发电厂双曲线型冷却塔的定向爆破拆除及爆破效果数值分析❋

高文乐 朱茂迅 李元振 张泽华

①山东科技大学土木工程与建筑学院(山东青岛，266590)②中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院(山东青岛，266580)

引言

目前，国内冷却塔多为薄壁双曲线型钢筋混凝土结构，具有自重大、重心低、直径下大上小的结构特点。 冷却塔稳定的塔体结构使其在爆破拆除过程中容易产生塔体后坐、塌而不倒和爆堆过高等现象。国内冷却塔的爆破施工技术主要依靠以往的工程经验，爆破拆除理论研究滞后于工程实践。 而采用LS-DYNA 数值模拟技术对冷却塔的爆破拆除进行预演和重现，则能较好地弥补理论爆破设计方面的缺陷和不足。 利用LS-DYNA 数值模拟技术建立冷却塔整体式模型，对冷却塔倒塌过程中的整体失稳进行数值计算，并验证爆破方案。

1 工程概况

冷却塔位于十里泉电厂，实体图见图1。 塔高92.0 m，底部外径73.6 m，顶部外径为43.2 m。 筒体为双曲线型，标高5.8 m 以下有40 对支撑筒体的人字形立柱，立柱断面尺寸为0.4 m×0.4 m。 环形梁高度为1.2 m，混凝土强度等级为C30。 混凝土总体积约3 100 m3，质量约8 060 t。 冷却塔所处电厂位于市区内，电厂周围西侧是居民区。 待爆破的3＃冷却塔周围环绕车库、办公楼、架空电缆和管道等设施，周边环境十分复杂。 周边环境示意图见图2。

2 爆破方案设计

在对高大型建筑物的爆破拆除中，倒塌方式为定向倒塌和原地倒塌。 如果采用原地倒塌的爆破拆除方式，首先钢筋混凝土结构的冷却塔经过常年风化导致四周结构强度不一致，难以保证爆破时底部结构破坏相同，冷却塔将会出现任意方向的倾倒，造成不可预估的后果；其次，冷却塔爆破后会产生堆积物过高等现象，影响后续工程运输处理。 而定向倒塌则可以充分运用机械开凿的定向窗口让冷却塔向预定方向倾倒，并且倒塌距离也可以得到有效控制。为保证冷却塔周边电厂设施不被破坏，确保冷却塔顺利倒塌，根据环境确定冷却塔倒塌方式为定向倒塌，方向为西偏南10°。

2.1 预拆除

为减少钻孔工作量，使冷却塔顺利坍塌，对其进行人工机械预拆除。 用油锤拆除冷却塔内、外部152 根顶柱、4 个提水井、爬梯、铸铁篦子和导水槽等构件；在爆破切口圈梁上方(直径67.8 m)，用油锤开凿7 个窗口，窗口高6.6 m、宽5.6 m，中间预留支撑墙6 个，每个支撑墙的宽度是16 ～17 m；在靠近倒塌中心线的3 个定向窗上方，开凿3 条纵向切缝[1]；为减少炮眼数目和保证冷却塔倒塌的方向，将爆破切口内的中间人字支柱机械拆除一对。

2.2 爆破切口

爆破切口要确保冷却塔按预定的方向顺利倒塌。 根据高大筒形建筑物的爆破拆除经验，爆破切口的长度一般约为切口处周长的2/3，即爆破圆心角为220° ～240°[2-3]。 经比较，本次工程爆破中切口圆心角取235°，切口长151.0 m，对底部26 对人字柱进行爆破(人工拆除一对)；冷却塔爆破切口为矩形，切口高度H＝人字形立柱高度＋圈梁高度＝5.8 m ＋1.2 m ＝7.0 m，爆破切口展开图见图3。

2.3 爆破参数

按照多打孔、少装药的原则设计爆破切口参数，最大程度地减小爆破振动、爆炸冲击波和爆破飞石对厂区和居民区的影响。 依照设计，对底部26 对人字立柱、环形圈梁和塔壁支撑墙装药爆破。炮孔参数如表1 所示。

表1 冷却塔爆破切口孔网参数Tab.1 Parameters of blasting cut hole network of cooling tower

2.4 起爆网路

针对电厂内特殊环境，为防止各种电流对起爆网路的影响，采用非电毫秒延期控制爆破技术。 为保证每个炮孔都能顺利起爆，将爆破切口内的1 570发毫秒导爆管雷管分成6 组3 个爆破区，每组一个段位，这些导爆管用四通连接。 第Ⅰ爆破区(MS-1)导爆管雷管共用438 发，第Ⅱ爆破区(MS-3)导爆管雷管共用502 发，第Ⅲ爆破区(MS-5)导爆管雷管共用630 发；每个炮区分别连接双回路网路，最后再将这3 个爆破区用四通连接。 孔内延时，四通双回路网路，用起爆针连接放炮线，引到200 m 之外，用发爆器起爆。 起爆网路如图4 所示。

3 安全及防护

3.1 爆破振动速度

冷却塔最大一段炸药起爆量为第Ⅲ爆区的630个炮眼装药量Qmax，为32.3 kg。 爆破振动公式[4]

式中：K′＝0.3，K ＝150，α ＝2.1。 可计算不同距离R处的最大爆破振动速度。

爆破振动速度见表2。

根据《爆破安全规程》[5]规定，爆破产生的最大振动速度对周围居民区和发电厂的影响均在安全范围之内。

3.2 塌落振动速度

中科院提出的触地振动速度公式为

表2 爆破振动速度Tab.2 Blasting vibration speed

求得振动速度vc ＝0.015 cm/s。

振动速度远小于国家标准的规定。 同时，为更有效地减轻地震波对居民区和电厂设施的影响，在倒塌方向有2 000 m3垃圾土，用推土机推出一个30 m×30 m 的防土堤，用于递减冷却塔在触地过程中产生的振动，减轻倒塌瞬间产生的巨大动能对地面及地表附属物产生的破坏；对于防护墙以内的电力设施、电缆、循环管道等，均采用堆土高2 m 的办法进行防护，从而确保居民区和电厂设施安全。

3.3 爆破个别飞散物防护

为了防止飞石和震动波破坏周围建筑的门窗和玻璃，首先用黏土充分填塞炮孔；其次，在人字支柱的炮眼位置围上3 层草垫，每层草垫厚度不得小于4 cm，覆盖之后，用水喷湿，再用两道细铁丝绑紧；同时，在冷却塔西侧架设南北长50 m、高6 m 的草垫防护墙；最后，在炮眼位置覆盖草垫的基础上，在加一层土工布覆盖，土工布和铁丝网组合防护，将其捆绑在炮眼位置。

组合防护结构如图5 所示。

4 有限元数值模拟

采用大型动力有限元软件ANSYS/LS-DYNA 对冷却塔的倒塌过程进行数值模拟。 研究重点是冷却塔底部爆破切口形成后建筑物在重力作用下扭曲、失稳、倒塌的过程，忽略炸药爆炸时产生的空气冲击波等对结构内的影响。 模拟过程中使用的是显式中心差分时间积分法[6]。

在0，……，tn时间步解的情况下求解tn ＋1时间步的解，运动方程为：

式中：M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；U∂为加速度矩阵；Uβ为速度矩阵；P(tn)为外力向量列阵；Fi(tn)为内力矢量，是单元内力和接触力之和；H(tn)为沙漏阻力；定义Fi＝∑(ʃΩBTσndΩ ＋Fh) ＋FC，单元的内力由当前的应力场的散度求得，FC为接触力。

tn时刻的加速度为：

tn ＋1时刻的速度和位移为：

式中：△tn ＋0.5＝(△tn ＋△tn ＋1)/2。

运动方程的求解是非耦合的，不形成总体刚度矩阵，内部矢量包含所有非线性问题，不需要进行收敛检查，对处理接触碰撞、爆炸等宏观大位移、大变形问题具有优势。

有限元模型按照冷却塔的实际尺寸及设计的爆破切口尺寸建立。 采用实体单元Solid164 单元对冷却塔进行网格划分[7-9]；在模型建立过程中，如果完全考虑混凝二者的黏结作用，不仅建模复杂，而且将会耗费大量的计算时间，并且冷却塔的倒塌过程是宏观运动，所以对冷却塔塔体建立整体式模型[10-11]，并采用钢筋混凝土材料∗Mat＿Britlle＿Damage。 其中，密度2 400 kg/m3，弹性模量25 GPa，泊松比0.2，抗拉强度1.5 MPa，配筋率0.5%，钢筋弹性模量210 GPa，屈服极限240 MPa，硬化模量21 GPa。 冷却塔主体采用主应变失效准则，取钢筋的极限应变为0.025，人字柱和圈梁的极限应变为0.05[12-13]。 冷却塔模型见图6。

地面选用刚体材料。 为了保证数值模拟结果更加接近实际爆破效果，地基模型材料需要输入接近真实地面的弹性模量、泊松比等参数。 根据冷却塔倒塌过程与地面接触之后的复杂情况，整个模拟过程采用自动单面接触算法。 最后，通过修改K 文件，采用∗Mat＿Add＿Erosion 关键字定义冷却塔爆破切口处材料失效[14-16]。 在对冷却塔模型做好前处理准备工作之后，将文件导入LS-prepost 进行后处理，可以对冷却塔的数值模拟结果观察和分析。 冷却塔倒塌过程模拟见图7。

从图7 中可以看出，t＝1.5 s 时，爆破切口形成，底部支撑体被压碎破坏，随后冷却塔在自重和倾覆力矩作用下开始向设计方向倾斜；t＝3.5 s 时，筒体发生变形扭曲，混凝土被撕裂破坏，筒体开始自由坍落；t＝9.5 s，冷却塔完全塌落触地解体。 整个倒塌过程持续9.5 s，塔体前倾距离23 m，碎石高度也在控制范围之内，模拟结果较为理想。

5 爆破效果及对比分析

十里泉电厂3＃冷却塔爆破过程如图8 所示。根据实际观测效果，在爆破开始阶段，人字柱、圈梁和塔壁预留支撑墙先后爆破并形成爆破切口，此时下部预留支撑体的极限抗压强度小于上部筒体的重力，在倾覆弯矩的作用下，下部支撑体被压碎破坏，塔体向预定方向倾斜；随后，筒体腹部混凝土出现纵向撕裂；接着，筒体在重力作用下向预定倒塌方向倒塌，直至触地肢解破碎，整个爆破过程持续8 s。

爆破效果表明，冷却塔按设计方向倒塌破碎，倒塌距离和堆积物高度都在可控范围内，并且未出现明显的后坐以及坐塌现象，产生的飞石和爆破振动也都在安全范围之内。

综合对比分析：

1)爆破实际效果和数值模拟结果的倒塌运动规律相似，二者都再现了冷却塔倒塌过程中变形扭曲→扭转撕裂→自由塌落的运动规律。

2)实际爆破前倾距离和模拟结果大体一致。

3)数值模拟选用的塔体材料是理想状态下的，而冷却塔实际上是经过多年风化，故二者破坏形态和倒塌过程用时不一致。

6 结论

1)由于双曲线型冷却塔特殊的结构特点，很难从理论上把冷却塔爆破拆除的倒塌过程描述出来。通过ANSYS/LS-DYNA 软件对冷却塔建立准确的几何模型、材料参数等，则能较好地重现冷却塔的实际倒塌过程。 同时，还能把模拟结果中反映的情况反馈到实际爆破设计当中，用以修正爆破方案，做到冷却塔安全、准确地倒塌。

2)数值模拟结果倒塌时间比实际倾倒过程要长。 导致这种情况的原因可能是：数值模拟采用的是理想状态下的模型材料，而冷却塔是经过常年风化导致塔体结构强度变弱，实际爆破过程中塔体钢筋混凝土结构的黏结力要比理想状态小得多，破坏更为容易，故实际倒塌过程历时比模拟结果略短。

3)使用土工布加铁丝网及草帘组合防护爆破个别飞散物的措施，爆破飞散物控制在20 m 范围内，是控制爆破个别飞散物的一种有效方法。

4)采用矩形爆破切口、合理的炸高并结合充分的预拆除措施，倒塌过程扭曲变形撕裂程度理想，破碎效果和前倾距离较好。