120 m烟囱爆破拆除倒偏原因分析

周凤仪,刘士兵,王本凤,胡 军,曾寿礼

(1.国防科技大学工程兵学院, 湖南长沙 410003;2.湖南神斧民爆集团工程爆破有限公司, 湖南长沙 410013)

120 m烟囱爆破拆除倒偏原因分析

周凤仪1,刘士兵2,王本凤2,胡 军2,曾寿礼1

(1.国防科技大学工程兵学院, 湖南长沙 410003;2.湖南神斧民爆集团工程爆破有限公司, 湖南长沙 410013)

根据被爆烟囱倒偏约 13°的实际,从爆破切口中心线两侧拟爆除体承载强度的不对称、爆破切口中心线两侧竖筋失稳承载力的不对称、后支撑体中心两侧竖筋抗拉断力的不对称、后支撑体中心两侧材料强度的不对称 4个方面,对烟囱实际倒塌方向偏离设计倒塌方向的原因进行了深入的分析。

烟囱定向爆破;倒塌方向;烟道口;偏差原因

1 烟囱结构

座落于某电厂的钢筋混凝土烟囱高 120 m,距地面 5 m处的外径为 9.7 m,壁厚 0.38 m;HRB335单层配筋,竖筋Φ20@150,环筋Φ16@200;上口外径 4.5 m,壁厚 0.18 m;在西向地面上有宽 1.8 m、高 2.5 m除灰口,在距地面 3 m有除灰漏斗平台,在距地面 4 m处正南、北向各有一宽 4 m、高 8 m烟道口,正北烟道口已封堵;烟囱混凝土强度等级为C25,质量为 1800 t,质心高度为 46 m,每度圆心角对应的弧长为 8.46 cm。

2 爆破设计与爆破效果

倒塌方向线定在南偏西 11.8°,即烟道口中心线右偏 11.8°。烟囱倒塌中心线与烟道口中心线的位置关系见图1。

图1 倒塌中心线与烟道口中心线的关系

爆破切口为正梯形,切口底排孔距地面 5 m,即在烟道口底沿以上 1 m;爆破切口长度 L=0.59πD=0.59π×9.7=18 m,对应的圆心角为 212.4°;爆破切口高度 h=6δ=6×0.38=2.28 m,实取 2.4 m。

烟囱壁厚δ=0.38 m,烟囱内部打孔,孔径 40 mm,爆破参数见表1。

表1 爆破参数

起爆后,历时约 11 s烟囱全部落地,方向向东偏约 13°,见图2。

图2 设计倒塌中心线与实际倒塌中心线示意

3 烟囱倒偏原因分析

将爆破切口选在烟道口高度范围内,导致了爆破切口中心线两侧拟爆除体承载强度的不对称、爆破切口中心线两侧竖筋失稳承载力的不对称、后支撑体中心两侧竖筋抗拉断力的不对称、后支撑体中心两侧材料强度的不对称,这些“不对称”因素是烟囱倒偏的直接原因。为便于叙述,用图3示出了切口爆除体与余留支撑体条块。

图3 切口爆除体与余留支撑体条块

3.1 爆破切口中心线两侧拟爆除体承载强度不对称

(1)爆破切口中心线两侧拟爆除体的荷载。爆破前,烟囱处于稳定平衡状态,烟囱总质量分配给爆破切口中心线两侧拟爆除体的分质量是相同的,即M0.5爆=0.5×(总质量×切口圆心角 /360°)=531(t)。

(2)爆破切口中心线两侧拟爆除体的承载面积。切口左爆除体承载面积S1=65.1/360π(-)=2.012(m2)。切口右爆除体承载面积 S2=

(3)爆破切口中心线两侧拟爆除体承载强度。切口左爆除体承载强度σ混左=M0.5爆/S1=2.59(MPa)。切口右爆除体承载强度σ混右=M0.5爆/S2=2.19(MPa)。

计算结果表明,爆破切口中心线两侧拟爆除体的载荷强度是不对称的,左侧大,右侧小,左侧较右侧有优先失稳的趋势。

3.2 爆破切口中心线两侧竖筋失稳承载力不对称

(1)爆破切口中心线两侧竖筋根数不同。切口左侧竖筋根数 N1=(65.1πR外/180)/0.15=37(根)。切口右侧竖筋根数 N2=(76.8πR外/180)/0.15=44(根)。

(2)爆破切口中心线两侧单根竖筋承载力不同。切口左侧单根竖筋承载力 F筋左=M0.5爆/N1=140643(N)。切口右侧单根竖筋承载力 F筋右=M0.5爆/N2=118268(N)。

计算结果表明,爆破切口中心线两侧单根竖筋承载的力是不同的,爆除体被起爆后,暴露的竖筋左侧承载的力大,右侧承载的力小,左侧较右侧有优先失稳的趋势。

3.3 后支撑体中心两侧竖筋抗拉断力不对称

(1)支撑体中心线两侧竖筋根数不同。支撑体左侧竖筋根数 N3=(56.2πR外/180)/0.15=32(根)。支撑体右侧竖筋根数 N4=(44.3πR外/180)/0.15=25(根)。

(2)支撑体中心线两侧竖筋抗拉断力不同。HRB335钢筋拉断强度为 455 MPa,单根Φ20竖筋的截面积为 314 mm2,计算支撑体左、右竖筋抗拉断力为:支撑体左侧竖筋抗拉断力 T左=32×455×314=4571840(N);支撑体右侧竖筋抗拉断力 T右=25×455×314=3571750(N)。

计算结果表明,爆破切口中心线两侧竖筋抗拉断力是不同的,即左侧竖筋的抗拉断力较右侧高1.28倍,有右侧竖筋被先拉断而利于左偏转的趋势。

3.4 后支撑体中心两侧材料强度不对称

烟道口部位囱壁材料长期受高温烟气影响,造成材料强度一定程度的折减。由烟囱设计规范可知,C25混凝土在温度为 20℃时的强度标准值为16.7 MPa,当温度为 200℃时的强度标准值为 12.1 MPa,高温下强度标准值只有常温下强度标准值的72.5%;而 HRB335钢筋在温度为 20℃时的强度标准值为 335MPa,当温度为 200℃时其强度标准值为285 MPa,高温下强度标准值只有常温下强度标准值的 85.1%。

由于囱壁材料距离烟道口有远有近,壁体材料温度与温度折减系数也不同,加之设计倒塌中心线与烟道口中心线有 11.8°的夹角,使倒塌中心线与支撑体中心线两侧对称点的材料强度有差异,这也是倒偏的重要因素。

分析表明:“四个不对称”是导致烟囱偏离设计方向 13°的主要原因,所以有爆破专家作出了“爆破切口不宜选择在烟道口高度范围内”的结论。

[1] 王旭光,于亚伦.拆除爆破理论与工程实例[M].北京:人民交通出版社,2008.

[2] 朱朝祥,崔允武,高 星,等.两座高 120 m钢筋混凝土烟囱的爆破拆除[J].工程爆破,2008,(2).

[3] 刘殿书,刘宏刚,于亚伦.钢筋混凝土烟囱爆破拆除倒塌方向的控制[A].中国爆破新技术Ⅱ[C].北京:冶金工业出版社,2008.

[4] 赵福兴.控制爆破工程学[M].西安:西安交通大学出版社,1988.

[5] GB50051-2002.烟囱设计规范[S].

2011-06-26)

周凤仪(1949-),男,注册爆破高级工程师,主要从事爆破技术工作。