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第 32 卷 第 1 期 2015 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol. 32 No. 1  Mar. 2015 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2015. 01. 022 倾斜砖烟囱定向爆破拆除与数值模拟分析 徐园园， 段卫东， 白 杨， 蒋 培， 黄小武 （武汉科技大学 理学院， 武汉 430065） 摘 要 某砖厂有一座 60 m 高砖烟囱， 使用时间较长局部发生风化， 且烟囱整体倾斜 5。针对风化倾斜 砖结构烟囱的实际情况， 以及复杂的现场环境， 通过 LS-DYNA 有限元软件对设计的三组参数进行了模拟分 析。结合模拟结果与工程实践经验， 采用正梯形长 12 m 高 2. 8 m 的爆破切口、 爆破切口设计在倾斜方向、 倾 倒方向与倾斜方向重合等参数的选择使爆破拆除方案达到了最优化。将切口设计在倾斜方向、 人工修正定 向窗、 利用烟囱倾斜等措施， 确保了烟囱按照预定方向倒塌。 关键词 定向拆除爆破；数值模拟；LSDYNA；最优化 中图分类号 TU746. 5 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2015） 01 -0111 -05 Scheme and Numerical Simulation Analysis on Explosive Demolition of Weathered and Inclined Chimney XU Yuan-yuan， DUAN Wei-dong， BAI Yang， JIANG Pei， HUANG Xiao-wu （College of Science， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430065， China） Abstract An old chimney needed demolition， which was 60 meters high and partly weathered and inclined 5. According to the characteristics of the chimney and the complicated surroundings， the parameters were simulated and discussed by LS-DYNA finite element software. Combined with the practical experience and numerical simulation re- sults， the optimal parameters were designed as 12 m long and 2. 8 m high trapezoid blasting cut， blasting cut designed in the oblique direction， dumped direction coincides with the oblique direction and some other s. Finally， the chimney collapsed in a predetermined direction successfully. Key words directional blasting；numerical simulation；LS-DYNA；parameter optimization 收稿日期 2014 -12 -25 作者简介 徐园园 （1989 - ） ， 男， 硕士研究生， 从事爆破理论及其工 程应用领域的科研工作，（E-mail） 853297546 qq. com。 通讯作者 段卫东 （1965 - ） ， 男， 博士、 教授， 主要从事爆破理论及爆破 工程领域的教学与研究，（E-mail） weidongwuhan163. com。 对于高危烟囱的定向爆破拆除， 其力学分析已 有人研究， 烟囱倒塌过程也有很多报道 ［1-3］。但在实 际工程中有很多不确定因素， 已往的设计方法主要 依赖于前人的理论与经验公式， 因此对高危烟囱的 定向爆破拆除的各项参数未能确定达到最优化， 随 着计算机技术的发展， 通过软件对工况进行实际模 拟， 根据模拟分析与工程实践的结合可以将爆破参 数达到最优化， 增加了爆破工程中的可靠度 ［4］。 1 工程概况 湖北鄂州某砖厂一座年久风化倾斜烟囱， 危害 到周围安全， 考虑到拆除过程中的安全性， 决定爆破 拆除。烟囱高 60 m， 底部外径 5. 2 m， 壁厚 0. 6 m， 内衬 0. 35 m， 烟囱外壁与内衬间间隙可以忽略不 计， 烟囱倾斜 5， 顶部中心线相对底部中心向西南 偏斜 5. 25 m， 内衬中有少量配筋， 由于年代久远， 无 烟囱设计图纸。 2 爆破方案的确定 2. 1 倾倒方案的确定 烟囱周围环境十分复杂， 烟囱南侧40 m 为还在 使用的砖窑， 80 m 为正在使用的砖窑烟囱， 东侧 50 m 为民房， 北侧 50 m 为公路， 公路旁有民房， 西 侧20 m 为废弃的砖窑， 砖窑后是大片开阔田。考虑 到旁边烟囱的距离太近， 太大的振动会对其安全不 利， 所以选择向西北倒塌， 用废弃的砖窑作减振带。 周围环境如图 1 所示。 图 1 现场环境示意图 （单位 m） Fig. 1 Site surrounding environment （unit m） 2. 2 爆破切口的确定 烟囱爆破中常用的切口形状倒梯形、 正梯形、 矩 形等多种形式， 一般以梯形为主， 因为梯形施工简 单， 爆破后对预留部分影响较小， 烟囱在倾倒时不易 出现后座现象 ［5］， 而矩形爆破切口倒塌方向确定性 不是很高。本次爆破的目标是风化倾斜的砖烟囱， 砖的强度已经降低很多， 并且周围环境非常复杂， 精 确施工、 倾倒方向的准确定位是成功的关键。 爆破切口位置的选择也是保证烟囱准确定向倒 塌的重要环节， 从实际现场环境中可知， 烟囱倾斜的 方向满足烟囱整体倒塌的条件， 并且在烟囱的倾斜 方向有一个废弃的砖窑， 可作为减振带使用， 因此， 选择烟囱沿倾斜方向倒塌。由文献 ［2］ 中知道当斜 向与倒向相同时， 倾覆力矩 M M1 Me（1） 式中 M 为重力合成力矩， Nm； M1为烟囱垂直时的重 力矩， Nm； Me为烟囱倾斜产生的偏心矩， Nm。 对于无倾斜情况的高耸构筑物的爆破拆除， 其 切口长度宜控制在以下范围类 ［6， 7］ S/2 ≤ L ≤ 2S/3（2） 式中 L 为切口长度， m； S 为烟囱切口处周长， m。而对 于有倾斜的情况， 将在数值模拟中进行对比讨论。 爆破切口高度计算公式通常为 h （1. 5 3. 0） δ（3） 式中 h 为爆破切口高度， m； δ 为爆破位置烟囱壁 厚， 根据公式确定的开口高度的范围在 1. 5 2. 8 m 之间， 根据文献 ［7］ 的研究结果， 开口高度可以取大 值， 鉴于烟囱倾斜 5， 设计倾倒方向与倾斜方向重 合， 为防止爆渣在切口处堆积， 开口应有足够的高 度， 所以爆破切口高度暂取 2. 8 m， 同时将在数值模 拟中进一步验证。 烟囱的倾倒是在重力的作用下发生的， 也就是 烟囱的偏心作用， 要获得足够大的倾覆力矩， 就必须 加大切口范围， 但这样也会导致支撑部分减少， 抗压 强度不足， 烟囱切口形成瞬间整体下坐， 倾倒方向发 生转变， 因此支撑部分的最大压应力必须小于介质 极限抗压强度 ［8］， 所以对于倾斜的烟囱， 其爆破切 口范围的大小和高度需进行模拟对比优化。 2. 3 LS-DYNA 数值模拟分析 为保证爆破切口参数的最优化性及爆破切口选 取方案的可靠性， 先采用 LS-DYNA 进行数值模拟分 析， 再结合分析结果和工程实践经验， 确定最终的爆 破参数和切口选取方案。模拟结果如下。 2. 3. 1 模拟方案 根据烟囱整体倾斜 5的实际情况， 所建模型与 地面成 85角， 设计了三种爆破切口方案 第一种为 开口长10 m 高2. 8 m 的正梯形爆破切口， 开口范围 S/2≤L1≤2S/3； 第二种为开口长 12 m 高 2. 8 m 的 正梯形爆破切口， 开口范围为 L2 3S/4； 第三种为 开口长12 m 高2. 8 m 的倒梯形爆破切口， 开口范围 为 L33S/4。三种方案爆破切口局部如图 2 （a） 、 （b） 、（c） 所示。三种方案采用相同的材料模型参 数， 保证模型的可比性， 以此观察爆破效果， 确定爆 破方案的可靠性 ［9-11］。 图 2 爆破切口局部图 Fig. 2 Blasting incision partial view 211爆 破 2015 年 3 月 2. 3. 2 模拟结果分析对比 从图 3 与图 4 对比可以看出， 两者状态过程相 似， 但在最后空中解体阶段， 图 4 解体为三段， 而图 3 中只解体为两段， 显然图 4 的结果与前期学者的 研究吻合， 爆破效果更好， 而且大切口不容易在开口 处造成爆渣堆积， 不会影响倒塌方向， 说明烟囱在倾 斜状态下， 在保证支撑强度的基础上适当加大爆破 切口能够强化爆破效果。图 4 与图 5 的对比中， 图 5 发生了明显的后坐和下坐， 说明倒梯形爆破切口 形式很有可能产生这两种情况， 而后坐和下坐会严 重影响烟囱倾倒方向的准确性， 说明采用正梯形爆 破切口较为可靠。 图 3 开口长度 10 m 正梯形切口的各时间点烟囱状态图 Fig. 3 Chimney state diagram at each time point in 10 m long trapezoid incision situation 图 4 开口长度 12 m 的正梯形切口的各时间点烟囱状态图 Fig. 4 Chimney state diagram at each time point in 12 m long trapezoid incision situation 图 5 开口长度 12 m 的倒梯形切口的各时间点烟囱状态图 Fig. 5 Chimney state diagram at each time point in 12 m long inverted trapezoidal incision situation 同时， 从 LS-DYNA 模拟的结果中可以看出， 2. 8 m 的开口高度是合适的。 根据研究表明， 开定向窗能够保证爆破切口的形 状和对称性， 对于烟囱按照设计方位倒塌有重要意义。 经过上述数值模拟的分析对比， 爆破切口选择 正梯形爆破切口， 切口长 12 m， 开口高度 2. 8 m， 如 图 6 所示。 图 6 爆破切口示意图 （单位 m） Fig. 6 Schematic of blasting cut （unit m） 2. 4 强度校核 切口以上高度约为 56 m， 忽略偏径因素， 烟囱 按照切口位置周长 16 m 计算， 红砖壁厚 0. 6 m 计 算， 红砖密度为 1. 8 X 103kg/ m3， 耐火砖壁厚为 0. 35 m， 密度为 3. 2 X103kg/ m3。经计算， 切口以上 部分的重量约为 1375. 7 t。切口处剩余部分红砖实 际承载压强最大为 3. 62 MPa。 红砖标准抗压强度有 7. 5 MPa、 10 MPa、 15 MPa 三种， 即使原设计采用最低标号红砖， 多年使用以后 红砖强度降低一半， 其抗压强度依然大于实际承载 压强， 因此烟囱剩余部分不会发生压垮现象 ［12］。 综合上述分析和验证， 采用小药量、 无微差整体 倾倒， 倾倒方向与倾斜方向重合， 长 12 m 高 2. 8 m 的正梯形爆破切口是此次爆破方案的最佳参数。 3 爆破参数的确定 3. 1 内衬预处理 烟囱的预处理对烟囱的准确定向及顺利倾倒有 311第 32 卷 第 1 期 徐园园， 段卫东， 白 杨， 等 倾斜砖烟囱定向爆破拆除与数值模拟分析 重大意义， 但由于待拆除烟囱内衬与外壁之间几乎 没有缝隙， 因此， 未对内衬进行单独处理。 3. 2 定向窗的开凿 定向窗采用人工开凿， 在开凿之前先进行了试 炮， 根据爆破情况来校核切口爆破的装药量。试炮 完成后对定向窗进行人工修整， 确保定向窗的尺寸 及对称性。 3. 3 爆破参数的确定 为获得良好的爆破效果， 采用梅花形布孔， 孔深 l 2δ/3 0. 63 m， 钻孔时钻 0. 7 m 深之后进行回填 到 0. 65 m。最小抵抗线 W δ/2 0. 47 m， 孔距 a （0. 8 0. 9） l， 取 0. 55 m。排距取 b 0. 5 m， 共钻炮 孔排数 n 2.7/0.5 1≈6， 每排炮孔数 m 10/0.5 20， 共钻炮孔120 个。装药量采用体积计算公式 Q KabH（4） 式中 Q 为单孔装药量， g； K 为炸药单耗； H 为爆破深 度， 此处 H δ。由式 （4） 算得 Q 78. 4 313. 5 g， 范 围很广， 对比试炮结果， 综合考虑到内衬没有处理， 里 面还有少量的细钢丝， 为了确保爆破时将切口处砖 石抛掷出去， 取单孔药量 200 g， 因此， 总装药量为 24 kg。 爆破网路采用无微差起爆网路， 连接雷管均为 3 段双发连接， 保证起爆可靠度。 4 安全校核 由于爆破地点在砖厂内， 周围环境较为复杂， 应 对可能的爆破危害足够重视。爆破危害主要有 爆 破震动、 空气冲击波、 爆破飞石和噪音。鉴于本次爆 破的情况， 主要防范的危害为爆破振动和爆破飞石， 其他可不予考虑。 4. 1 爆破振动计算 按照爆破安全规程， 对建筑物的地震安全性应 该满足地震安全速度的要求， 并对安全速度做了明 确规定， 本次爆破应重点对 2 号烟囱进行安全校核。 有爆破振动公式 Qmax R3（v/ k） 3/ α （5） 式中 R 为爆破点至保护物的距离， 100 m； v 为质点 临界速度， 5 m/ s； k 为选区的介质稀疏指数， 200； α 为振动衰减指数， 取 1. 5。 经计算 Qmax40 kg 24 kg， 至于相距 20 m 的 废弃砖窑， 会作为烟囱倾倒方向的减振结构， 所以未 验证其安全， 所以在爆破振动方面是安全的。 4. 2 爆破飞石距离计算及防护 爆破碎块飞散距离按下式计算 S 20kn2w（6） 式中 k 为修正系数， 取 1. 5； n 为爆破作用指数， 取 2.0； w 为最小抵抗线， 0. 47 m， 算得 S 56. 4 m 由于 爆破面正对废弃砖窑， 砖窑成为天然屏障， 所以不需 对烟囱进行防护。 5 爆破效果 试炮时一个孔装药 100 g， 效果一般。烟囱主体 爆破时， 气象条件非常好， 起爆后， 烟囱在空中站立 约 2 s 后， 按照设计方向准确倒下， 无后座现象， 烟 囱倒塌过程中折断为三段， 倒地后无滚动， 解体完 全， 200 m 外人体感受不到触地震动， 爆破效果 很好。 6 结论 通过对倾斜烟囱的三种爆破方案的数值模拟和 分析， 可得出以下结论 （1） 对于烟囱倾斜角度达到 5的情况， 爆破切 口的范围可扩大到 3/4 倍切口处周长。 （2） 高层建筑有倾斜情况下， 在保证支撑强度 的基础上适当加大爆破切口能够强化爆破效果。 （3） 在实际工程中， 合理利用数值模拟分析， 可 对实验方案进行一定程度上的验证， 加大工程安全 的可靠度。 参考文献 （References） ［1］ 夏卫国， 曾 政. 海口华能电厂150 m 高钢筋混凝土烟 囱控制爆破拆除 ［J］ . 爆破， 2011， 28 （1） 71-73. ［1］ XIA Wei-guo， ZENG Zheng. 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