复杂环境下高危双曲线冷却塔爆破拆除.pdf

第3 3 卷第2 期 2 0 1 6 年6 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．3 3N o ．2 J u n ．2 0 1 6 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 6 ．0 2 ．0 2 0 复杂环境下高危双曲线冷却塔爆破拆除米 李勇1 ’2 ，池恩安1 , 2 , 3 ，张义平1 , 2 ，何1 , 2 李1 , 2 刘茂新1 ’2 1 ．贵I 大学矿业学院，贵阳5 5 0 0 0 3 ；2 ．贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵阳5 5 0 0 0 3 ； 3 ．贵州新联爆破_ T _ 程集团有限公司，贵阳5 5 0 0 0 2 摘要针对在复杂环境下一座高8 6m 的冷却塔，其部分塔壁、圈梁和人字柱已被机械拆除损毁的特殊结 构特点，运用定向爆破技术拆除高危冷却塔。在确保结构稳定和不造成二次破坏的情况下，利用机械开设高 减荷槽、定位窗和泄压窗等措施，以损毁部分塔壁作为爆破切口为基础，对爆破切口内的人字柱、圈梁进行爆 破；运用A N S Y S ／L S D Y N A 建立分离式共节点模型，对其倒塌过程进行数值模拟，进而对爆破方案进行验证 并为其优化提供参考 关键词 复杂环境；高危冷却塔；爆破拆除数值模拟 中图分类号T U 7 4 6 ．5 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 6 0 2 0 1 0 2 0 5 E x p l o s i v eD e m o l i t i o no fH i g h - r i s kH y p e r b o l i c C o o l i n gT o w e ru n d e rC o m p l e xE n v i r o n m e n t L IY o n 9 1 一，C t t lE n a n l ’2 ⋯，Z H A N GY i - p i n g 。”，H ES o n 9 1 一，L IW e i l 一，L I UM a o x i n l ，2 1 ．S c h o o lo fM i n i n g ，G u i z h o uU n i v e r s i t y ，G u i y a n g5 5 0 0 0 3 ，C h i n a ； 2 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fG u i z h o uC o m p r e h e n s i v eU t i l i z a t i o no fN o n ．m e t a l l i cM i n e r a lR e s o u r c e s ， G u i y a n g5 5 0 0 0 3 ，C h i n a ；3 ．G u i z h o uX i a n l i a nB l a s t i n gE n g i n e e r i n gG r o u pC oL t d ， G u i y a n g5 5 0 0 0 2 ，C h i n a A b s t r a c t A n8 6mh i g hc o o l i n gt o w e ru n d e rt h ec o m p l e xe n v i r o n m e n t ，w i t ht h ec h a r a c t e ro fb r o k e nt o w e rw a l l ， b r o k e nr i n gb e a ma n db r o k e nh e r r i n g b o n ec o l u m n ，w a sd e m o l i s h e db yu s i n gd i r e c t i o n a lb l a s t i n gt e c h n o l o g y ．T oe n s u r e t h es t a b l es t r u ’l u r ea n dw i t h o u ts e c o n d a r yd a m a g e ，t h eh e r r i n g b o n ec o l u m na n dr i n gb e a mi n b l a s t i n gi n c i s i o nw e r e b l a s t e db a s e dO I lt h ep r e t r e a t m e n tm e a s u r e so ft h ep r eo f f - l o a d i n gg r o o v e ，t h eo r i e n t a t i o nc u ta n dt h ep r e s s u r er e l e a s e c u t ．T h ed i s c o n n e c t t y p ee o n o d ew a sb u i l t b yu s i n gt h eA N S Y S ／L S D Y N At os i m u l a t et h ec o l l a p s ep r o c e s s ，a n df u r ． t h e rv e r i f i c a t i o no fb l a s t i n gs c h e m ew a sp e r m e dt op r o v i d ear e f e r e n c ef o rt h eo p t i m i z a t i o n ． K e yw o r d s c o m p l e xe n v i r o n m e n t ；h i g h r i s kc o o l i n gt o w e r ；b l a s t i n gd e m o l i t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 双曲线钢筋混凝土结构冷却塔具有高大壁薄、 高宽比小 1 ．2 ～1 ．4 、重心偏低、截面直径不断变 收稿日期2 0 1 6 0 1 2 7 作者简介李勇 1 9 8 8 一 ，男，湖南衡阳人，贵州大学硕七研究生， 主要从事爆破I 程拆除爆破方向研究， E m a i l 8 5 0 2 1 4 4 6 1 1 q ‘0 1 1 1 。 通讯作者池恩安 1 9 6 8 一 ，男，贵州贵阳人，博士、研究员，从事爆 破T 程方向研究， E - m a i l 3 0 5 3 1 0 5 6 5 q q ．t o m 。 基金项目贵州省优秀青年科技人才培养对象专项资金 N o ．黔科合 2 0 1 3 [ 3 0 ] ；贵州夫学研究乍创新基金项目 N o ．研理T 2 0 1 5 0 7 1 化的特殊造型及结构特点，对其爆破拆除带来了很 大挑战。对此，许多学者在双曲线冷却塔爆破拆除 领域做出了很多研究成果，如王永庆在复杂环境下 双曲线冷却塔爆破拆除方面做了研究o ；傅建秋和 薛里都研究了爆破切口大小和高度对冷却塔顺利倒 塌的重要性口’3 I ；付天杰对竖向切缝在高大冷却塔 拆除爆破中的作用进行了研究Ho ；詹振锵和李胜林 对冷却塔爆破拆除倾倒过程进行了数值模拟 万方数据 第3 3 卷第2 期李勇，池恩安，张义平，等复杂环境下高危双曲线冷却塔爆破拆除 1 0 3 研究【5 ’6 | 。 位于贵阳市城区中心的一座高8 6m 冷却塔，其 冷却塔塔壁、圈梁、人字柱承重结构部分已被机械拆 除，打破了冷却塔的受力平衡状态，现已成为高危构 筑物 见图1 ，务必及时爆破拆除，以防在自然因素 风荷载 等其他外力作用下发生倒塌造成不堪设 想的后果。因此，对设计安全、合理、经济的爆破设 计方案提出了更加苛刻的要求，这在国内尚首次。 同时应用大型动力有限元分析软件A N S Y s ／L S ．D Y ． N A 建立分离式共节点模型，对冷却塔的倒塌过程 进行预演，进一步对爆破方案进行验证和优化，做到 精准无误、安全顺利倒塌。 图1已损毁冷却塔实物图 F i g ．1 T h ep h y s i c a lm a po fd a m a g e dc o o l i n gt o w e r 1工程概况 冷却塔位于贵州省贵阳发电厂厂内，其四面都 由围墙包围，冷却塔北侧和西侧都有大量民房，北侧 最近距离为2 1m ，东侧最近距离为1 5m ，东侧为河 流，距冷却塔最近距离4 6m ，南侧6 0m 处是铁路高 架桥 川黔铁路货车外绕黔灵山至关田区间 ，高 2 6m 。冷却塔周围环境具体情况见图2 所示。 2 结构特点 冷却塔为钢筋混凝土结构，由环形基础、人字形 柱、环形梁和通风筒四部分构成。冷却塔高8 6m ， 底部直径为6 0m ，顶部直径为3 8m ，中间咽喉部最 小直径3 0m ；人字型立柱高5 ．5m ，横截面尺寸为 0 ．4m 0 ．4m ，共4 0 对人字形柱，总计8 0 根立柱； 人字柱上部是高lm 、厚0 ．5m 的钢筋混凝土圈梁， 圈梁以上塔壁厚度2 0c m 。 目前，冷却塔部分塔壁、圈梁和人字柱已被机械 冷拆除，结构整体性遭到破坏，共拆除1 5 根人字形 立柱，所对应的圈梁部分已被拆除、塔壁也有部分进 行了破坏，被拆除部分最大高度为8 ．5m ，长度为 3 1m ，约占冷却塔底部周长的1 7 ％。 图2 冷却塔周围环境示意图 单位m F i g ．2 T h eS u r r o u n d i n go fc o o l i n gt o w e r m 3 难点分析 1 从冷却塔周围环境考虑，需保护的建 构 筑物离待爆冷却塔距离较近，且民房为砖混结构抗 震性能差，最近距离仅有1 5m ，南边6 0m 处为高 2 6m 的铁路高架桥和在建铁路桥，爆破时务必准确 控制倒塌方向，需对爆破飞石、爆破振动、爆破冲击 波以及冷却塔倒塌触地振动进行严格控制，确保周 围建筑物的安全。 2 冷却塔局部承重结构前期已被机械冷拆 除、结构的整体稳定性已被破坏，在确保结构稳定和 不造成二次破坏的情况下，对冷却塔进行预拆除条 件差，可供选择的爆破技术方案少且技术要求高。 3 因冷却塔爆破环境较复杂，可供选择的倒 塌方向有限，且其坍塌落地的空间有限，需精确设计 爆破切口。 4 冷却塔已成高危建筑，需即刻安全拆除，工 期要求紧，任务重。 4 爆破方案 4 ．1 方案选择 对于结构整体性完好的冷却塔，倒塌方式有原 地坍塌和定向倒塌。如果采用原地坍塌爆破方案， 首先，冷却塔是钢筋混凝土结构，经多年风化其四周 强度不一致；其次，冷却塔部分承重结构已被机械拆 除，整体完整性已被破坏，原受力平衡状态被打破。 上述两个因素在冷却塔原地坍塌过程中无法确保四 周破坏一致，将会出现任意方向的倒塌，导致意外事 故。根据现场勘察与分析，对冷却塔采用定向倒塌 万方数据 爆破2 0 1 6 年6 月 爆破拆除，倒塌方向中心线东偏南4 2 。。 4 ．2 爆破切口设计 采用定向倒塌爆破时，爆破切口的位置是冷却塔 能否按照设计方向倒塌的关键。爆破切口位置以损 毁部分为中心，沿倒塌方向中心线向两边对称设计。 爆破切口形状采用正梯形“ J ，冷却塔底部半径 为3 0m ，周长为1 8 8 ．4m ，冷却塔爆破高度日取 6 ．5m ，H 人字形立柱高度 圈梁高度 5 ．5m lm 6 ．5m 。切口长度取其底部圈梁周长的0 ．6 倍，切口的圆心角为2 2 0 。，共计人字形立柱2 4 对。 为了确保冷却塔的顺利倒塌及充分解体，在爆破切 口上方的塔壁上开设4 个减荷槽。为了降低冷却塔 倒塌塔内压缩空气冲击的危害，在倒塌方向反方向 中心线上距离地面1 1 ．5m 处 圈梁上方 ，开一个 2mX 4m 的泄压窗口。爆破切口见图3 所示。 切口中心线 图3 爆破切口示意图 单位m F i g ．3 S c h e m a t i cd i a g r a mo fb l a s t i n gc u t u n i t m 4 ．3 爆破参数 依照“多打孑L ，少装药”的原则，最大程度控制 爆炸冲击波、爆破振动、爆破飞石等有害效应，保护 周边铁路桥及建筑物的安全。冷却塔人字柱、圈梁 孑L 网参数见表1 。 表1 冷却塔爆破切口孔网参数表 T a b l e1T h eh o l en e tp a r a m e t e rl i s to fc o o l i n gt o w e rb l a s t i n gc u t 4 ．4 起爆网路 采用塑料导爆管雷管，2 ≠} 岩石乳化炸药，雷管 选用1 段、7 段、1 5 段非电导爆管毫秒延期雷管，1 段用于传爆连接、7 段用于孔外微差，1 5 段用于孑L 内 延时，孔内2 0 个为一束簇联，采用交叉复式网路。 起爆网路连接示意图见图4 、图5 。 图4 簇连示意图 F i g ．4 S c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ec l u s t e r 5 安全防护措施 冷却塔定向爆破拆除主要存在三大安全问 题旧J 一是冷却塔的爆破振动和触地振动；二是爆 破飞石；三是爆破空气冲击波。 经现场勘查鉴定，冷却塔离周边民房近且多为 自建，为砖混结构抗震性能差，为防止炸药爆炸和冷 却塔筒体触地引起的振动以及飞石对铁路高架桥和 建筑物造成损害，采取如下防护措施 1 挖设2 道 减震沟，宽度2 ～3m ，深3 ～4m ； 2 用沙袋敷设4 道减震缓冲堤，前三道缓冲堤长5 5m 、高2m 、宽 4m ，间隔4m ，特别地，为防止冷却塔触地冲击将导 致顶端部分塔壁冲人河流，最外侧一道铺设角度为 5 0 0 的梯形缓冲防护墙，长4 0m 、高6 ．5m ，底宽 1 2m ； 3 架设防护排架。减震沟、缓冲堤、防护排 架示意图见图6 。 万方数据 第3 3 卷第2 期 李勇，池恩安，张义平，等复杂环境下高危双曲线冷却塔爆破拆除 切口中心线 图5 起爆网路示意图 F i g ．5D e t o n a t i n gn e t w o r kd i a g r a m 图6 减震沟、缓冲堤、防护排架示意图 单位m F i g ．6D i a g r a md a m p i n gd i t c h ，b u f f e re m b a n k m e n t a n db e n tp r o t e c t i o n u n i t m MS l S 1 6 数值模拟及爆破效果分析 6 ．1 数值模拟及分析 采用A N S Y S ／L S ．D Y N A 软件建立分离式共节点 模型对冷却塔爆破拆除倒塌过程进行模拟∽J ，钢筋 采用杆单元b e a m l 6 1 ，混凝土采用实体单元s 0 1 ． i d l 6 4 ，钢筋混凝土材料选取“M A T P L A S T I C K I N E ． M A T I C ”进行定义，密度为2 5 0 0k g ／m 3 ，弹性模量 0 ．5 ％，钢筋弹性模量2 1 0G P a ，屈服极限2 4 0M P a 。 爆破切口选取“M A T A D D E R P S I O N ”关键字 定义为时间失效准则，达到失效时间后即自动删除。 模型中同时建立减震沟、桥墩、缓冲堤等周边建 构 筑物。经过A N S Y S ／L S D Y N A 后处理程序运 算后可以对冷却塔倒塌的数值模拟结果进行观察与 分析，冷却塔倒塌过程模拟图见图7 所示。 ■▲●L ●L ●L ●LJ i I a t 08 图7 冷却塔不同时刻倒塌过程模拟图 F i g ．7 T h ec o o l i n gt o w e rc o l l a p s ep r o c e s sp i c t u r ea td i f f e r e n tt i m e 从图7 中可以看到冷却塔在1 ．5S 时爆破切口 闭合，以一定的初速度向预定方向微倾斜；在3 ．5S 时爆破切口上部的塔壁，在自重、倾覆力矩的作用下 完全损毁，筒体开始自由坍落，同时塔壁也出现扭 曲、撕裂，支撑立柱受拉加剧，仍沿预定方向倒塌；在 5 ．2 5s 时冷却塔塔壁已经严重扭曲、撕裂变形，部分 保留支撑柱在倾覆力矩和惯性的作用下被拉断；在 7s 时冷却塔完全坍落触地，塔壁成扁平状，保留支 撑柱被全部拉断。 f n t 7s 6 ．2 爆破效果及分析 人字柱和圈梁以倒塌中心线向两边先后起爆， 爆破切口形成以后，冷却塔向缺口方向倾斜；约2S 后切口闭合且其上部迅速形成一条水平裂缝；约在 4s 后冷却塔加速坍落，塔壁开始出现扭转、撕裂；约 在6S 后冷却塔在空中产生极大扭曲、变形；约在8s 后冷却塔完全坍落触地，爆堆高度约为2m 。图8 为冷却塔爆破倒塌过程，整个倒塌过程历时约8s 。 综合比较分析 1 塔倒塌过程的数值模拟和 万方数据 1 0 6爆破 2 0 1 6 年6 月 实际爆破倒塌过程，两者运动规律基本一致，都为 扭曲、撕裂、自由坍落； 2 两者倒塌过程历时都为 8S ，且其倒塌范围大体一致； 3 塔壁的模型材料是 理想状态下的，而冷却塔本身材料随着时间的推移 变得十分复杂，故两者在倒塌破坏过程中形态不 一致。 _ ●●- _ - a l f 18 7 结语 t 3s t 4s d t 68 图8 冷却塔爆破拆除倒塌过程 F i g ．8C o l l a p s eo fc o o l i n gt o w e ra f t e rb l a s t i n g 双曲线冷却塔由于其特殊的造型和结构特点， 爆破拆除冷却塔，其倒塌过程复杂，难以在理论上做 出准确的描述。通过A N S Y S ／I J S ．D Y N A 软件建立分 离式共节点模型对冷却塔爆破拆除倒塌过程进行数 值模拟，对爆破方案进行预演，从而验证方案的可行 性以及为优化爆破方案提供参考。 [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] 参考文献 R e f e r e n c e s 王永庆，高荫桐，李江国，等．复杂环境下双曲线冷却 塔控制爆破拆除[ J ] ．爆破，2 0 0 7 ，2 4 3 4 9 - 5 1 ． W A N GY o n g q i n g ，G A OY i n t o n g ，L IJ i a n g g u o ，e ta 1 ． D e m o l i t i o no fah y p e r b o l i cc u r v ec o o l i n gt o w e ri nac o r n p l e xe n v i r o n m e n t [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 0 7 ，2 4 3 4 9 - 5 1 ． i n C h i n e s e 傅建秋，王永庆，高荫桐，等．冷却塔拆除爆破切口参 数研究[ J ] ．T 程爆破，2 0 0 7 ，1 3 3 5 3 ．5 5 ． F UJ i a n q i u ，W A N GY o n g q i n g ，G A OY i n t o n g ，e ta 1 ．R e s e a r c ho nc u tp a r a m e t e r sf o rd e m o l i t i o no ft h ec o o l i n gt o w e r [ J ] ．E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，2 0 0 7 ，1 3 3 5 3 - 5 5 ． i n C h i n e s e 薛里，张志毅，杨年华．双曲线冷却塔爆破拆除切口 参数的探讨[ J ] ．丁程爆破，2 0 1 1 ，1 7 2 4 9 ．5 2 ． X U EL i ，Z H A N GZ h i y i ，Y A N GN i a n h u a ．D i s c u s so fc u t p a r a m e t e r sf o rb l a s t i n gd e m o l i t i o no fh y p e r b o l i cc o o l i n g t o w e r s [ J ] ．E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，2 0 1 1 ，1 7 2 4 9 - 5 2 ． i n C h i n e s e 付天杰，赵超群，梁儒，等．竖向切缝在高大冷却塔 拆除爆破中的作用[ J ] ．工程爆破，2 0 1 l ，1 7 4 5 8 ． 6 3 ． F UT i a n j i e ，Z H A OC h a o - q u n ，L I A N GR u ，e ta 1 ．A p p l i c a 一 [ 5 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 9 ] e l t 8S t i o no f v e r t i c a lc u ti nd e m o l i t i o nb l a s t i n go ft a l lc o o l i n g t o w e r [ J ] ．E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，2 0 1 l ，1 7 4 5 8 ．6 3 ． i n C h i n e s e 詹振锵，赵明生，池恩安，等．数值模拟在冷却塔爆破 拆除中的应用[ J ] ．爆破，2 0 1 2 ，2 9 1 7 3 - 7 6 ． Z H A NZ h e n q i a n g ，Z H A OM i n g s h e n g ，C H IE n - a n ，e ta 1 ． A p p l i c a t i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nb l a s t i n go fc o o l i n g t o w e r [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 2 ，2 9 1 7 3 - 7 6 ． i nC h i n e s e 李胜林，刘殿书，刘凯，等．双曲线冷却塔爆破拆除 数值模拟研究[ J ] ．北京理_ [ 大学学报，2 0 1 4 ，3 4 2 1 2 3 1 2 6 ． L I NS h e n g l i n ，L I UD i a n s h u ，L I UK a i ，e ta 1 ．N u m e r i c a l s i m u l a t i o ns t u d yo n b l a s t i n g d e m o l i t i o nf o r h y p e r b o l i c c o o l i n gt o w e r [ J ] ．T r a n s a c t i o n so fB e i j i n gI n s t i t u t eo f T e c h n o l o g y ，2 0 1 4 ，3 4 2 1 2 3 1 2 6 ． i nC h i n e s e 吴剑锋．双曲线型冷却塔爆破拆除切E l 参数研究[ J ] ． 爆破，2 0 0 9 ，2 6 1 6 5 6 8 ． W UJ i a n f e n g ．R e s e a r c ho nc u t p a r a m e t e r sf o rb l a s t i n g d e m o l i t i o no f h y p e r b o l i cc o o l i n gt o w e r [ J ] ．B l a s t i n g ， 2 0 0 9 ，2 6 1 6 5 6 8 ． i nC h i n e s e 李洪伟，颜事龙，郭进．爆破拆除切E l 形状对冷却塔 爆破效果影响及数值模拟[ J ] ．爆破，2 0 1 3 ，3 0 4 9 2 9 5 ． L IH o n g w e i ，Y A NS h i l o n g ，G U OJ i n ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o no fe f f e c to fc u tp a r a m e t e r so ne x p l o s i v ed e m o l i t i o no f c o o l i n g t o w e r s [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 3 ，3 0 4 9 2 - 9 5 ． i nC h i n e s e 蒋超．爆破切E l 对冷却塔定向爆破效果影响的数值 模拟研究[ D ] ．淮南安徽理工大学，2 0 1 4 ． J I A N GC h a o ．T h eb l a s td e m o l i t i o no fr e i n f o r c e dc o n c r e t e h y p e r b o l i cc o o l i n g t o w e ra n di t sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n [ D ] ．H u a i n a n A n H u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l - o g y ，2 0 1 4 ． i nC h i n e s e 万方数据