烟囱定向爆破拆除倒塌过程*

言志信，叶振辉，刘培林

（1.西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃 兰州 730000；

2.兰州大学土木工程与力学学院，甘肃 兰州 730000）

烟囱定向爆破拆除倒塌过程*

言志信1，2，叶振辉1，2，刘培林1，2

（1.西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃 兰州 730000；

2.兰州大学土木工程与力学学院，甘肃 兰州 730000）

针对烟囱爆破拆除，通过建立烟囱倒塌的力学模型，运用数学方法推演了烟囱最大弯矩区域和最大剪应力区域。此外，采用有限元软件ANSYS／LS-DYNA对烟囱倒塌过程进行了数值模拟，并与实际倒塌过程相比较。数值模拟结果表明，在距离地面约1／3、1／2和2／3处，筒体有应力集中现象，这些部位在烟囱倒塌过程中容易折断，这与理论分析和实际过程相吻合。烟囱折断发生的位置和时间与筒体的切口形状和筒体材料的力学性能密切相关，砖烟囱和钢筋混凝土烟囱的力学性能存在明显的差异。

爆炸力学；力学模型；ANSYS／LS-DYNA；烟囱；爆破拆除

1 引 言

20世纪80年代以来，拆除爆破得到了广泛的应用，拆除爆破趋向高层化，难度不断加大，各类高层建（构）筑物控制拆除爆破成功的例子不胜枚举。目前为止，我国用爆破法拆除的最高建筑物为高93.05m的中国银行温州市分行大厦，最高的烟囱是国电成都热电厂的钢筋混凝土烟囱，高210m。烟囱在倒塌过程中的折断现象，一直被关注［3－11］。

本文中，依据数学原理分析高耸构筑物烟囱折断的机理，并结合有限元分析软件ANSYS／LS-DYNA对烟囱爆破倾倒过程中的折断问题进行深入探讨。

2 烟囱爆破拆除的基本原理

烟囱的爆破拆除原理是在烟囱的底部用爆破方法炸出1个一定宽度和高度的缺口，使由重力对余留支撑体偏心引起的倾覆力矩大于或等于余留支撑体截面的极限抗弯力矩。此外，在切口闭合时重心偏移的距离应大于缺口处烟囱的外半径。

爆破缺口的形状在烟囱初始倾倒阶段具有辅助支撑、准确定向、防止折断和控制后座的作用，其中梯形缺口和倒梯形缺口的三角形有利于倾倒过程定向准确、平稳，并有效地防止后坐。所以一般爆破缺口都选择梯形或倒梯形。

3 烟囱爆破ANSYS／LS-DYNA动力分析模型

3.1 烟囱的力学模型

大部分的烟囱都是上细下粗的，并且竖向尺寸远大于横向尺寸。为了简化力学分析模型，把烟囱体看成上细下粗的筒体结构。假设密度为ρ，由于烟囱是1种细而长的构筑物，所以可以假定烟囱的高度H和烟囱的母线长L之间满足H≈L。设烟囱顶部半径为R1，底部半径为R2，烟囱的质量为m，角加速度为β。容易求得距离地面y处的筒体半径

烟囱在倾倒过程中与竖直方向的夹角为φ时，由刚体转动定律，有

现在取烟囱筒体的任意1个质量微元为Δm，把它单独作为1个研究对象，那么它受到相邻质量对它的总的外力向量为F，与转动支点之间的向量为r，则可得

理想刚性体内部不传递力，也不存在应力张量T，当然也就不能传递机械能流。然而，完全刚性体是不存在的。对于连续媒质，不论固体还是液体，内部都存在应力张量T，且都不为零，这就为机械能流S的传播提供了必要的条件。烟囱倒塌过程中取球面坐标系 （θ，r），则机械能流的能流矢量

因为烟囱只在φ方向上运动，因此vθ＝vr＝0；而能流的传递一定是沿r方向进行的，因此Sθ＝Sφ＝0，有τrφvφ＝Sr，τrφ是截面的横向切应力。

根据理论力学中的转动理论，有

切应力的大小主要由λ、r、φ等3个量决定的，一旦爆破的对象确定，λ也就随之确定，而切应力由r、φ所决定。

通过MATLAB软件进行数值分析，得出的结果是半个连续的抛物面，现摘出部分数值计算结果，如图1所示。

图1 MATLAB数值计算结果Fig.1Result of numerical calculation by MATLAB

当λ＝0.25时，剪应力最大值在0.55 H处。这是当0≤λ≤1时，所有剪应力取最大值时最大的高度，即切应力的最大值点在（0.50～0.55）H之间。

3.2 ANSYS／LS-DYNA材料模型选取

众所周知，砖烟囱由砖块和砂浆2种材料组成，钢筋混凝土烟囱由钢筋和混凝土2种材料组成。在建模的过程中有分离式建模和整体式建模，还有就是两者结合的组合式建模，分离式建模比整体式建模更贴近实际。

根据模拟的实际情况，选取经典塑性随动模型MAT＿PLASTIC＿KINEMATIC［14］，本构关系为

式中：σ0为初始屈服应力为应变率；C和P为Cowper Symonds应变率参数；为有效塑性应变；Ep为塑性硬化模量

式中：G为切线模量；E为弹性模量。

4 模拟实例

4.1 砖烟囱的模拟

对1个实际爆破拆除的砖烟囱倒塌过程进行模拟分析。某砖砌工业筒形烟囱高度为40m，底座高0.2m，底部外直径为3.3m，顶部外直径为2.5m，筒体内直径为2.0m，底部壁厚度为0.6m，内衬厚度为0.2m。爆破缺口选取开口240°、高2m的梯形缺口。

采用分离式建模，砖体和砂浆均采用SOLID164单元，地面采用SHELL163单元。如果严格按照结构设计的砖块和砂浆尺寸，那么庞大的计算量普通的PC机难以承受。所以设定砖层厚度为0.3m，砂浆层厚度为0.05m，建立烟囱的有限元模型，设定面面接触中的自动单面接触。为了能模拟不同砖结构强度的烟囱倒塌，选择改变第1主应力失效值σp1来实现。主应力值设为1.8～3.0MPa。

数值模拟的结果表明：发生折断的部位一般都是在距离地面约1／3和1／2处。现给出部分砖烟囱体动态模拟结果，如图2所示。g p y p y g

图2 砖烟囱动态模拟结果Fig.2 Dynamic simulation of the brick chimneys with the different failure values of the first principal stress

图3 实际爆破倒塌过程Fi.3Twoexamlesofactualchimnecollasebblastin

图3（a）是1个高35m的砖烟囱在筒体中下部拉断的截图，图3（b）是某校建筑工地高65m的砖烟囱在筒体中部剪断的截图。

4.2 钢筋混凝土烟囱的模拟

对1个实际爆破拆除的钢筋混凝土烟囱倒塌过程进行模拟分析。某电厂钢筋混凝土烟囱，高度为120m，烟囱底部外半径为6m，顶部外半径为3.2m，壁厚度为50cm，立筋直径为22mm，箍筋直径为12mm。爆破缺口布置在距地面50cm处。爆破切口采用梯形缺口，缺口对应圆心角为220°，烟囱外周长L＝37.7m，缺口长度L′＝23m，缺口高度取3m。

采用节点的分离式模型，按实际尺寸建立有限元模型。在模型中，仅考虑结构的主要承重部件，对烟囱的附属设施进行简化。钢筋和混凝土都采用塑性硬化材料，钢筋采用BEAM161单元，混凝土采用SOLID164单元。为了能模拟不同结构强度的烟囱倒塌，选择改变第1主应力失效值σp1来实现。主应力值设在11～20MPa之间。

数值模拟的结果表明：发生折断的部位一般都是在距离地面约1／3和1／2处。现摘出部分钢筋混凝土烟囱体动态模拟结果，如图4所示。

图5是山东新汶电厂拆除的高120m的钢筋混凝土烟囱在倒塌过程中，中部发生折断的截图。

图4 不同第1主应力失效值的钢筋混凝土烟囱动态模拟结果Fig.4 Dynamic simulation of the reinforced concrete chimneys with the different failure values of the first principal stress

图5 一个实际爆破倒塌过程的截图Fig.5 Aphoto from the actual collapsing process of a reinforced concrete chinmey by blasting

5 结 论

综上所述，在烟囱爆破拆除过程中，烟囱的折断现象必须引起足够的重视。本文中运用第1主应力的变化来模拟不同强度烟囱的倒塌过程，模拟效果较好。

（1）虽然折断的位置受很多因素的影响，但是烟囱的折断一般发生在距离地面1／3、1／2和2／3处，烟囱筒体材料的力学性能（尤其是抗拉和抗剪强度）对折断的位置起决定作用。

（2）数学方法证明，在距离地面约1／3和1／2处分别是烟囱弯矩最大和剪应力最大处，烟囱的折断多发生在这2处；距离地面约2／3处也是应力集中处，它的剪力也很大，这是烟囱易发生折断的数学和力学依据，这与LS-DYNA数值模拟的结果和实际爆破倒塌过程的折断位置相吻合。

（3）运用机械能流方法，得出剪应力的位置与筒体的结构有关，最大剪应力的位置在（0.50～0.55）H之间。最大弯矩的位置在（0.250～0.375）H之间。这与以往一些学者的研究结果有所不同，数值模拟和实际爆破倒塌也说明了这个问题，具体的位置与筒体的上下半径有关。

（4）对砖烟囱和钢筋混凝土烟囱分别采用分离式模型进行建模，较好地体现了2种不同材料烟囱的物理力学性能的差异。从理论分析和数值模拟来看，钢筋混凝土烟囱和砖烟囱的折断从力学本质上是一致的，只是钢筋混凝土烟囱较砖烟囱的力学性能有显著地提升，所以折断发生的较少。

（5）从数值模拟的结果来看，钢筋混凝土烟囱在发生折断的初期，往往是混凝土被破坏和钢筋被拉弯；后期，钢筋才被完全拉断，这样也使折断部分不至于前冲过大。在折断的位置，拉应力和剪应力都很大，折断通常是两者共同作用的结果。

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Collapsing process of chimney demolition by directional blasting＊

YAN Zhi-xin1，2，YE Zhen-hui1，2，LIU Pei-lin1，2
（1.Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western China，The Ministry of Education of China，Lanzhou730000，Gansu，China；
2.School of Civil Engineering and Mechanics，Lanzhou University，Lanzhou730000，Gansu，China）

The basic principles of chimney blasting demolition were introduced.Aimed to the collapsing process of chimneys，the mechanical models were developed to derive the largest ranges of chimney bending moment and shear stress by the mathematical methods.And the collapsing processes of chimneys were simulated numerically by using the finite element software LS-DYNA3Dand the simulated results were compared with the actual collapsing process of chimneys.It is revealed that the finite element software LS-DYNA3Dcan be used to stimulate the collapsing process of chimney blasting，for instance，the parts at the distances from the ground about 1／3，1／2，and 2／3，where there are stress concentration phenomena，are easily to be broken during the collapsing process.The broken part and time of the chimney links closely to the cutting shape and the physical and mechanical properties of the structure itself.There is obvious difference between the brick chimney and reinforced concrete chimney.

mechanics of explosion；mechanical model；ANSYS／LS-DYNA；chimney；blasting demo-lition

23November 2009；Revised 22March 2010

YE Zhen-hui，yzh3071313＠163.com

（责任编辑 张凌云）

O383.3 国标学科代码：130·3520

A

2009-11-23；

2010-03-22

甘肃省科技支撑计划项目（1011GKCA019）；甘肃省建设科技攻关项目（JK2010-43）

言志信（1961— ），男，博士，教授，博士生导师。

1001-1455（2010）06-0607-07