关于烟囱倾倒时折断问题的探究

张佳怡

摘 要：随着经济的发展，人们的需求不仅是“吃饱穿暖”，对环保的要求也不断提高。面对日益严重的大气环境质量问题，下达“控制总量、限制排量”的政策和不少老旧烟囱出现断裂都导致和体现了烟囱倾倒拆除及相关问题的重要性！于是，我查找了相关资料，发现对于拆除烟囱人们通常采取埋药爆破或人工拆除等方法，甚至还出现了大量“专业烟囱拆除公司”，足可见其危险性和重要性。那么怎么样才能在爆破或者人工拆除前，做好完备的准备工作，清楚烟囱倾倒折断运动的断裂大概位置呢？由此困惑，我开始着手分析。为了便于分析烟囱的运动，分析过程中将烟囱的形状简化为均匀的圆柱体（细长杆），且将该倾倒过程视作固定铰支座的定轴转动运动。运用刚体动力学求解出烟囱横截面的剪力表达式， 运用工程力学对其进行内力分析求解出烟囱横截面上的弯矩表达式。发现影响其运动形态的最主要原因是弯矩的大小，剪力影响甚微。分析得出：烟囱爆破最易在距离底端三分之一或三分之二的位置断裂。

关键词：刚体力学；工程力学；剪力；弯矩

中图分类号：TU746.5 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）22-0087-03

虽然出现了大批“专业烟囱拆除公司”，但在我出生长大十余载的北京，仍有很多烟囱未被拆除。目前烟囱拆除分为人工拆除、机械拆除和爆破拆除。但由于北京常年居住人口密度高，而烟囱又因其用途本身而离居住区较近，可以安全让其倾倒后落地的范围就极小，为避免破坏建筑和伤害居民的人身安全，目前存在的烟囱拆除的问题也便尤为凸显出来了。

北方的特性决定了在上世纪末和本世纪初需要建设大量以煤炭为燃料的电厂、供热站，就此出现了众多的烟囱。出于对环境保护和提升能源利用效率的考量，在2012年初北京通过政策支持，逐步开始实现5环以内的无煤化。烟囱是一代人心中的一个符号，诸多人不舍其拆除，但即使只保存下来同时不投入使用，烟囱的风化、老旧仍是一个极大的安全隐患。我认为在像北京具有一样特点的城市中，安全拆除烟囱及烟囱倾倒折断时的折断点仍是个十分值得研究和探讨的问题。

后我对本研究主题范围内已有的文献进行综合评述，发现虽然我们的模型简化程度差异不大，但是他们大多计算的方式过于复杂化。我对其计算的方法通过牛顿第二定律的妙用和微元力系力矩分析不考虑微小转动等方法，简化了繁复的运算过程同时也得到了和实际爆破情况基本一致的可靠结果。当然我的研究中也存在不足，我研究时忽略了烟囱爆破折断时的前冲和下坐问题，也就不能完全依据数据和分析证明其是不是主要的因素，希望之后可以有机会作进一步的分析研究。

1 具体问题的提出

高耸烟囱在倾倒过程中发生空中折断是爆破拆除施工中较为常见的现象，一般出现在砖烟囱和超过150m的钢筋混凝土烟囱。折断和空中二次折断现象一方面在一定程度上缩小了倒塌范围，降低了整体塌落振动，另一方面也形成了安全隐患和经济利益损失的潜在危害。

想要研究这个问题的想法来源于生活。一次开学体检，体检所的旁边可以望见一个挺高的烟囱，直愣愣地立在那里，有些突兀。到了体检所那个烟囱在我的脑海里挥之不去，我问了体检所的老师才知道那个烟囱是否拆除争议很大，所以一直无法着手拆除。二也是因为周围建筑过多，没有足够的区域完成倾倒拆除，所以一拖再拖。那个见证了北京的发展和一代代人成长的烟囱，虽是一个很好的标志，但严重的风化和破损现场很严重，我觉得对周围环境市容和人民的生命安危都不利。回家查找了相关新闻和资料也便有了这个想法。

图1为清华大学内一个正在进行人工拆除的烟囱。

因为清华内建筑较多且其中有诸多价格高昂的精密仪器，不便使用埋药爆破，所以采取人工拆除的方式。据悉，该烟囱已经拆了小半年还没有完工，且拆除这样一个烟囱的价格也高达一百万。如果在附近建筑中可承受相应震动的情况下，缩小爆破折断所需的范围，也就解决了范围小不安全的问题。而且如果使用埋药爆破的方式拆除烟囱有三大好处。一是成本相较于人工拆除大大降低，二是施工速度快、工期短，使烟囱所在的区域可以尽快发挥其正确的用途，三是从人文经济角度，相较于人工拆除其需要的工人数量大大减少，劳动时间也大大缩短，所需低技术类人才减少必然推动科技发展、提高对高端人才培养的重视度。

2 烟囱自身的折断

爆破拆除因具有施工速度快、成本低和安全可靠等优点，所以被广泛采用。

爆破拆除包括定向倾倒、折叠倾倒和原地坍塌三种方案，只要场地允许，一般采用定向倾倒方案。

烟囱爆破拆除的关键是保证定向及坍落范围的准确性及倾倒过程中烟囱上部的稳定性，然而大部分都没有足够的区域让它足够落地，因烟囱倾倒过程中经常出现二次折断，进而研究。

3 简化模型与理论分析

许多烟囱高达百米以上，为了便于分析，可以将烟囱简化为均匀的细长直杆（均匀圆柱体），烟囱倒下过程中，忽略人为因素和空气的干扰，将烟囱倒下过程视为绕底端旋转的定轴转动，如图2所示，烟囱总高H，质量为m，重力加速度为g，倾倒角度为θ，则烟囱受重力mg，作用在其质心处，即处。

图2中黑色细长杆的部分为烟囱，将其简化为密度均匀的实心圆柱。假设烟囱爆破后倾斜角度为θ时，找出其质心为烟囱长度的二分之一处，即为处。忽略其下坐和前冲，视为定轴转动。

所以由此可知，在爆破埋药前应首先考虑弯矩对该烟囱的影响，紧急情况下可忽略剪力等其他因素对烟囱爆破折断的影响。

4 数据验证

根据表1的实例结果，表明大部分烟囱折断位置都在烟囱的1/3位置处，少部分在2/3处折断，与前面的分析结果相符合，证明了上述理论分析的正确性。

由于忽略了空气和认为因素的影响，实际的烟囱和细长直杆模型的差异，以及烟囱的材料的不均匀等，再者实际情况千差万别，会使得实际情况和理论分析有一定的误差。

实际的烟囱的形状可用锥形管近似，可以在本文中细长直杆的基础上进行修正，修正结果会使得断裂位置在烟囱1/3偏上一些，但由于烟囱很高，直径的变化和高度相比很小，也由于误差来源很多，修正的意义不大，另由于时间关系，这里不再进行修正。

所以，烟囱在倾倒的过程中最易在1/3或2/3高度处折断。

5 结语

本文将烟囱模型合理简化后，分析得到烟囱爆破折断时最易在1/3高度处或者2/3高度处折断的结果，实例证明结果与实际工程基本一致。

此外，由显示，烟囱倾倒角为零时无弯矩，无剪力，不会折断，横截面上弯矩M随倾倒角度θ增大而增大，直到强度失效时发生折断，如果材料强度足够大，θ=90°时，即剪力T、弯矩M都达到最大值仍不失效，則烟囱不会在空中倾倒过程中折断。

在爆破也应清楚烟囱的构造和材质，以便判断其是否会发生二次折断。

现在身处的北京城仍存在不少烟囱未被拆除，它们大都也因为周边居民、建筑和可供其倾倒后的范围过小。而利用计算研究中的烟囱的二次折断，判断烟囱的形状在三分之一处或者三分之二处进行合理的埋药和对周围的安全保护措施，即使范围小也可以实现烟囱的低价快速拆除，提高首都市容市貌更保护了居民的生命安全。

参考文献

[1]杨维纮.力学与理论力学[M].科学出版社.2008：151.

[2]范钦珊，等.工程力学[M].国家开放大学出版社.1991.

[3]唐海，梁开水，张成良.烟囱爆破倾倒折断的力学浅析[J].爆破，2003，20（1）：9-11.