成都工程拆除

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烟囱的拆除爆破

1烟囱( chimney)的定义

由筒体等组成承重体系,将烟气排入高空的高耸构筑物称为烟囱。烟囱和水塔、料仓、水池、油罐、电厂的冷却塔、高压线的支架、挡土墙等均属于此类构筑物。

2烟囱的结构特征

工业用烟囱有砖烟囱和钢筋混凝土烟囱两类。一般由筒身、隔热层、基础组成。在地坪以上的部分称为筒身,它分为外壁和内衬,外壁在竖向有1.3%~3%的坡度。内衬附在外壁内侧,与外壁间距约5cm。内壁一般为耐火砖砌筑,但在烟气低于500℃时,也可以用普通黏土砖砌筑。钢筋混凝土烟囱按内衬布置方式的不同可分为单筒式、双筒式(筒中筒)和多筒式

世界上高度超过300m的钢筋混凝土烟囱有数十座,我国单筒烟囱最高达270m,其他高度分别为80m、100m、180m、210m等。最高的砖烟囱国外为80m,国内为60m,一般分为20m、25m、30m、35m、40m、45m、50m、60m。

砖结构烟囱仅考虑风载而不考虑地震设防时,筒身断面不设竖向钢筋。需要考虑地震设防时,仅在筒身断面加钢筋。钢筋混凝土烟囱混凝土强度等级一般不低于C25,目前设计常用的有C25、C30。筒身布设一层或两层钢筋网。烟囱的尺寸如表6-2和表6-3所示。

砖烟囱尺寸结构表  表6-2

烟囱的拆除爆破

钢筋混凝土烟囪尺寸表 表6-3

烟囱的拆除爆破

3烟囱安全等级的划分

根据国家标准《烟囱设计规范》(GB50051—2002)的规定,烟囱按其高度分为两个安全

等级:

(1)烟囱高度≥200m,安全等级为一级;

(2)烟囱高度<200m,安全等级为二级

当然,对于电厂烟囱的安全等级还应按照电厂单机容量进行划分,单机容量大于或等于

200MW时为一级,否则为二级。

4爆破缺口的形式

爆破缺口是指在要爆破拆除的烟囱某个部位,用爆破方法炸出

定宽度和高度的缺

口,常用的缺口形式有以下几种:①长方形缺口;②梯形缺口;③倒梯形缺口;④斜形缺口;⑤反

斜形缺口;⑥反人字形缺口。如图6-6所示。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、防止折断和控制后坐的作用。其中,梯形缺口和倒梯形缺口的三角形部分在

烟囱倾倒过场中可起到一定的支撑作用,使其倾倒过程准确、平稳、有效地防止后坐。长方形

缺口具有施工简便、布孔规整和工作量小的特点。上述三种形式较为常用

烟囱的拆除爆破

图6-6常用的缺口形式

长方形缺口;b)梯形缺口;c倒梯形缺口;d)斜形缺口;e)反斜形缺口;f反人字形缺口

5缺口参数的计算

1)经验公式

烟囱的拆除爆破(6-6)

式中:爆破缺口弧长;

D-—爆破部位处筒壁外直径;

H——爆破缺口的高度;

δ——爆破部位的筒壁厚。

烟囱的拆除爆破

钢筋混凝土烟囪尺寸表  表6-3

烟囱的拆除爆破

3烟囱安全等级的划分

根据国家标准《烟囱设计规范》(GB50051—2002)的规定,烟囱按其高度分为两个安全等级:

(1)烟囱高度≥200m,安全等级为一级;

(2)烟囱高度<200m,安全等级为二级

当然,对于电厂烟囱的安全等级还应按照电厂单机容量进行划分,单机容量大于或等于

200MW时为一级,否则为二级。

4爆破缺口的形式

爆破缺口是指在要爆破拆除的烟囱某个部位,用爆破方法炸出定宽度和高度的缺口,常用的缺口形式有以下几种:①长方形缺口;②梯形缺口;③倒梯形缺口;④斜形缺口;⑤反斜形缺口;⑥反人字形缺口。如图6-6所示。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、防止折断和控制后坐的作用。其中,梯形缺口和倒梯形缺口的三角形部分在烟囱倾倒过场中可起到一定的支撑作用,使其倾倒过程准确、平稳、有效地防止后坐。长方形缺口具有施工简便、布孔规整和工作量小的特点。上述三种形式较为常用

烟囱的拆除爆破

图6-6常用的缺口形式

长方形缺口;b)梯形缺口;c倒梯形缺口;d)斜形缺口;e)反斜形缺口;f反人字形缺口

5缺口参数的计算

1)经验公式 

烟囱的拆除爆破(6-6)

式中:爆破缺口弧长;

D-—爆破部位处筒壁外直径;

H——爆破缺口的高度;

δ——爆破部位的筒壁厚。

2)理论计算方法

(1)基于材料抗拉、抗压强度的计算方法

烟囱爆破缺口形成且尚未倾倒时,在其预留支撑体的倾倒方向反侧的最外侧点产生最大拉应力σm,而在预留支撑体的最内侧点处产生最大压应力σmx,烟囱实现定向倾倒的条件是:

烟囱的拆除爆破(6-7)

式中:∫,f——分别为预留支撑体材料的极限抗拉、抗压强度,

该方法实质上反映了烟囱在爆破缺口形成瞬间可以产生偏转的必要条件,但是它对于烟囱形成偏转趋势的初始阶段分析并不清晰和深入。对于砖或素混凝土结构烟囱,其预留支撑体上倾倒方向反侧一个壁厚的材料近似整体受拉,该处一个壁厚内侧点处的拉应力应达到其材料的极限抗拉强度。对于钢筋混凝土烟囱,即使预留支撑体上的混凝土受拉破坏,钢筋将承担全部拉应力,此时倾覆力矩必须大于预留支撑体的抵抗力矩,烟囱才能实现倾倒。

(2)基于材料抗弯曲强度的计算方法

由重力对预留支撑体偏心引起的倾覆力矩应大于或等于预留支撑体截面的极限抗弯力矩,即:

烟囱的拆除爆破(6-8)

式中:M;上部筒体自重对预留支撑体偏心引起的倾覆力矩;

小-—预留支撑体的极限抗弯力矩

该方法实质上也只反映了烟囱在爆破缺口形成瞬间可以产生偏转的必要条件。对于钢筋混凝土烟囱,当预留支撑体截面上部分混凝土受拉开裂后,钢筋将承担全部拉力,并且截面上的中性轴后退,于是M、MR变化。另外,该方法无法从理论上给出相应的确定最佳切角范围的理论依据。

(3)用重心偏出原理计算缺口高度

钢筋混凝土烟囱拆除爆破缺口高度的取值原则有三:一是缺口范围内的混凝土在爆炸作用下被炸离钢筋骨架后,其轴心在烟囱荷载的作用下应能保证失稳;二是烟囱倾倒至缺口上下边缘闭合时,烟囱重心的偏移距离应大于烟囱的外半径;三是缺口上下边缘闭合时,烟囱在自重作用下对新支点形成的倾覆力矩应大于预留截面的极限抗弯力矩。根据缺口闭合时重心偏移距离大于缺口处烟囱的外半径,有

烟囱的拆除爆破(6-9)

式中:h—缺口高度;

R缺口处烟囱外半径;

z烟囱中心高度。

因为该式对于实现上部筒体在上下切口闭合后继续倾倒的条件来讲只是必要条件,而不是充分条件,不能满足缺口闭合时烟囱重力对新支点的倾覆力矩大于预留截面的极限抗弯力矩,所以又对该计算方法进行了修正,加入了条件:

烟囱的拆除爆破(6-10)

式中:P烟囱缺口上部筒体自重;

T预留截面钢筋能承受的最大拉应力;

L1缺口闭合时烟囱重心偏出缺口处外半径的距离;

L2—缺口根部到倾倒方向筒壁外侧的距离,L2=1.5R;

L3—缺口根部到力T的等效作用点的距离,L3=R。

对式(6-9)进行近似、简化,最终得到爆破缺口高度的修正公式:

烟囱的拆除爆破(6-11)

式中:A与筒体结构、建筑材料、配筋率及尺寸等有关的系数,它与筒体自重成反比,与钢筋强度成正比;

D缺口处筒体的直径。

应该说明的是该公式是在假定爆破缺口角度为240°时计算求出的,实用范围有限。

6烟囱倾倒过程中下坐、后坐、前冲现象

烟囱类高耸筒式建(构)筑物定向拆除爆破的倾倒过程中常常有下坐、后坐、前冲等现象,研究产生这类现象的原因及预防措施对于安全、有效的爆破是非常必要的

1)烟囱顺利倒塌的基本条件

当烟囱爆破缺口形成后,整个烟囱的重量都移到未爆部分的圆环筒体,亦称预留支撑体烟囱在自重作用下,形成旋转力偶,使预留攴撑体截面瞬间呈大偏心受压状态。倾倒初期,支撑体截面靠圆心的内边受压,外边受拉。在受压区,若由于重力引起的压应力大于承压区的极限抗压强度时,承压区被压碎,受压钢筋屈服,且承压区继续扩大;在受拉区,随着筒身倾倒,混凝土裂缝不断拉宽直到拉力完全由钢筋承受,以后在水平推力和拉力的共同作用下,受拉钢筋屈服,继而颈缩断裂,最后导致整个截面失掉承载力。烟囱顺利倒塌而不下坐、后坐的两个基本条件是:是

(1)预留支撑体截面的抗压强度要大于烟囱自重在该截面上产生的应力;

(2)自重和外荷载的合倾覆力矩大于截面本身的塑性抵抗矩。

2)控制预留支撑体高度和强度

提高预留支撑体的强度、降低预留支撑体的高度可以有效地控制下坐和后坐。对于n7.5砖,M2.5灰浆的砖烟囱,缺口角小于210°,缺口底高小于0.04m,缺口净高小于2.0m是防范后坐的有力措施。

3)预留支撑体破坏面分析法

发生前冲、后坐的原因与预留支撑体破坏面有密切关系。如图6-7a),爆破缺口ABED形成后,烟囱在倾覆力矩作用下拉裂预留支撑体而倾倒。当预留支撑体的拉裂面为BC面时,如

图6-7b),支撑体CBEF就会在烟囱倾倒过程中阻挡其后坐,在这种情况下烟囱往往发生前冲而不后坐:当预留支撑体的拉裂面为EF面时,如图6-7c),上部筒体就会克服DEF面的摩擦阻力而发生后坐,这时往往不发生前冲。对于梯形和倒梯形爆破缺口,其缺口本身有一个非常明显的薄弱面,倒梯形爆破缺口烟囱的倾倒与图6-7b)相类似,该类缺口的烟囱往往发生前冲而不后坐;梯形爆破缺口烟囱的倾倒与图6-7c)相类似,该类缺口的烟囱往往发生后坐而不前冲。

4)烟囱等高耸建(构)筑物倾倒时,残体滚动、落地飞溅前冲的原因烟囱等高耸建(构)筑物缺口形成后,在重力作用下绕支点A转动,设初始倾角为φ,瞬间

倾角为φ,烟囱质量P,支座反力为N和R(图6-8),若忽略空气阻力,根据刚体绕固定端转动

原理,烟囱倾倒运动方程如下:

烟囱的拆除爆破

图6-7烟囱倒塌过程中发生前冲、后坐示意图

烟囱的拆除爆破

图6-8烟囱倾倒过程示意图

烟囱的拆除爆破(6-12)

烟囱的拆除爆破(6-13)

烟囱的拆除爆破(6-14)

式中:m2烟囱质量,kg;

7。烟囱质心高度,m;

烟囱质心速度,m/s;

JA烟囱绕线支点A的转动惯量,kg·m2。

由式(6-14)烟囱的拆除爆破,令

并考虑初始条件有:

烟囱的拆除爆破(6-15)

解方程式(6-15),得烟囱倾倒角速度和质心速度:

烟囱的拆除爆破

烟囱所受轴向力随倾角φ的增大而减小,当φ达到一定值时,轴向力由压力转为拉力,依

烟囱倾倒过程中的内力计算,表6-4列出不同高度轴向力为零时的倾角

不同高度轴向力为零时的倾角 表6-4

烟囱的拆除爆破

当φ=55.03°时,烟囱支座轴向反力为零,若此时烟囱未被破坏,作为一个整体,将以质心速度向前抛出,形成前冲。若烟囱已经破坏,倾倒运动将发生变化,烟囱上部将在重力作用下有竖直向下的运动趋势,前冲距离减小。


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