摘 要: 叙述了控制爆破拆除钢筋混凝土烟囱的方案设计与力学计算、爆破参数确定、施工方法、安全防护措施、震动监测和爆破效果。
关键词: 烟囱; 钢筋混凝土; 定向倒塌; 爆破切口
1 工程概况
张家港华宇电厂由于承建燃气机组,需将原电厂一座高80 m的钢筋混凝土烟囱拆除。该烟囱底部外半径为3.3 m,顶部外半径为1.65 m,壁厚为0.3 m,均为双层布筋(14 mm@150 );4 m以下没有内衬;4.35 m处有一井字梁;4.5 m处东西向有2个3.48m×1.54 m的烟道,在底部南北向有2个1.8 m×1.2m的出灰口。钢筋混凝土量为304.51 m3,自重1 032.82 t。烟囱周围环境见图1。
图1 烟囱周围环境示意图(单位:m)
2 爆破方案设计
2.1 烟囱的结构特点及倒塌方向的确定根据现场的勘察及烟囱周围环境,对烟囱的结构进行了认真分析,并充分考虑到厂方提出对东面新厂房保护的要求,认为虽然烟囱西面有一个烟道,对倒塌不利,但只要采取相应的措施,能够解决这一难点。最后采取了向西定向倒塌的方案,倒塌方向见图1。
2.2 切口的确定、形式及尺寸[1,2]
倒塌方向确定以后,把底部南北2个出灰口扩展成导向窗,更利于控制倒塌方向,爆破切口位置距地面0.7 m以上,中线为2个出灰口的中间;通常切口的形式有梯形和四边形,但对钢筋混凝土烟囱而言,以选择梯形为好。切口圆心角决定切口的展开长度,而切口长度又决定了倾覆力矩的大小,切口偏长,倾覆力矩偏大,支铰容易破坏,不利于烟囱的平稳倒塌。爆破切口的长度应以烟囱的重力引起的截面弯矩稍大于预留截面极限抗弯力矩为主要的设计依据,根据经验钢筋混凝土烟囱的切口圆心角为220°为好,故切口的长度为12.6 m,切口的高度为2.4 m,夹角α为45°,如图2所示。
图2 爆破切口炮孔布置示意图(单位:m)
2.2.1 切口高度的确定
烟囱自重为1 032.82 t,烟囱重心位置距地面zc=32 m,切口处直径d为6.6 m。
1)切口高度的确定:
根据经验公式,h = (1/6~1/4)d(1)
计算的h=1.1~1.65 m,考虑到烟囱的高度,以及实际爆破的经验,取h=2.4 m。
2)切口闭合时烟囱的重心是否偏移出烟囱底部是关系到烟囱倒塌的关键,如图3所示,通过下式可以验算:
图3 切口闭合时烟囱重心的偏移距离
s1= zctanα= zctan[arctan(h/s2)]= zch/s2(2)
式中,s2= r+ rsin20°;r为烟囱底部外半径,为3.3 m;经计算得s2=4.43 m,h=2.4 m,代入(2)
式得s1=17.3 m,则s1> r能确保烟囱失稳。
2.2.2 预处理
1)在倒塌中心线位置,用机械的方法开设一2.8 m×1.5 m的定向窗,两侧利用出灰口开设导向窗,并将钢筋全部割除。
2)考虑到烟囱倒塌过程中,保留截面受拉区钢筋的影响,爆前将受拉区外侧钢筋割断。
3)4.35 m处的井字梁,东西向的梁用风镐剥离混凝土,不切断钢筋。
4)为使烟囱倒塌平稳,对倒塌反方向上的烟道(3.5 m×1.5 m),用3根200 mm,壁厚15 mm的钢管进行支撑,对称设置。
5)为了削减烟囱爆破震动对新电厂的影响,在烟囱与厂房之间开设了一条长30 m、宽3 m、深3.5m的减震沟;同时为了防止烟囱塌落震动的影响,在倒塌方向填了长90 m、宽10 m、厚2 m的软土,作为缓冲层。考虑到烟囱预处理后,烟囱自身的稳定性,对其剩余部分进行了核算。剩余部分的支撑面积约5.1m2,由于烟囱荷载而引起的压应力为σ=1.06mpa,而烟囱混凝土的抗压强度σc=20 mpa,σc>>σ,故预处理后烟囱不会由于荷载作用使剩余截面压碎而坍塌。
2.2.3 余留截面的力学计算
在爆破后切口形成瞬间,余留部分环形截面不仅要承受烟囱自重产生的压应力,还要承受大偏心弯曲的压应力、拉应力,那么偏心弯曲的压应力、拉应力怎么来区分,就要求出余留截面形心坐标,如图4所示,图中x为中心轴。
图4 余留截面示意图
本次爆破切口所对圆心角为220°,其截面形心坐标
y1= (rsinβ)/α(3)
式中,α=70°,α为弧度,得1.22,计算得y1=2.54m;受压区的弧长为3.5 m,而受拉区的弧长为4.6m。抗弯截面模量wx可由下式计算:对于x轴上方受拉区wx拉= (δr2)/2×(2α2+αsinα-4sin2α)
/(α-sinβ)(4)对于x轴下方的受压区
wx压= (δr2)/2×(2α2+αsin2β-4sin2β)
/(sinβ-αcosβ)(5)将数据代入(4)式、(5)式,求得wx拉=1.27m3,wx压=0.68 m3。烟囱自重所产生的偏心受压弯矩m= g y1=2.48×106kg•m,那么薄壁圆环截面上面的应力为受压区σ压= g/f+ m/wx压(6)受拉区σ拉= g/f- m/wx拉(7)式中,f为烟囱余留截面面积,代入得σ压=46.8 mpa,σ拉=-12.63 mpa,负号表示拉应力。在爆破切口形成瞬间,余留截面上所受的σ压>σc= 20 mpa,故受压区被压碎;而受拉区,随着烟囱筒身的倾倒,混凝土不断拉宽,钢筋受拉变细,直至倒塌。
2.3 爆破参数的确定[3,4]
由于烟囱壁厚为30 cm,所以最小抵抗线w =15 cm;炮孔间距、排距a = b =30 cm;炮孔深度l
=18 cm;炮孔数量n =204个;炸药单耗取1 500g/m3,单孔药量取40 g;总装药量为q =8.16 kg。
2.4 起爆网路及安全防护措施
采用非电起爆网路,并用瞬发电雷管一次性起爆。爆破共用导爆管雷管204发,炸药8.16 kg。为了防止爆破飞石对周围的影响,在爆破切口部位均挂敷了一层草包和一层竹笆,并用铁丝固定。
3 安全校核
3.1 风力的影响
由于烟囱比较高,容易受风的影响,且爆破当天的风向为西风,与倒塌方向正好相反,故不可忽视。根据流体力学的原理,作用在烟囱上的风力:△p =0.7r0v2f/(2g)(8)式中,r0为空气密度1.29 kg/m3;g=9.8 m/s2; vf为风速,根据当地气象台预告为10 m/s,计算得4.6kg/m2。那么施加在烟囱上的风弯矩为m风=△prh2(9)式中,r为等效半径,r = (r地+r顶)/2;h为等效高,取烟囱高的0.7倍。求得m风=3.6×104kg•m,而烟囱自重产生的偏心受压弯矩m =2.48×106kg•m,m风<<m,所以风弯矩可以忽略不计。
3.2 爆破震动校核
根据萨道夫斯基公式v = kk′(q1/3/r)α(10)式中,q为装药量,8.16 kg;k、α值是与地形条件有关的系数和衰减系数,分别取150和1.5;k′为控制爆破修正系数,取0.4;r为爆心与建筑物之间的距离,40 m;v为地面质点垂直震动速度,cm/s。经计算,爆破引起的震动速度v =0.68 cm/s,所以,不会引起电厂空气开关跳闸。
3.3 烟囱塌落震动校核
对于高耸建筑物的爆破塌落震动一般要比其爆破震动大,对周围建筑物的影响也大,所以不可忽视;为了确保电厂正常运转,根据中科院工程力学所提供的塌落震动速度公式计算:v′=0.08×(i1/3/r′)1.67(11)式中,i为触地冲量,i = m′(2gh′)1/2;m′为塌落构件的质量,kg;h′为塌落构件的重心落差,m;r′为被保护点与构件触地中心的距离,m。将数据代入(11)式得,烟囱倒塌触地在新厂房所产生的震动速度为v′=0.98 cm/s,故不会对新厂房内的电机产生影响。
4 爆破效果
此次爆破效果非常理想,烟囱完全按预定方向倒塌;在距烟囱40 m的新厂房的实测爆破震动速度为0.6 cm/s,塌落震动速度为1.02 cm/s,均未超出爆破安全规程的要求。由于4.35 m处井字梁的影响,烟囱根部15 m范围没有压扁,只有一些断裂,15 m以上全部压扁破碎,其宽度15 m处为5m,顶部为3 m;整个烟囱的倒塌长度为78 m。受到业主的高度评价。
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