摘要:通过工程实例介绍了钢筋混凝土高烟囱定向爆破的设计方法和基本思路,对钢筋混凝
土烟囱的定向倒塌爆破参数进行了优化计算,并对其施爆前的稳定性及施爆后的定向倾覆进
行了详细的验算,成功地拆除了复杂环境下100 m高的烟囱,达到了良好的爆破效果.
关 键 词:控制爆破;高烟囱;爆破缺口
1 工程概况
1.1 工程环境
待爆烟囱周围环境见图1所示.
1.2 工程结构
烟囱高100 m,底部外径为9.8 m,壁厚42 cm,烟囱体积约为51.5 m3,总重量约为12 600 kn.烟囱为圆锥体钢筋混凝土结构.烟囱底部南北方向上各有一个1.8 m×2.5 m的下烟道口,在4 ~12.1 m高处的南北方向上各有一个3.7 m×8.1 m的上烟道口,混凝土壁厚为42 cm,在1 ~4 m高处为双层钢筋,双层竖向钢筋为168φ12 mm,外层竖向钢筋为160φ16 mm,内层环向钢筋为φ12 mm@150 mm,外层环向钢筋: 0 ~2.5 m处为φ12 mm@150 mm, 2.5~4 m处为φ16 mm@100 mm, 4.0 m以上为单层钢筋, 4 ~8.1 m处竖向钢筋为160φ16 mm与150φ16 mm ,环向钢筋为φ16 mm@150 mm.
1.3 工程特点
烟囱高度较高,内设钢筋较密,给钻眼和爆破造成一定困难;正南北方向各有一个大小相同的烟道,由于烟道高而宽,且峒口处钢筋较密,对定向倾倒中心线不在正南北方向时的准确定向倒塌会产生一定的影响;周围环境复杂,只有东侧距离满足倒塌需要,其余三个方向均不允许定向倒塌.
2 爆破设计
2.1 方案选择
根据对烟囱周围环境、烟囱高度及烟囱结构等的分析,确定倒塌方向为东偏北19.2°.由于周围环境复杂,主控楼等对爆破冲击振动要求较严格,为了减小冲击振动强度,决定在主厂房爆破区沿烟囱倾倒方向堆起具有一定长度、宽度和高度的爆堆,以减小落地冲击振动.
2.2 设计技术要求
(1)烟囱爆前预处理:在倾倒中心线上开设2.0 m×2.0 m的减荷槽,同时在离地面约10 cm处,
沿整个爆破缺口范围内开设一宽为10 cm的槽腔,并切断其全部外层钢筋.同时在倾倒方向背侧,离地面约10 cm处沿倾倒中心线也对称开设一长为3.0 m ,宽为10 cm的槽腔,并切断其全部外层钢筋.以上这些预处理措施都是为了减小烟囱在倾倒过程中的阻力.
(2)定向窗设计:为保证烟囱在倾倒过程中定向准确,必须设计南北两个定向窗,南定向窗利用
南1.8 m×2.5 m的烟道口,内壁向西扩0.2 m,外壁向西扩0.4 m,南定向窗尺寸为2.3 m×2.0 m,北定向窗向外开设1.6 m×2.0 m .
(3)在开窗口、切钢筋中应进行烟囱稳定性计算及倾覆计算.
(4)爆破飞石控制范围.向各个方向飞散的最大飞石距离不得超过40 m,爆破震动及烟囱落地震动对周围建筑的控制标准:质点最大振动速度v≤1.5 cm/s.
2.3 爆破参数选择[1,2]
(1)爆破缺口采用矩形结构,缺口长度l上= l下=20 m,缺口高度h =1.98 m .
(2)爆破参数如表1所示.
表1 爆破参数
(3)爆破网路设计.烟囱定向爆破拆除中爆破网路设计的关键是保证沿倾倒中心线对称起爆.因此,缺口采用同一段导爆管加强双回路一次起爆方案.
2.4 预处理后烟囱稳定性验算
(1)对于无风载时的计算.烟囱预处理后其剩余壁体的支撑面积
s1=π(r2- r2)1-∑ai360°,
式中:r为爆破缺口的平均外径, m;r为爆破缺口的平均内径, m;∑ai为预切的定向窗减荷槽及烟道通口圆弧所对的圆心角的和.
将r =4.75 m ,r =4.33 m ,∑ai=106°代入上式,得s1=8.45 m2
由烟囱荷载引起的压应力σ=ps1,p为烟囱自重, kn.
将p=12 600 kn,s1=8.45 m2代入得σ=14.9 mpa
而混凝土的抗压强度σc(51 mpa) >σ(14.9 mpa),因此预处理后烟囱不会由于自身荷载作而
使混凝土材料压碎失稳.
(2)对于有风载时的计算.风力施加于烟囱壁上的反弯矩
mf=0.7v0v2f2-rh2,
式中:v0为容重, 1.25 kg/m3;vf为风速, m/s;-r为烟囱的平均外径, m;h为烟囱高度, m.
将v0=1.25 ,g =9.8 ,vf=20 ,-r =4 ,h=100代入得mf=714.3 n•m.
烟囱自身重力形成的重力矩mg= pr,p为烟囱自重, kn;r为烟囱底部外径, m.
将p=1 200 kn,r =4.85 m代入得mg=6 110 n•m .由计算知:按荷载规定的五十年遇的大风风载值仍远小于重力矩,故施工期间筒体稳定.
2.5 烟囱定向倾覆计算[3,4]
整个爆破缺口起爆后,必须确保烟囱按预定方向倒塌.为此,应进行倾覆计算.
(1)倾覆力矩的计算.切口上面全部重量w=12 600 kn,根据数学推得主形心轴距离y,见图2.
y =23r3- r3r2- r2sin(α/2)(α/2),
其中,α为保留部分所对应的角度, (°),由以上可知α=139°,可得y=359 cm.
倾覆力矩:m = wy =4.52×107n•m
(2)截面抗倾覆力矩计算.
钢筋受拉中心轴位置:β=cos-1( y/r) =42.3°
y1= rcos(p0/2) =4.52 m
钢筋受拉面积:a =π(1.62×160+1.22×168)/(4×3) =170.5 cm2钢筋流限值rflow取333.43 mpa拉倾覆力矩计算:m拉= a钢×y1×rflow=2.60×107n•m因为 m倾> m拉,所以,烟囱在缺口爆破后能按预定方向顺利倒塌.
3 爆破效果及其分析
烟囱准确按预定方向倒塌;飞石、空气冲击波及由爆破而引起的振动均未损坏周围建筑物;烟囱未发生后座,其在倒塌过程中分为四段解体并有一定的前冲,产生分段解体的主要原因是由于烟囱高度较高,在倾覆过程中重力产生的惯性力超过了钢筋及混凝土的抗拉强度,致使钢筋被整体拉断而分段解体,解体后其总长度约有120 m,但均在控制范围之内,未对周围保护物造成任何危害.
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