的竖向钢筋在 爆炸作用外鼓变形， 受压失稳， 失去支撑作用。切口 上部筒体的载荷转移到预留支撑体上， 重心偏移支 撑部位， 产生倾覆力矩。此时切口下沿对应的预留 体截面的受力状态是预留支撑体的压应力区和预留 支撑体中轴两侧的拉应力区， 定向窗附近的预留支 撑体受重力载荷的作用产生压缩变形， 压垮破坏； 同 时支撑体后部受拉破坏。如图2所示。 图2 烟囱缓慢定轴转动 Fig. 2 The chimney rotates slowly and steadily 701第34卷 第4期 郑长青， 张 静， 赖经建， 等 钢筋混凝土烟囱拆除爆破倾倒过程摄影分析 万方数据 对拍摄的照片进行分析处理， 对该阶段烟囱的运 动进行分析发现， 烟囱在1. 86 s时间里转动了4， 角 速度为2.15 ／ s， 此阶段为缓慢定轴转动。 3. 3 第3阶段 第一次转动加速 当预留支撑部完全破坏时， 即是烟囱开始下坐的 时刻， 此时支撑体截面处裂缝全面贯通， 混凝土体遭到 破坏， 烟囱在自重的作用下开始加速失稳［ 4］， 如图3。 图3 烟囱加速失稳 Fig. 3 Chimney accelerated instability 对拍摄的相片进行分析处理， 确定该阶段的每张 照片的烟囱转动角度， 计算分析后可知烟囱的角加速 度基本不变， 烟囱做匀加速转动。该阶段烟囱的初角 速度ω1＝ Φ／ t ＝2. 80／ s ＝ 0. 016 π rad／ s， 末角速度 ω2＝Φ／ t ＝11. 20／ s ＝0. 062 π rad／ s， 角加速度 β ＝ （ω2 2 －ω 2 1）／2Φ ＝3.91／ s 2 ＝0.022 π rad／ s2。 3. 4 第4阶段 定向窗闭合碰撞减速 当烟囱转动倾斜13后， 烟囱切口闭合， 定向窗 上下端闭合碰撞， 烟囱转动受到了下部筒体的阻力 影响而减速。通过对这个阶段的每张照片的角度 分析计算发现， 烟囱在定向窗闭合后的碰撞挤压 过程中，转动速度略微减小，是角加速度不变的 “匀减速转动”， 该阶段烟囱初角速度ω1＝ Φ／ t ＝ 11. 20 ／ s ＝ 0. 062 π rad／ s，末角速度ω2＝ Φ／ t ＝ 9. 80／ s ＝0. 054 π rad／ s， 角加速度 β ＝ （ω2 2 － ω 2 1）／ 2Φ ＝ －4. 67／ s2＝－0. 026 π rad／ s2。 在这个阶段， 可以清晰观察到， 定向窗碰撞后， 继续破裂， 利用图像测量计算出破碎缺口高出爆破 后形成的切口94 cm， 见图4。 3. 5 第5阶段 第二次转动加速 碰撞减速后， 缺口下端被持续挤压破坏， 烟囱以 切口下沿对应的预留体为转轴做近似定轴转动， 如 图5所示。 随着时间的推移， 充当转轴的预留体不断破坏， 烟囱不断的转动和前倾， 烟囱的转动速度越来越快。 对拍摄的相片进行分析处理， 结合每张照片对应的 时间及烟囱倾斜的角度计算分析后发现， 该阶段烟 囱的初角速度ω1＝ Φ／ t ＝9. 80／ s ＝0. 054 π rad／ s， 末角速度ω2＝ Φ／ t ＝14. 70／ s ＝0. 082 π rad／ s， 角加 速度 β ＝ （ω2 2 －ω 2 1）／2Φ ＝3.20／ s 2 ＝0.018 π rad／ s2。 图4 定向窗碰撞破裂 Fig. 4 Impact rupture of directional window 图5 烟囱定轴转动 Fig. 5 Chimney rotation on fixed axis 3. 6 第6阶段 加速倾倒 当烟囱转动超过大约45后， 转动支座的支撑 力与摩擦力迅速减小， 筒体在倾覆力的作用下加速 倾倒，如图6所示。再对拍摄的相片进行分析处 理， 结合每张照片对应的时间和烟囱倾斜的角度计 算分析发现， 在烟囱加速倾倒这个阶段， 由于阻力的 减小， 使得烟囱转动的角加速度不断变大， 该阶段烟 囱的初角速度ω1＝ Φ／ t ＝14. 70／ s ＝0. 082 π rad／ s， 末角速度ω2＝ Φ／ t ＝38. 50／ s ＝0. 214 π rad／ s， 平均 角加速度 β ＝ （ω2 －ω 1）／ t ＝20／ s 2 ＝0.111 π rad／ s。 图6 烟囱加速倾倒 Fig. 6 Chimney accelerated dumping （下转第114页） 801爆 破 2017年12月 万方数据 failure laws［J］. China Civil Engineering Journal，2014， 47（9） 38-44.（in Chinese） ［3］ 张晓静.钢框架结构连续倒塌数值模拟与分析［D］.秦 皇岛 燕山大学，201119-61. ［3］ ZHANG Xiao-jing. Numerical simulation on progressive collapse of steel frame structures［D］. QinhuangdaoYan- shan University，201119-61.（in Chinese） ［4］ 孙 飞， 龙 源， 纪 冲， 等.120 m超高塔架式钢结构烟 囱定向爆破拆除［J］.工程爆破，2016，22（2） 65-69. ［4］ SUN Fei，LONG Yuan，JI Chong，et al. Demolition of a 120 m-high tower steel chimney by directional blasting ［J］. Engineering Blasting，2016，22（2） 65-69.（in Chi- nese） ［5］ 汪旭光，于亚伦，刘殿中.爆破安全规程实施手册 ［M］.北京 人民交通出版社，2004115-119. ［6］ GB67222014爆破安全规程［S］.北京 中国标准出 版社，2014. ［7］ 余家杨.钢结构烟囱爆破拆除力学模型对比研究［J］. 四川建材，2015，41（6） 63-65. ［7］ YU Jia-yang. Comparative study on mechanical model of blasting demolition of steel chimney［J］. Sichuan Building Materials，2015，41（6） 63-65.（in Chinese） （上接第108页） 3. 7 第7阶段 下落触底解体 当烟囱转动超过大约70的时候， 原先的转动 支座的支撑力与摩擦力较小， 此时烟囱受重力的作 用， 因惯性而继续转动， 下落触底解体。 4 结论 （1） 采用高级单反数码相机近景摄影， 可对钢 筋混凝土烟囱拆除爆破倒塌及破坏过程进行准确的 定量分析。高级单反数码相机因其像素高， 成像质 量好， 其近景摄影可对拆除爆破对象关键部位的破 坏和运动状态进行深入研究。 （2） 通过摄影测量数据， 对烟囱倒塌过程的受 力与运动状态进行了定量分析， 提出了钢筋混凝土 烟囱的倾倒过程分为 爆破切口形成， 缓慢定轴转 动， 第一次转动加速， 定向窗闭合碰撞减速， 第二次 转动加速， 加速倾倒， 下落触底解体7个阶段。 （3） 首次观测到 定向窗上下端面闭合时， 因切口 上下端面接触碰撞，转动受阻，角加速度为负值 β ＝ －0.026 π rad／ s2， 角速度逐渐减小； 首次观察并测 量到 爆破切口上下端因接触碰撞继续向上下破裂， 向 上破裂高出原切口0.94 m。 （4） 研究成果为钢筋混凝土烟囱拆除爆破优化 设计、 控制危害等提供了重要的科技数据， 能大大推 动钢筋混凝土烟囱拆除爆破定量分析的进程。 参考文献（References） ［1］ 王之卓.摄影测量原理［M］.武汉 武汉大学出版社， 2007. ［2］ 邓 非， 闫 利.摄影测量实验教程［M］.武汉 武汉 大学出版社，2012. ［3］ 朱 宽， 钟冬望， 陈 浩， 等. 210 m钢筋砼烟囱爆破倒 塌过程测量分析［J］.武汉科技大学学报，2013， 36（4） 311-315. ［3］ ZHU Kuan，ZHONG Dong-wang，CHEN Hao，et al. Meas- urement and analysis of collapse process of 210m rein- forced concrete chimney during blasting［J］. Journal of Wuhan University of Science and Technology，2013， 36（4） 311-315.（in Chinese） ［4］ 崔晓荣， 魏晓林， 傅建秋， 等.建筑爆破倒塌过程的摄 影测量分析（II） 后坐及能量转化分析［J］.工程爆 破，2007，13（4） 9-14. ［4］ CUI Xiao-rong，WEI Xiao-lin，FU Jian-qiu，et al. Photo- grammetry analysis of collapse process of building blasting （II） recoil and energy conversion analysis［J］. Engi- neering Blasting，2007，13（4） 9-14.（in Chinese） ［5］ 崔晓荣， 郑炳旭， 魏晓林， 等.建筑爆破倒塌过程的摄 影测量分析（I） 运动过程分析［J］.工程爆破，2007， 13（3） 8-13. ［5］ CUI Xiao-rong，ZHENG Bing-xu，WEI Xiao-lin，et al. Photogrammetry analysis of collapse process of building blasting（I） motionprocess analysis［J］. Engineering Blasting，2007，13（3） 8-13.（in Chinese） ［6］ 武双章， 夏卫国.高耸烟囱不同爆破切口位置破坏过 程摄像观测分析［J］.工程爆破，2011，17（4） 79-81. ［6］ WU Shuang-zhang，XIA Wei-guo. Photographic observa- tion and analysis of the failure process of high chimney in different blasting positions［J］. Engineering Blasting， 2011，17（4） 79-81.（in Chinese） ［7］ 徐鹏飞， 刘殿书， 张英才， 等.钢筋混凝土烟囱高位切 口爆破拆除数值模拟研究［J］.爆破，2016，33（3） 96- 100. ［7］ XU Peng-fei，LIU Dian-shu，ZHANG Ying-cai，et al. Nu- merical simulation of blasting demolition of high cut rein- forced concrete chimney［J］. Blasting，2016，33（3） 96- 100（in Chinese） 411爆 破 2017年12月 万方数据