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120m钢筋混凝土烟囱控制爆破拆除
摘 要:在狭长区域内实施高烟囱定向爆破拆除,必须解决精确定向和落地冲击问题。本文结合峨眉铝业集团120m钢筋混凝土烟囱的爆破拆除,介绍了出灰口、后坐和偏心等几个重要问题的处理,提出了控制定向精度的方法和工艺手段。文中还介绍了爆破缺口参数的计算、震动安全距离的校核以及作者的体会。
关键词:烟囱;定向爆破;空气扰动;落地震动
1 引 言
100m以上的钢筋混凝土烟囱因结构、环境各异,拆除风险较大,一直吸引着广大爆破工作者的兴趣。峨眉铝业集团120m钢筋混凝土烟囱就是一个极具代表性的特例。设计时,我们充分考虑了烟囱实际重心与理论重心偏移造成的影响,考虑了风向可能造成的影响以及结构不对称可能产生定向偏差的校正等问题。同时,对于烟囱落地时的冲击及空气扰动做了相应的安全设计,确保工程的顺利实施。
2 工程概况
峨眉铝业集团电冶厂出于对环境保护的考虑,改变了冶炼工艺。随之,已使用了10年的120m钢筋混凝土烟囱需尽快拆除。烟囱坐落在两电冶厂房的中间,厂房总长约230m,烟囱中心线距两侧厂房基础均为13m。倒塌方向前方136m处为工厂围墙,后方距烟囱轴线9•8m处为冶炼厂的配电车间。烟囱根部直径8•62m,顶部直径3•82m。10m标高以下壁厚50cm,为双筋布置,外立筋20mm,内立筋16mm。内衬隔热砖厚度24cm,中间有5cm的隔热层。整个烟囱混凝土总方量约591•8m3,自重1830t(包括内衬),重心高度39•8m。要求,爆破时电冶厂不能停产。
3 爆破设计
3•1 烟囱倒塌方式及缺口位置确定
根据烟囱周围环境,通过查阅烟囱的原始资料和现场实测结果,充分考虑到烟囱爆破的安全性、可靠性等因素,决定烟囱爆破采取定向倒塌方式。爆破缺口布置在距地面50cm以上,设计倾倒中心线为1#、2#冶炼厂的对称线。
3•2 爆破缺口设计
选用梯形缺口,缺口对应圆心角为220°,烟囱外周长度L =27•08m,故缺口长度L′=16•55m,缺口高度取2•5m,定向窗底角α=40°,如图2、3所示。
(1)定向倾倒稳定性计算。按底端固定、顶端不能转动的欧拉压杆公式计算,其失稳的最小炸高为:hmin= (2/16) Nπ3E/prc其中:N为缺口范围内竖向钢筋的数量,N =200;
为竖向钢筋的直径,=20mm;E为钢筋的弹性模量,E=2•2×106kg/cm2=2•16×105MPa;prc为单根钢筋所受载荷,prc= p/N=9150kg。经计算得hmin= 31cm,即失稳临界炸高为0•31m。考虑到必须使烟囱可靠倾倒,实际炸高取h =2•5m。
(2)烟囱预处理后的稳定性校核。烟囱预处理后,其剩余壁体的支撑面积S2为:S2= (2π×4•06-2•5×2)×0•5 = 10•25m2此时,烟囱荷载产生的压应力:σ=1830×10310•25×104=17•85kg/cm2=1•785MPa烟囱混凝土抗压强度:σc=20MPa,远大于1•785MPa,因此,预处理后烟囱不会因载荷作用使剩余壁体压溃而坍塌。
(3)烟囱爆破缺口形成瞬间,余留部分扇形薄壁圆环截面的静力学计算。倾倒方向缺口形成瞬间,余留截面除承受烟囱自重产生的压应力,还承受偏心弯矩产生的拉、压应力。图4为爆破缺口所对的圆心角为220°时,余留截面受力计算图。
Y1= r•sinα/α=3•125m
余留截面惯性矩:Jx=(δ•r3/2)[2α+sin2α-
4sin2α/α] = 3•286m4
受拉区抗弯模量:
Wx拉= (δ•r2/2){[(2α+sin2α-sin2α/α)]
/[1-sinα/α]} = 3•50m3
受压区抗弯模量:
Wx压= (δ•r2/2){[2α+sin2α-4sin2α/α)]
/[sinα/α-cosα]} =1•89m3
烟囱自重产生的偏心受压弯矩:
M = G•Y1=5•72×106(kg6;m)
余留薄壁截面上的应力:
受压区σ压= G/F+ M/Wx压= 37•88MPa
•28•工 程 爆 破受拉区σ拉= G/F+ M/Wx拉=-14•43MPa
(“-”表示受拉)
由此可见,爆破缺口形成瞬间,余留部分受压区砼压溃,而受拉区混凝土被拉断,完全可实现精确定向。
(4)风载作用。作用于烟囱上的风力:
Δp = (0•7γ0/g)•(v2f/2) =0•046v2f= 2•994kg/m2
式中:γ0为空气密度,γ0=1•29kg/m3,vf为风速,
这里取vf= 8m/s。
作用在烟囱上的风弯矩:
M风=Δp•-R-H2=8•34×104(kg•m)其中:-R为等效半径,-R =4•06m;-H为等效高度,
-H =0•7H烟囱=84m,H烟囱为烟囱高度。由此可见,风载作用较烟囱自重小两个数量级。
3•3 孔网参数设计
取a = b =35cm,孔深L =0•6δ=30cm。平均单耗q =1500 g/m3,得每孔装药量90g。采用非电毫秒微差雷管并联与瞬发电雷管串联的复式网路,第一段在爆破缺口的中部,对称取115孔,选用MS3段,单响药量为10•35kg;第二段为爆破缺口余下的116个炮孔,选用MS5段,单响药量为10•44kg。
4 安全设计与校核
4•1 爆破震动校核
由于配电车间基础距烟囱外壁5•5m,且正坐落在烟囱20m圆形基础的边缘上方,因此要对其进行爆破震动安全校核。此次爆破总药量为20•79kg,其中最大一段药量为10•44kg。考虑到药包均装在烟囱壁上,对周围基础的直接作用应在最下一排,又考虑到萨道夫斯基公式是用来计算地下药包爆炸时对周围建筑产生的震动的,经综合分析,取最下一排药量的50%,计算爆破时对配电车间的震动影响。于是有:
Q =(1/7)×10•44×50% = 0•75kg根据 v = K(3Q/R)α
取K=150,α=1•5,计算得v=4•23cm/s,小于安全振速(5cm/s),故不会对框架结构的配电车间产生破坏性影响。
4•2 烟囱塌落震动校核
按中科院工程力学研究所提供的塌落振动速度公式计算:
v′=0•08(I1/3/R)1•67
式中,I为触地冲量,I= M(2gH)1/2; M为塌落构件质量,M =1830×103kg;H为塌落构件重心落差,H =39•8m;R为目标点与构件触地中心的距离,m。针对电冶厂房(R =13m),计算得:v =
21•57cm/s。因此,必须对地面实施严格的缓冲防护,确保倒塌过程逐点缓冲落地。
4•3 安全防护设计
(1)在爆破缺口前方堆码3m高的砂袋,将爆破区全部围住,以免飞石伤及周围。
(2)用10层草帘将布药处覆盖。
(3)沿倒塌方向,每隔15m挖一宽1m、深1m的隔震沟,并将挖出的土堆成缓冲墙,上面覆盖3层草帘。
(4)在厂房基础外侧5m处,沿倒塌方向挖深1m、宽1m的隔震沟,总长125m。
(5)在烟囱顶部落地处挖深2•5m的安全坑,内置缓冲材料1m厚,以减轻最大冲击点的破坏。
5 重要问题处理
5•1 出灰口问题
烟囱倒塌方向右侧有一出灰口,80%与定向窗重合,20%位于缺口之外的余留扇形区。因此,可能
会对倾倒方向产生影响。经计算分析,进入余留扇形区的出灰口在爆破瞬间处于受压状态,当烟囱出现倾倒后,逐渐转为受拉状态。为了不使进入受拉状态后出现烟囱根部受拉不对称而造成偏转,采取对称性地切除相应部位的钢筋来平衡之。另外,按接近等强度的要求,砌实出灰口。
5•2 后坐问题
由于烟囱后方5•5m处是配电车间,因此必须严格控制后坐范围。所采取的措施是:①保留缺口区的内层钢筋,切断其全部的外层钢筋,部分对称切除余留扇形区外侧钢筋。这样,有利于形成倾倒方式,减轻后坐压力;②控制140°圆心角范围内的余留扇形区,保持倒塌过程中受压区强有力的支撑力;
③采用梯形切口,尽可能降低定向窗位置。
5•3 偏心问题
经现场勘测,烟囱顶部中心朝倒塌背向偏离设计中心8•2cm,水平投影偏转角为17°6′10″。虽然向后的投影偏转角较大,但由于偏离量较小,占半径范围的1•9%,计算出由此产生的附加弯矩约为倾倒弯矩的1%。为此,我们将余留扇形区的位置向重心偏移相反的方向偏转0•5°~0•6°,也就是将定向窗口的位置各向重心偏移的相反方向移4cm。
6 爆破效果及体会
爆破完全达到了设计目的,烟囱沿倒塌方向没有发生前冲、后坐现象,落地震动没有影响到两冶炼厂房的正常生产。烟囱落地位置较设计位置向背离出灰口的方向(也就是几何重心偏离方向)偏转了1•2°,即头部较设计位置左移了2•5m。靠近烟囱根部40m的范围内变形不大,尤其是根部10m范围内仍保持着完整的圆桶状; 40m至60m范围内逐渐变成半圆桶,60~90m上半圆桶明显龟裂且逐渐变平,90~120m已看不到较大的圆弧结构。烟囱落地产生的风速很大,气流将仓库的卷帘门吹落并使其卷为一团,铁皮烟囱吹落至地面,并将距烟囱136m处正对烟囱头部的一段约5m长的墙体吹塌。据坍塌墙体的现场观察,没有任何结构件或块体打击到墙上。因此,通过分析认为,墙体的坍塌主要是烟囱内瞬间喷出的高速气流及烟囱下落时挤压前方空气产生的气流共同形成强大推力作用在围墙上所致。由于防护工作做得很好,地面所有堆码体都覆盖了草帘,因此没有飞石伤及任何设施。通过这次爆破,我们的体会是:
(1)对于高大钢筋混凝土烟囱的拆除,精确定向应考虑:①定向窗的精确测量与施工;②出灰口的处理一定要考虑其在倒塌过程中的应力变化过程,以便对称处理;③精确测量烟囱的几何偏心,做到心中有数,并根据计算结果给予修正。
(2)通过烟囱余留部分扇形薄壁截面的静力学分析,确定合理的受压区面积,保证不出现大范围压溃现象,就能有效地控制其后坐程度。
(3)风和日丽的气象条件下,一般可不考虑风载
对烟囱的作用。
(4)要充分考虑烟囱落地冲击问题,有效地设计好隔震沟和缓冲带,这可大幅度地降低震动波的传递。
(5)对于狭窄的空间,一定要做好对空气扰动的安全导流与安全防护。
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于领先地位，并率先通过了国际质量体系认证。