复杂环境下高危双曲线冷却塔爆破拆除

李勇;池恩安;张义平;何松;李伟;刘茂新

【摘 要】针对在复杂环境下一座高86 m的冷却塔,其部分塔壁、圈梁和人字柱已被机械拆除损毁的特殊结构特点,运用定向爆破技术拆除高危冷却塔.在确保结构稳定和不造成二次破坏的情况下,利用机械开设高减荷槽、定位窗和泄压窗等措施,以损毁部分塔壁作为爆破切口为基础,对爆破切口内的人字柱、圈梁进行爆破;运用ANSYS/LS-DYNA建立分离式共节点模型,对其倒塌过程进行数值模拟,进而对爆破方案进行验证并为其优化提供参考. 【期刊名称】《爆破》 【年(卷),期】2016(033)002 【总页数】5页(P102-106)

【关键词】复杂环境;高危冷却塔;爆破拆除;数值模拟 【作 者】李勇;池恩安;张义平;何松;李伟;刘茂新

【作者单位】贵州大学矿业学院,贵阳550003;贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室,贵阳550003;贵州大学矿业学院,贵阳550003;贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室,贵阳550003;贵州新联爆破工程集团有限公司,贵阳550002;贵州大学矿业学院,贵阳550003;贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室,贵阳550003;贵州大学矿业学院,贵阳550003;贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室,贵阳550003;贵州大学矿业学院,贵阳550003;贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室,贵阳550003;贵州大学矿业学院,贵阳550003;贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室,贵阳550003

【正文语种】中 文 【中图分类】TU746.5

双曲线钢筋混凝土结构冷却塔具有高大壁薄、高宽比小(1.2～1.4)、重心偏低、截面直径不断变化的特殊造型及结构特点，对其爆破拆除带来了很大挑战。对此，许多学者在双曲线冷却塔爆破拆除领域做出了很多研究成果，如：王永庆在复杂环境下双曲线冷却塔爆破拆除方面做了研究[1]；傅建秋和薛里都研究了爆破切口大小和高度对冷却塔顺利倒塌的重要性[2，3]；付天杰对竖向切缝在高大冷却塔拆除爆破中的作用进行了研究[4]；詹振锵和李胜林对冷却塔爆破拆除倾倒过程进行了数值模拟研究[5，6]。

位于贵阳市城区中心的一座高86 m冷却塔，其冷却塔塔壁、圈梁、人字柱承重结构部分已被机械拆除，打破了冷却塔的受力平衡状态，现已成为高危构筑物(见图1)，务必及时爆破拆除，以防在自然因素(风荷载)等其他外力作用下发生倒塌造成不堪设想的后果。因此，对设计安全、合理、经济的爆破设计方案提出了更加苛刻的要求，这在国内尚首次。同时应用大型动力有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA 建立分离式共节点模型，对冷却塔的倒塌过程进行预演，进一步对爆破方案进行验证和优化，做到精准无误、安全顺利倒塌。

冷却塔位于贵州省贵阳发电厂厂内，其四面都由围墙包围，冷却塔北侧和西侧都有大量民房，北侧最近距离为21 m，东侧最近距离为15 m，东侧为河流，距冷却塔最近距离46 m，南侧60 m处是铁路高架桥(川黔铁路货车外绕黔灵山至关田区间)，高26 m。冷却塔周围环境具体情况见图2所示。

冷却塔为钢筋混凝土结构，由环形基础、人字形柱、环形梁和通风筒四部分构成。冷却塔高86 m，底部直径为60 m，顶部直径为38 m，中间咽喉部最小直径30 m；人字型立柱高5.5 m，横截面尺寸为0.4 m×0.4 m，共40对人字形柱，总计

80根立柱；人字柱上部是高1 m、厚0.5 m的钢筋混凝土圈梁，圈梁以上塔壁厚度20 cm。

目前，冷却塔部分塔壁、圈梁和人字柱已被机械冷拆除，结构整体性遭到破坏，共拆除15根人字形立柱，所对应的圈梁部分已被拆除、塔壁也有部分进行了破坏，被拆除部分最大高度为8.5 m，长度为31 m，约占冷却塔底部周长的17%。 (1)从冷却塔周围环境考虑，需保护的建(构)筑物离待爆冷却塔距离较近，且民房为砖混结构抗震性能差，最近距离仅有15 m，南边60 m处为高26 m的铁路高架桥和在建铁路桥，爆破时务必准确控制倒塌方向，需对爆破飞石、爆破振动、爆破冲击波以及冷却塔倒塌触地振动进行严格控制，确保周围建筑物的安全。 (2)冷却塔局部承重结构前期已被机械冷拆除、结构的整体稳定性已被破坏，在确保结构稳定和不造成二次破坏的情况下，对冷却塔进行预拆除条件差，可供选择的爆破技术方案少且技术要求高。

(3)因冷却塔爆破环境较复杂，可供选择的倒塌方向有限，且其坍塌落地的空间有限，需精确设计爆破切口。

(4)冷却塔已成高危建筑，需即刻安全拆除，工期要求紧，任务重。

对于结构整体性完好的冷却塔，倒塌方式有原地坍塌和定向倒塌。如果采用原地坍塌爆破方案，首先，冷却塔是钢筋混凝土结构，经多年风化其四周强度不一致；其次，冷却塔部分承重结构已被机械拆除，整体完整性已被破坏，原受力平衡状态被打破。上述两个因素在冷却塔原地坍塌过程中无法确保四周破坏一致，将会出现任意方向的倒塌，导致意外事故。根据现场勘察与分析，对冷却塔采用定向倒塌爆破拆除，倒塌方向中心线东偏南42°。

采用定向倒塌爆破时，爆破切口的位置是冷却塔能否按照设计方向倒塌的关键。爆破切口位置以损毁部分为中心，沿倒塌方向中心线向两边对称设计。

爆破切口形状采用正梯形[7]，冷却塔底部半径为30 m，周长为188.4 m，冷却塔

爆破高度H取6.5 m，H=人字形立柱高度+圈梁高度=5.5 m+1 m=6.5 m。切口长度取其底部圈梁周长的0.6倍，切口的圆心角为220°，共计人字形立柱24对。为了确保冷却塔的顺利倒塌及充分解体，在爆破切口上方的塔壁上开设4个减荷槽。为了降低冷却塔倒塌塔内压缩空气冲击的危害，在倒塌方向反方向中心线上距离地面11.5 m处(圈梁上方)，开一个2 m×4 m的泄压窗口。 爆破切口见图3所示。

依照“多打孔，少装药”的原则，最大程度控制爆炸冲击波、爆破振动、爆破飞石等有害效应，保护周边铁路桥及建筑物的安全。冷却塔人字柱、圈梁孔网参数见表1。

采用塑料导爆管雷管，2#岩石乳化炸药，雷管选用1段、7段、15段非电导爆管毫秒延期雷管，1段用于传爆连接、7段用于孔外微差，15段用于孔内延时，孔内20个为一束簇联，采用交叉复式网路。起爆网路连接示意图见图4、图5。 冷却塔定向爆破拆除主要存在三大安全问题[8]： 一是冷却塔的爆破振动和触地振动；二是爆破飞石；三是爆破空气冲击波。

经现场勘查鉴定，冷却塔离周边民房近且多为自建，为砖混结构抗震性能差，为防止炸药爆炸和冷却塔筒体触地引起的振动以及飞石对铁路高架桥和建筑物造成损害，采取如下防护措施：(1)挖设2道减震沟，宽度2～3 m，深3～4 m；(2)用沙袋敷设4道减震缓冲堤，前三道缓冲堤长55 m、高 2 m、宽4 m，间隔4 m，特别地，为防止冷却塔触地冲击将导致顶端部分塔壁冲入河流，最外侧一道铺设角度为50°的梯形缓冲防护墙，长40 m、高6.5 m，底宽12 m；(3)架设防护排架。减震沟、缓冲堤、防护排架示意图见图6。

采用ANSYS/LS-DYNA软件建立分离式共节点模型对冷却塔爆破拆除倒塌过程进行模拟[9]，钢筋采用杆单元beam161，混凝土采用实体单元solid1，钢筋混凝土材料选取“MAT_PLASTIC_KINEMATIC”进行定义，密度为2500 kg/m3，

弹性模量0.5%，钢筋弹性模量210 GPa，屈服极限240 MPa。

爆破切口选取“MAT_ADD_ERP-SION”关键字定义为时间失效准则，达到失效时间后即自动删除。模型中同时建立减震沟、桥墩、缓冲堤等周边建(构)筑物。经过 ANSYS /LS-DYNA 后处理程序运算后可以对冷却塔倒塌的数值模拟结果进行观察与分析，冷却塔倒塌过程模拟图见图7所示。

从图7中可以看到冷却塔在1.5 s时爆破切口闭合，以一定的初速度向预定方向微倾斜；在3.5 s时爆破切口上部的塔壁，在自重、倾覆力矩的作用下完全损毁，筒体开始自由坍落，同时塔壁也出现扭曲、撕裂，支撑立柱受拉加剧，仍沿预定方向倒塌；在5.25 s时冷却塔塔壁已经严重扭曲、撕裂变形，部分保留支撑柱在倾覆力矩和惯性的作用下被拉断；在7 s时冷却塔完全坍落触地，塔壁成扁平状，保留支撑柱被全部拉断。

人字柱和圈梁以倒塌中心线向两边先后起爆，爆破切口形成以后，冷却塔向缺口方向倾斜；约2 s后切口闭合且其上部迅速形成一条水平裂缝；约在4 s后冷却塔加速坍落，塔壁开始出现扭转、撕裂；约在6 s后冷却塔在空中产生极大扭曲、变形；约在8 s后冷却塔完全坍落触地，爆堆高度约为2 m。图8为冷却塔爆破倒塌过程，整个倒塌过程历时约8 s。

综合比较分析：(1)塔倒塌过程的数值模拟和实际爆破倒塌过程，两者运动规律基本一致，都为扭曲、撕裂、自由坍落；(2)两者倒塌过程历时都为8 s，且其倒塌范围大体一致；(3)塔壁的模型材料是理想状态下的，而冷却塔本身材料随着时间的推移变得十分复杂，故两者在倒塌破坏过程中形态不一致。

双曲线冷却塔由于其特殊的造型和结构特点，爆破拆除冷却塔，其倒塌过程复杂，难以在理论上做出准确的描述。通过ANSYS/LS-DYNA软件建立分离式共节点模型对冷却塔爆破拆除倒塌过程进行数值模拟，对爆破方案进行预演，从而验证方案的可行性以及为优化爆破方案提供参考。