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书名：高耸构筑物爆破理论及技术
定价：75.0
ISBN：9787030597472
作者：无
版次：1
出版时间：2018-11
内容提要：
本书结合理论分析、现场试验、数值模拟与工程应用，对特大型高耸构筑物爆破拆除技术进行系统论述。
本书对高耸构筑物爆破拆除倒塌过程进行了深入的力学分析，并建立了风荷载作用的力学模型；进行了爆破荷载对高耸构筑物的瞬态和稳态动力响应研究；研究了不同尺寸的导向窗对烟囱爆破拆除的影响；对电子**及其起爆系统的机理和主要技术进行了深入研究；对倒塌受力与运动进行了计算分析；通过爆破拆除振动效应、应力应变及高速摄影等现场测试，依据爆破地震波衰减规律，提出了相应的爆破振动计算公式；提供了拱形超大开口导向窗、触地危害效应综合防护、多层柔性复合材料交叉近体防护、定向窗精确控制等系列关键技术，并在具体工程实例中进行了介绍。
目录：
目录
第1章 概述 1
1.1 高耸构筑物爆破拆除的产生和发展 1
1.2 高耸构筑物爆破拆除研究现状 2
1.2.1 国内研究现状 2
1.2.2 国外研究现状 8
第2章 高耸构筑物爆破拆除破坏机理研究 9
2.1 引言 9
2.2 烟囱倒塌过程力学分析 9
2.2.1 烟囱简化模型 9
2.2.2 烟囱绕爆破切口直径转动惯量 10
2.2.3 烟囱倾倒过程的动力学方程 11
2.3 爆破切口关键参数确定 14
2.3.1 爆破切口的切口角计算 14
2.3.2 爆破切口的高度计算 18
2.3.3 定向窗计算 20
2.4 风荷载对倒塌过程的影响 22
2.4.1 风荷载基本理论 22
2.4.2 顺风向运动风荷载计算 23
2.4.3 考虑漩涡脱落的横风向风振计算 24
2.4.4 总风荷载的计算 25
2.4.5 余留支撑体断面的受力分析 26
2.5 爆破荷载的瞬态动力响应及控制机理研究 28
2.5.1 爆破荷载的瞬态动力响应研究 28
2.5.2 重力二阶效应(P-Δ效应) 31
2.5.3 拱形超大导向窗爆破机理研究 33
第3章 高耸构筑物精确延时控制爆破拆除技术 39
3.1 引言 39
3.2 电子**技术及机理 39
3.2.1 电子**简介及国内外应用现状 39
3.2.2 电子**及其起爆系统 41
3.3 起爆网路设计及可靠性分析 43
3.3.1 起爆网路可靠性理论 43
3.3.2 起爆网路设计 45
3.3.3 起爆网路系统可靠性计算与分析 46
3.3.4 铱钵起爆网路可靠性技术分析 48
3.3.5 小结 48
3.4 精确延时控制爆破对爆破效果的影响分析 49
3.4.1 非电起爆网路系统的延时误差分析 49
3.4.2 延时误差对高耸筑物倒塌效果影响的分析 54
3.4.3 精确延时控制爆破对爆破效果的影响 56
第4章 高耸构筑物爆破拆除数值模拟研究 57
4.1 引言 57
4.2 动力有限元分析方法 57
4.2.1 ANSYS简介 57
4.2.2 非线性瞬态分析有限元基本理论与方法 57
4.3 接触问题 61
4.3.1 接触算法 61
4.3.2 非自动接触与自动接触的区别 62
4.3.3 接触阻尼 62
4.3.4 接触定义 62
4.4 建模过程中的假定和简化处理 62
4.4.1 基本假定 63
4.4.2 模型实体及单元划分 63
4.4.3 约束载荷的施加与爆破缺口的模拟 63
4.4.4 分离式模型 63
4.4.5 材料模型 64
4.4.6 接触界面的模拟 64
4.4.7 材料失效的准则 64
4.5 210m钢筋混凝土烟囱爆破拆除模拟 64
4.5.1 工程概况 64
4.5.2 整体式模型模拟 65
4.5.3 分离式模型建立 66
4.5.4 分离式模拟计算结果及分析 67
4.6 90m冷却塔拆除模拟计算 77
4.6.1 工程概况 77
4.6.2 模型建立 77
4.6.3 倒塌运动过程数值模拟 78
第5章 高耸构筑物爆破拆除实验研究 81
5.1 爆破振动测试 81
5.1.1 基本理论 81
5.1.2 现场测试 83
5.1.3 结果分析 90
5.2 应力应变测试 91
5.2.1 电阻应变测试原理 91
5.2.2 现场测试 95
5.2.3 结果分析 99
5.3 高速摄影监测 100
5.3.1 概述 100
5.3.2 监测仪器及测点布置 100
5.3.3 高速摄影监测结果及其分析 102
第6章 高耸构筑物爆破拆除关键技术及工程应用 110
6.1 高耸构筑物爆破拆除的核心关键技术 110
6.1.1 定向窗精确开凿技术 110
6.1.2 拱形超大开口导向窗技术 111
6.1.3 高耸构筑物爆破拆除综合防护技术 112
6.1.4 多层柔性复合材料交叉近体防护技术 113
6.1.5 高耸构筑物爆破拆除数码**起爆技术 166
6.2 皖能合肥发电有限公司2座90m高冷却塔及150m高钢筋砼烟囱爆破拆除 119
6.2.1 工程概况 119
6.2.2 总体爆破方案 121
6.2.3 爆破设计 122
6.2.4 预拆除 125
6.2.5 安全技术措施 127
6.2.6 爆破振动监测及分析 130
6.2.7 爆破效果 133
6.2.8 爆破小结 136
6.3 铜陵电厂180m钢筋混凝土烟囱爆破拆除工程 137
6.3.1 工程概况 137
6.3.2 总体爆破方案 138
6.3.3 爆破设计 138
6.3.4 安全技术措施 141
6.3.5 爆破振动测试与分析 142
6.3.6 爆破效果及科研观测分析 143
6.4 江西南昌发电厂210m烟囱爆破拆除 144
6.4.1 工程概况 144
6.4.2 爆破方案 146
6.4.3 爆破技术设计 146
6.4.4 应用的核心关键技术 147
6.4.5 爆破切口理论校核 150
6.4.6 风荷载对210m烟囱倒塌过程影响的计算 150
6.5 施工要点 152
参考文献 154
在线试读：
第1章 概述
1.1 高耸构筑物爆破拆除的产生和发展
高耸构筑物是指如烟囱、水塔、塔楼等高径比大，重心高，支撑面积相对小［1-2］的构筑物。随着国民经济的飞速发展和“上大压小、节能减排”政策的实施［3-4］，以及控制爆破拆除高耸构筑物具有安全、经济、迅速等优点［5-7］，近年来我国在厂矿企业的改建、扩建工程和城市发展中，废弃烟囱、水塔、冷却塔、塔楼等高耸筑物越来越多地采用爆破拆除技术。由于高耸构筑物多是位于环境复杂、人口稠密的建筑群之中，在拆除高耸构筑物时，对倒塌范围、倾倒方向、爆破飞石、爆破振动、触地振动和粉尘等提出了严格的要求。如果倾倒方向偏差过大，甚至出现反方向倒塌，将造成严重的后果［8-10］。随着城市综合减灾大安全观念的提高，人们对高耸构筑物拆除爆破时产生的有害效应控制的要求越来越高［11-12］。目前，国内对高耸构筑物的控制爆破拆除设计主要依赖于实际经验、一些定性的分析和根据若干次爆破试验和实践总结出来的经验和半经验公式。因此，研究高耸构筑物控制爆破拆除理论并进行关键技术的开发已成为当务之急，要求爆破拆除高耸构筑物时，能使构筑物安全、平稳、准确地定向倾倒。
爆破拆除高耸构筑物的基本原理：在拆除高耸构筑物倾倒的底部及适当部位和范围内实施爆破，形成缺口，而在其反向保留一定长度的支撑体，采用炸高差（不同部位选用不同爆破破坏高度）、时间差（不同部位选用不同的起爆时间）造成构筑物失稳，继而在重力作用下产生倾覆力矩使高耸构筑物失稳倾斜；当开口闭合时，高耸构筑物重心投影应偏出支撑面，使之在重力作用下加速倾倒［13-15］。烟囱类高耸构筑物定向爆破时可归纳为两个阶段：①初期阶段，即起爆瞬间产生微小倾斜的一个时间阶段，可将其视为由一段保留筒壁支撑的偏心刚体。在此阶段内，若偏心受压的保留筒壁强度不够，筒体迅速发生破坏，出现下沉现象，筒体下沉时会倾斜一定角度。这样，保留的筒壁就会向外挤压坍塌，从而出现后坐现象。②后期阶段，即筒体倾倒落地整个过程，可简化为刚体定轴转动的力学问题，若烟囱类高耸构筑物筒体整体强度较差，其触地断面在触地瞬间受剪压破坏，筒体呈断裂状坍落于地［16-17］。
自从采用定向爆破技术拆除高耸构筑物后，在爆破拆除理论研究方面虽然取得了一定的进展，但目前总的状况是理论研究明显滞后于工程实践水平［18-20］。目前已经形成了一套基于实践经验的比较完整的爆破设计和施工技术，也成功控制爆破拆除了一些高难度的高耸构筑物，到目前为止成功爆破拆除超过150m高的钢筋混凝土烟囱已有几十例，这类工程爆破施工场地大多位于城市繁华地段和工厂管网设备密集地，周边环境复杂苛刻，周围的设备、建筑物和设施对爆破的可靠性和准确性提出了苛刻要求。2012年2月12日中钢集团武汉安全环保研究院成功爆破拆除“亚洲**高”江西南昌电厂210m钢筋混凝土烟囱就是高耸构筑物爆破拆除从理论研究到工程应用的成功经验。
尽管爆破拆除技术已发展到一个较高的水平，但由于爆破过程的复杂性，测试手段的局限性和爆破工程的高安全性，目前在高耸构筑物爆破拆除领域，还存在一些问题：
1）高耸构筑物爆破拆除的原理研究还不深入［21-23］。目前高耸构筑物爆破拆除设计以经验公式和半经验公式为基础，以爆破工程技术人员的经验进行技术设计。实际工程中烟囱倾倒方向偏差过大，甚至出现反方向倒塌，砸坏周围建、构筑物的事故也时有发生［24-25］。加强高耸构筑物控制爆破拆除的理论研究则是当务之急。
2）实际爆破工程中，高耸筒形构筑物往往只考虑了顺风向的平均风荷载和脉动风荷载，没有顾及横风向的风振响应［26-29］，而《烟囱设计规范》（GB50051—2002）也没有相关规定。当烟囱出现横风向漩涡脱落共振响应时，横向风振和临界风速下顺风向响应的共同作用可能对高耸筒形构筑物起控制作用，对定向爆破倾倒角度有影响。
3）高耸结构的爆破拆除过程是一个复杂的力学过程，出于对爆破安全的更高要求，需要对爆破切口各参数和倒塌过程的动力学分析做细致透彻的研究。然而其力学模型的建立需要多学科的交叉，对于钢筋混凝土构件塑性阶段的破坏机理、介质的变形、风荷载的影响和压杆稳定性诸多问题的研究还不够深入，系统准确的理论体系还未能建立起来。
4）随着爆破工程规模的日益扩大，控制爆破中延时误差对爆破效果的影响相应变大，因此对爆破延时精度的要求也将越来越高。采用传统起爆技术难以达到延时绝对精确的目的，不能适应爆破技术发展的需要，而电子**起爆系统延时的极高准确性却能满足爆破技术发展和爆破工程应用的需要。因此，迫切需要针对高耸构筑物周围环境和结构本身的特殊性，开发高耸构筑物爆破拆除电子数码**起爆技术，实现高精度起爆时序控制，为精确爆破设计、爆破效果控制提供技术支持。
5）在高耸构筑物定向倾倒的准确性的控制方面，由于研究手段和测试技术还不成熟，测试分析主要凭工程经验［30-33］。而高耸构筑物爆破坍塌范围及破碎程度的确定完全取决于高耸构筑物的结构特征、自身的高度、岩土地基的动载特性和材料性质等各种因素的影响。
6）关于高耸构筑物触地振动和触地产生的飞溅物对周边建筑物的影响控制研究比较落后，在实际工程中人们越来越关注触地振动和触地产生的飞溅物对周边结构物破坏的原理及控制方法研究。高耸构筑物倒塌引起的触地振动振动频率较低，与周围结构物自振频率较接近，因此如何降低高耸构筑物触地振动对周围结构物的影响是当前需要解决的一大问题［20，34-35］。
综上所述，加快高耸构筑物控制爆破拆除的理论研究和关键技术的开发已经是一个十分紧迫的课题。
1.2 高耸构筑物爆破拆除研究现状
1.2.1 国内研究现状
随着爆破拆除技术的成熟，爆破拆除已成为拆除业中*有竞争力的方法之一。由于爆破拆除法具有快速、安全、经济等优点，各国的专家、学者对高耸构筑物爆破拆除理论的研究日趋深入，并取得了一些成果［36-37］。
我国已经爆破拆除数百例超过100m高的钢筋混凝土烟囱。在这些烟囱的拆除工程中，爆破技术人员通过工程实践的不断总结和探索，以及对重要爆破参数的设计理论依据和选用方法的研究，推动了高耸构筑物爆破倾倒机理及理论研究的不断进步。中钢集团武汉安全环保研究院通过其独特的设计施工体系先后成功完成了武汉钢铁公司4座100m烟囱一次性爆破、武汉钢铁公司120m烟囱爆破拆除、大唐桂冠合山发电厂120m烟囱爆破拆除、山东济宁高新开发区180m烟囱爆破拆除、汉江集团铝业公司100m烟囱爆破拆除、万州索特盐化100m烟囱爆破拆除、淄博焦化厂3座100m烟囱爆破拆除、皖能铜陵电厂180m烟囱爆破拆除、皖能合肥电厂150m烟囱爆破拆除、石嘴山电厂2座120m烟囱爆破拆除、南昌发电厂210m烟囱爆破拆除等工程项目。表1-1为近年来国内爆破拆除的高度在100m以上的钢筋混凝土烟囱。
表1-1近年来国内爆破拆除的高度在100m以上的钢筋混凝土烟囱统计表
尽管爆破工程技术人员经过长期的理论分析和爆破实践，总结了一些高耸构筑物爆破拆除的基本原理，但相对于蓬勃发展的高耸构筑物爆破拆除工程而言，当前高耸构筑物爆破拆除的理论研究工作是远远不够的，还没有一个精确而统一的理论。目前国内对高耸构筑物的控制爆破拆除设计主要依赖于实际经验、一些定性的分析与经验和半经验公式，这些经验和半经验公式都是根据若干次爆破试验和实践总结出来的。烟囱倾倒方向偏差过大，甚至出现反方向倒塌，砸坏周围建、构筑物的事故也时有发生［38-40］。例如，2001年6月25日，在爆破拆除宝钢集团二钢公司废弃烟囱时出现偏差，倒地的烟囱偏差了至少3m，并砸向紧邻的钢丝仓库，并砸坏四根输气输油管道；仓库临烟囱的那面墙上也砸出一个大洞，部分车间停产，一人受轻伤。2001年某电厂120m高烟囱的爆破拆除中，当烟囱触地时，反弹起的碎石呼啸砸向离爆破地点约200m的贵宾席，造成多人受伤。2011年某电厂210m高烟囱起爆飞石溅射附近小区，造成近百家的住户玻璃震碎。
对于烟囱、高塔等高耸构筑物拆除爆破的失稳断裂分析研究国内已经做了大量工作，强度破坏准则是*早的结构倒塌判断准则，认为结构的*大内力或应力达到允许值时就会破坏。由于没有考虑结构的塑性变形的强度准则，所以只对脆性材料适用，反映筒体结构从弹性状态进入塑性状态这一过程。筒体的断裂会直接影响倒塌的方向和范围，因此爆破产生的安全问题尤为突出［41-42］。
随后出现的变形准则是结构极限变形达到或超过结构的极限变形能力时，结构产生破坏，变形准则没能考虑应力循环反复作用的影响。
20世纪60年代出现了结构的积累变形能超过它的耗散能时，结构发生破坏的能量破坏准则。能量准则公式在钢结构中的应用较为成功，由于钢筋混凝土材料能量关系的确定和计算都十分困难，能量准则公式在钢筋混凝土结构中的应用受到了限制。
韩秋善、叶序双等采用运动学原理和动力学原理，利用计算机对钢筋混凝土烟囱拆除爆破过程进行了数值模拟研究，并现场测试分析烟囱拆除爆破过程，提出了余留支撑体受力情况的分析计算。
为了使高耸构筑物拆除爆破朝更科学、安全、可控、准确的方向发展，利用有限元法进行高耸构筑物结构动力学分析计算已经得到广泛的应用，相应开发可进行以线性、非线性结构静力分析和谐波响应、瞬态动力响应、谱、随机振动等分析为主的结构动力分析的大型有限元分析软件ANSYS，为爆破工程技术人员广泛使用。高耸构筑物拆除爆破将现代先进的技术手段应用于研究中，减少了对经验的依赖。杨军等采用不连续变形分析法（DDA法）进行了钢筋混凝土的爆破拆除和倒塌过程的数值模拟。
武汉大学孙金山和卢文波对钢筋混凝土烟囱拆除爆破双向折叠定向倾倒方案关键技术进行了研究。通过钢筋混凝土烟囱双向折叠倾倒过程的动力学模拟，并结合运动过程中上切口支撑筒壁破坏历程的分析，对双向折叠倾倒方案中的上切口位置和上下切口起爆时差的选取等关键问题进行了探讨［43］。
中国铁道科学研究院刘世波在百米以上钢筋混凝土烟囱拆除爆破研究中，通过有限元法分析了高大钢筋混凝土烟囱的定向倾倒过程。他通过有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA分析了三种不同切口形式的烟囱倒塌过程，采用整体式有限元模型，对烟囱支撑部位在自重作用下的破坏作用过程进行了非线性有限元分析，结合工程实践观测到的结果，对钢筋混凝土烟囱的定向倾倒过程进行了研究，探讨了烟囱下坐的原因及对定向倾倒准确性的影响，同时对影响定向倾倒准确性的因素进行了分析，运用材料力学理论，初步研究了烟囱爆破切口角的选取，提出了一种能够有效控制倾倒方向偏差的爆破切口形式［1］。
武汉理工大学的叶海旺基于LS-DYNA的钢筋混凝土烟囱爆破拆除进行了模拟研究［44］。为确保复杂环境下钢筋混凝土烟囱安全地拆除，爆破拆除前先采用有限元软件LS-DYNA来模拟钢筋混凝土烟囱的爆破拆除倒塌过程。对钢筋混凝土烟囱单向倒塌过程中倒塌倾角与历时的变化关系，倒塌触地长度随时间的变化情况，倒塌过程中的支撑部位的压力变化以及筒体倒塌触地振动等进行模拟。通过模拟分析，可以帮助爆破工程技术人员指导实际爆破设计和施工。
西安科技学院的罗艾民对高耸筒式构筑物控制爆破拆除进行了研究［45］，建立了高耸筒式构筑物控制爆破拆除的理论计算模型，并应用该模型编制了爆破切口参数设计的计算机辅助设计（CAD）系统，其能对砖烟囱和钢筋混凝土烟囱的控爆拆除切口参数进行设计，为工程设计带来了极大的方便；初步探讨了建、构筑物触地冲击力、冲击地压的理论计算方法，以及地表浅埋结构受塌落振动的动力响应问题。
重庆大学的言志信博士对筒形结构爆破拆除进行了分析，认为实际爆破切口角越大，对控制筒体倾倒方向越不利，配筋越少越细就越容易倾倒。
桂林空军学院的贺五一及解放军理工大学工程兵工程学院的谭雪刚进行了复杂结构高耸建筑物爆破拆除切口的研究［46］。针对壁体材料多样、结构复杂的高耸建筑物的爆破拆除，通过实验研究确定了爆破切口形式，运用力学理论推导了余留支撑体所对应的圆心角和爆破切口高度计算公式，并在工程实践中得到验证。
近年来，高耸结构触地振动方面研究成果并不多见［47-48］。工程实践中触地振动的计算还沿用落锤经验公式的方法，将高大钢筋混凝土烟囱塌落触地振动简化为烟囱重心以自由落体撞击地面而引起的振动，应用此方法得出的烟囱塌落振动速度是以圆形规律分布的。但是，高大钢筋混凝土烟囱倾倒触地区域是矩形区域，采用经验公式计算的方法不能真实地反映出高大烟囱塌落振动速度的分布规律已被实践证明［49-50］。
中钢集团武汉安全环保研究院陈德志等针对冷却塔底部直径大、可倾倒范围小的环境特点，采用预先开凿加大高度的导向窗和减荷槽、抬高爆破切口等新技术，可实现冷却塔倒塌过程中充分解体，爆堆的长度和高度小，触地振动小。通过把爆破切口提高到+17.0m标高处，实现150m高烟囱在只有156m可倾倒长度范围内定向倒塌。
闫统钊、张智宇、黄永辉等成功爆破拆除一座55m高的砖结构烟囱。根据周围环境、烟囱高度及其结构特点，选取了合适的爆破倾倒方向和合理的爆破参数，采用了倒梯形爆破切口，并通过对烟囱倾倒需满足的条件进行计算，确定其满足条件的爆破圆心角范围；设计了小角度爆破切口，其对应圆心角为185°，并且在爆破前进行预处理，起爆后，烟囱按照设计方向顺利倾倒，取得了较好的爆破效果。振动监测结果均在安全允许范围内，验证了砖烟囱小角度切口爆破拆除的可行性，可为类似工程提供参考（55m砖烟囱小角度切口爆破拆除）。
徐鹏飞等介绍了苛刻条件下180m高钢筋混凝土烟囱不能采用整体定向爆破和双向折叠爆破，仅能采用两段单向控制爆破拆除。为了避开烟囱烟道口的不利影响，解决倒塌空间受限问题，通过在烟囱+90m和+21m高度处布设高位切口。上下切口分别采用倒梯形和正梯形切口设计，定向窗角度分别为30.96°和29.74°，上、下切口圆心角分别为205.4°和207.50°，切口高度分别为2.5m和3.6m。钢筋混凝土烟囱分两次、分两段爆破，确保了烟囱按照设计方向倒塌并有效控制了烟囱后坐。通过开挖减振沟、在倒塌区域铺设缓冲垫层和采取相应防飞石措施，有效控制了烟囱倒塌触地振动和飞石飞散距离。两次爆破均取得了良好的爆破效果，达到了安全、精细爆破拆除的目的，可为今后复杂环境下高耸烟囱爆破工程提供参考（180m钢筋混凝土烟囱两段单向控制爆破拆除）。
李本伟等介绍了在复杂环境中，采用控制爆破技术拆除180m钢筋混凝土烟囱的工程实例。针对烟囱尺寸大、钢筋密、混凝土强度高的结构特点，预先开凿大尺寸导向窗，减小了爆破面积。特别针对烟囱高度特别高，自重大的特点，针对性地进行防护土堤的设计。通过多角度观察，确认防护土堤有效地控制了爆破次生灾害的产生。
司君婷等通过一座210m高钢筋混凝土烟囱控制爆破拆除工程，介绍了烟囱高位缺口爆破的参数设计和安全措施。受倒塌场地条件的限制，设计利用100m高度位置的检修平台作为高位爆破缺口进行分段分次爆破拆除；由于爆破缺口位置较高，设计采用了利于准确定向的倒梯形缺口，并对缺口参数和爆破参数进行了优化选取；为了保证缺口1：2
定价：75.0
ISBN：9787030597472
作者：无
版次：1
出版时间：2018-11
内容提要：
本书结合理论分析、现场试验、数值模拟与工程应用，对特大型高耸构筑物爆破拆除技术进行系统论述。
本书对高耸构筑物爆破拆除倒塌过程进行了深入的力学分析，并建立了风荷载作用的力学模型；进行了爆破荷载对高耸构筑物的瞬态和稳态动力响应研究；研究了不同尺寸的导向窗对烟囱爆破拆除的影响；对电子**及其起爆系统的机理和主要技术进行了深入研究；对倒塌受力与运动进行了计算分析；通过爆破拆除振动效应、应力应变及高速摄影等现场测试，依据爆破地震波衰减规律，提出了相应的爆破振动计算公式；提供了拱形超大开口导向窗、触地危害效应综合防护、多层柔性复合材料交叉近体防护、定向窗精确控制等系列关键技术，并在具体工程实例中进行了介绍。
目录：
目录
第1章 概述 1
1.1 高耸构筑物爆破拆除的产生和发展 1
1.2 高耸构筑物爆破拆除研究现状 2
1.2.1 国内研究现状 2
1.2.2 国外研究现状 8
第2章 高耸构筑物爆破拆除破坏机理研究 9
2.1 引言 9
2.2 烟囱倒塌过程力学分析 9
2.2.1 烟囱简化模型 9
2.2.2 烟囱绕爆破切口直径转动惯量 10
2.2.3 烟囱倾倒过程的动力学方程 11
2.3 爆破切口关键参数确定 14
2.3.1 爆破切口的切口角计算 14
2.3.2 爆破切口的高度计算 18
2.3.3 定向窗计算 20
2.4 风荷载对倒塌过程的影响 22
2.4.1 风荷载基本理论 22
2.4.2 顺风向运动风荷载计算 23
2.4.3 考虑漩涡脱落的横风向风振计算 24
2.4.4 总风荷载的计算 25
2.4.5 余留支撑体断面的受力分析 26
2.5 爆破荷载的瞬态动力响应及控制机理研究 28
2.5.1 爆破荷载的瞬态动力响应研究 28
2.5.2 重力二阶效应(P-Δ效应) 31
2.5.3 拱形超大导向窗爆破机理研究 33
第3章 高耸构筑物精确延时控制爆破拆除技术 39
3.1 引言 39
3.2 电子**技术及机理 39
3.2.1 电子**简介及国内外应用现状 39
3.2.2 电子**及其起爆系统 41
3.3 起爆网路设计及可靠性分析 43
3.3.1 起爆网路可靠性理论 43
3.3.2 起爆网路设计 45
3.3.3 起爆网路系统可靠性计算与分析 46
3.3.4 铱钵起爆网路可靠性技术分析 48
3.3.5 小结 48
3.4 精确延时控制爆破对爆破效果的影响分析 49
3.4.1 非电起爆网路系统的延时误差分析 49
3.4.2 延时误差对高耸筑物倒塌效果影响的分析 54
3.4.3 精确延时控制爆破对爆破效果的影响 56
第4章 高耸构筑物爆破拆除数值模拟研究 57
4.1 引言 57
4.2 动力有限元分析方法 57
4.2.1 ANSYS简介 57
4.2.2 非线性瞬态分析有限元基本理论与方法 57
4.3 接触问题 61
4.3.1 接触算法 61
4.3.2 非自动接触与自动接触的区别 62
4.3.3 接触阻尼 62
4.3.4 接触定义 62
4.4 建模过程中的假定和简化处理 62
4.4.1 基本假定 63
4.4.2 模型实体及单元划分 63
4.4.3 约束载荷的施加与爆破缺口的模拟 63
4.4.4 分离式模型 63
4.4.5 材料模型 64
4.4.6 接触界面的模拟 64
4.4.7 材料失效的准则 64
4.5 210m钢筋混凝土烟囱爆破拆除模拟 64
4.5.1 工程概况 64
4.5.2 整体式模型模拟 65
4.5.3 分离式模型建立 66
4.5.4 分离式模拟计算结果及分析 67
4.6 90m冷却塔拆除模拟计算 77
4.6.1 工程概况 77
4.6.2 模型建立 77
4.6.3 倒塌运动过程数值模拟 78
第5章 高耸构筑物爆破拆除实验研究 81
5.1 爆破振动测试 81
5.1.1 基本理论 81
5.1.2 现场测试 83
5.1.3 结果分析 90
5.2 应力应变测试 91
5.2.1 电阻应变测试原理 91
5.2.2 现场测试 95
5.2.3 结果分析 99
5.3 高速摄影监测 100
5.3.1 概述 100
5.3.2 监测仪器及测点布置 100
5.3.3 高速摄影监测结果及其分析 102
第6章 高耸构筑物爆破拆除关键技术及工程应用 110
6.1 高耸构筑物爆破拆除的核心关键技术 110
6.1.1 定向窗精确开凿技术 110
6.1.2 拱形超大开口导向窗技术 111
6.1.3 高耸构筑物爆破拆除综合防护技术 112
6.1.4 多层柔性复合材料交叉近体防护技术 113
6.1.5 高耸构筑物爆破拆除数码**起爆技术 166
6.2 皖能合肥发电有限公司2座90m高冷却塔及150m高钢筋砼烟囱爆破拆除 119
6.2.1 工程概况 119
6.2.2 总体爆破方案 121
6.2.3 爆破设计 122
6.2.4 预拆除 125
6.2.5 安全技术措施 127
6.2.6 爆破振动监测及分析 130
6.2.7 爆破效果 133
6.2.8 爆破小结 136
6.3 铜陵电厂180m钢筋混凝土烟囱爆破拆除工程 137
6.3.1 工程概况 137
6.3.2 总体爆破方案 138
6.3.3 爆破设计 138
6.3.4 安全技术措施 141
6.3.5 爆破振动测试与分析 142
6.3.6 爆破效果及科研观测分析 143
6.4 江西南昌发电厂210m烟囱爆破拆除 144
6.4.1 工程概况 144
6.4.2 爆破方案 146
6.4.3 爆破技术设计 146
6.4.4 应用的核心关键技术 147
6.4.5 爆破切口理论校核 150
6.4.6 风荷载对210m烟囱倒塌过程影响的计算 150
6.5 施工要点 152
参考文献 154
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第1章 概述
1.1 高耸构筑物爆破拆除的产生和发展
高耸构筑物是指如烟囱、水塔、塔楼等高径比大，重心高，支撑面积相对小［1-2］的构筑物。随着国民经济的飞速发展和“上大压小、节能减排”政策的实施［3-4］，以及控制爆破拆除高耸构筑物具有安全、经济、迅速等优点［5-7］，近年来我国在厂矿企业的改建、扩建工程和城市发展中，废弃烟囱、水塔、冷却塔、塔楼等高耸筑物越来越多地采用爆破拆除技术。由于高耸构筑物多是位于环境复杂、人口稠密的建筑群之中，在拆除高耸构筑物时，对倒塌范围、倾倒方向、爆破飞石、爆破振动、触地振动和粉尘等提出了严格的要求。如果倾倒方向偏差过大，甚至出现反方向倒塌，将造成严重的后果［8-10］。随着城市综合减灾大安全观念的提高，人们对高耸构筑物拆除爆破时产生的有害效应控制的要求越来越高［11-12］。目前，国内对高耸构筑物的控制爆破拆除设计主要依赖于实际经验、一些定性的分析和根据若干次爆破试验和实践总结出来的经验和半经验公式。因此，研究高耸构筑物控制爆破拆除理论并进行关键技术的开发已成为当务之急，要求爆破拆除高耸构筑物时，能使构筑物安全、平稳、准确地定向倾倒。
爆破拆除高耸构筑物的基本原理：在拆除高耸构筑物倾倒的底部及适当部位和范围内实施爆破，形成缺口，而在其反向保留一定长度的支撑体，采用炸高差（不同部位选用不同爆破破坏高度）、时间差（不同部位选用不同的起爆时间）造成构筑物失稳，继而在重力作用下产生倾覆力矩使高耸构筑物失稳倾斜；当开口闭合时，高耸构筑物重心投影应偏出支撑面，使之在重力作用下加速倾倒［13-15］。烟囱类高耸构筑物定向爆破时可归纳为两个阶段：①初期阶段，即起爆瞬间产生微小倾斜的一个时间阶段，可将其视为由一段保留筒壁支撑的偏心刚体。在此阶段内，若偏心受压的保留筒壁强度不够，筒体迅速发生破坏，出现下沉现象，筒体下沉时会倾斜一定角度。这样，保留的筒壁就会向外挤压坍塌，从而出现后坐现象。②后期阶段，即筒体倾倒落地整个过程，可简化为刚体定轴转动的力学问题，若烟囱类高耸构筑物筒体整体强度较差，其触地断面在触地瞬间受剪压破坏，筒体呈断裂状坍落于地［16-17］。
自从采用定向爆破技术拆除高耸构筑物后，在爆破拆除理论研究方面虽然取得了一定的进展，但目前总的状况是理论研究明显滞后于工程实践水平［18-20］。目前已经形成了一套基于实践经验的比较完整的爆破设计和施工技术，也成功控制爆破拆除了一些高难度的高耸构筑物，到目前为止成功爆破拆除超过150m高的钢筋混凝土烟囱已有几十例，这类工程爆破施工场地大多位于城市繁华地段和工厂管网设备密集地，周边环境复杂苛刻，周围的设备、建筑物和设施对爆破的可靠性和准确性提出了苛刻要求。2012年2月12日中钢集团武汉安全环保研究院成功爆破拆除“亚洲**高”江西南昌电厂210m钢筋混凝土烟囱就是高耸构筑物爆破拆除从理论研究到工程应用的成功经验。
尽管爆破拆除技术已发展到一个较高的水平，但由于爆破过程的复杂性，测试手段的局限性和爆破工程的高安全性，目前在高耸构筑物爆破拆除领域，还存在一些问题：
1）高耸构筑物爆破拆除的原理研究还不深入［21-23］。目前高耸构筑物爆破拆除设计以经验公式和半经验公式为基础，以爆破工程技术人员的经验进行技术设计。实际工程中烟囱倾倒方向偏差过大，甚至出现反方向倒塌，砸坏周围建、构筑物的事故也时有发生［24-25］。加强高耸构筑物控制爆破拆除的理论研究则是当务之急。
2）实际爆破工程中，高耸筒形构筑物往往只考虑了顺风向的平均风荷载和脉动风荷载，没有顾及横风向的风振响应［26-29］，而《烟囱设计规范》（GB50051—2002）也没有相关规定。当烟囱出现横风向漩涡脱落共振响应时，横向风振和临界风速下顺风向响应的共同作用可能对高耸筒形构筑物起控制作用，对定向爆破倾倒角度有影响。
3）高耸结构的爆破拆除过程是一个复杂的力学过程，出于对爆破安全的更高要求，需要对爆破切口各参数和倒塌过程的动力学分析做细致透彻的研究。然而其力学模型的建立需要多学科的交叉，对于钢筋混凝土构件塑性阶段的破坏机理、介质的变形、风荷载的影响和压杆稳定性诸多问题的研究还不够深入，系统准确的理论体系还未能建立起来。
4）随着爆破工程规模的日益扩大，控制爆破中延时误差对爆破效果的影响相应变大，因此对爆破延时精度的要求也将越来越高。采用传统起爆技术难以达到延时绝对精确的目的，不能适应爆破技术发展的需要，而电子**起爆系统延时的极高准确性却能满足爆破技术发展和爆破工程应用的需要。因此，迫切需要针对高耸构筑物周围环境和结构本身的特殊性，开发高耸构筑物爆破拆除电子数码**起爆技术，实现高精度起爆时序控制，为精确爆破设计、爆破效果控制提供技术支持。
5）在高耸构筑物定向倾倒的准确性的控制方面，由于研究手段和测试技术还不成熟，测试分析主要凭工程经验［30-33］。而高耸构筑物爆破坍塌范围及破碎程度的确定完全取决于高耸构筑物的结构特征、自身的高度、岩土地基的动载特性和材料性质等各种因素的影响。
6）关于高耸构筑物触地振动和触地产生的飞溅物对周边建筑物的影响控制研究比较落后，在实际工程中人们越来越关注触地振动和触地产生的飞溅物对周边结构物破坏的原理及控制方法研究。高耸构筑物倒塌引起的触地振动振动频率较低，与周围结构物自振频率较接近，因此如何降低高耸构筑物触地振动对周围结构物的影响是当前需要解决的一大问题［20，34-35］。
综上所述，加快高耸构筑物控制爆破拆除的理论研究和关键技术的开发已经是一个十分紧迫的课题。
1.2 高耸构筑物爆破拆除研究现状
1.2.1 国内研究现状
随着爆破拆除技术的成熟，爆破拆除已成为拆除业中*有竞争力的方法之一。由于爆破拆除法具有快速、安全、经济等优点，各国的专家、学者对高耸构筑物爆破拆除理论的研究日趋深入，并取得了一些成果［36-37］。
我国已经爆破拆除数百例超过100m高的钢筋混凝土烟囱。在这些烟囱的拆除工程中，爆破技术人员通过工程实践的不断总结和探索，以及对重要爆破参数的设计理论依据和选用方法的研究，推动了高耸构筑物爆破倾倒机理及理论研究的不断进步。中钢集团武汉安全环保研究院通过其独特的设计施工体系先后成功完成了武汉钢铁公司4座100m烟囱一次性爆破、武汉钢铁公司120m烟囱爆破拆除、大唐桂冠合山发电厂120m烟囱爆破拆除、山东济宁高新开发区180m烟囱爆破拆除、汉江集团铝业公司100m烟囱爆破拆除、万州索特盐化100m烟囱爆破拆除、淄博焦化厂3座100m烟囱爆破拆除、皖能铜陵电厂180m烟囱爆破拆除、皖能合肥电厂150m烟囱爆破拆除、石嘴山电厂2座120m烟囱爆破拆除、南昌发电厂210m烟囱爆破拆除等工程项目。表1-1为近年来国内爆破拆除的高度在100m以上的钢筋混凝土烟囱。
表1-1近年来国内爆破拆除的高度在100m以上的钢筋混凝土烟囱统计表
尽管爆破工程技术人员经过长期的理论分析和爆破实践，总结了一些高耸构筑物爆破拆除的基本原理，但相对于蓬勃发展的高耸构筑物爆破拆除工程而言，当前高耸构筑物爆破拆除的理论研究工作是远远不够的，还没有一个精确而统一的理论。目前国内对高耸构筑物的控制爆破拆除设计主要依赖于实际经验、一些定性的分析与经验和半经验公式，这些经验和半经验公式都是根据若干次爆破试验和实践总结出来的。烟囱倾倒方向偏差过大，甚至出现反方向倒塌，砸坏周围建、构筑物的事故也时有发生［38-40］。例如，2001年6月25日，在爆破拆除宝钢集团二钢公司废弃烟囱时出现偏差，倒地的烟囱偏差了至少3m，并砸向紧邻的钢丝仓库，并砸坏四根输气输油管道；仓库临烟囱的那面墙上也砸出一个大洞，部分车间停产，一人受轻伤。2001年某电厂120m高烟囱的爆破拆除中，当烟囱触地时，反弹起的碎石呼啸砸向离爆破地点约200m的贵宾席，造成多人受伤。2011年某电厂210m高烟囱起爆飞石溅射附近小区，造成近百家的住户玻璃震碎。
对于烟囱、高塔等高耸构筑物拆除爆破的失稳断裂分析研究国内已经做了大量工作，强度破坏准则是*早的结构倒塌判断准则，认为结构的*大内力或应力达到允许值时就会破坏。由于没有考虑结构的塑性变形的强度准则，所以只对脆性材料适用，反映筒体结构从弹性状态进入塑性状态这一过程。筒体的断裂会直接影响倒塌的方向和范围，因此爆破产生的安全问题尤为突出［41-42］。
随后出现的变形准则是结构极限变形达到或超过结构的极限变形能力时，结构产生破坏，变形准则没能考虑应力循环反复作用的影响。
20世纪60年代出现了结构的积累变形能超过它的耗散能时，结构发生破坏的能量破坏准则。能量准则公式在钢结构中的应用较为成功，由于钢筋混凝土材料能量关系的确定和计算都十分困难，能量准则公式在钢筋混凝土结构中的应用受到了限制。
韩秋善、叶序双等采用运动学原理和动力学原理，利用计算机对钢筋混凝土烟囱拆除爆破过程进行了数值模拟研究，并现场测试分析烟囱拆除爆破过程，提出了余留支撑体受力情况的分析计算。
为了使高耸构筑物拆除爆破朝更科学、安全、可控、准确的方向发展，利用有限元法进行高耸构筑物结构动力学分析计算已经得到广泛的应用，相应开发可进行以线性、非线性结构静力分析和谐波响应、瞬态动力响应、谱、随机振动等分析为主的结构动力分析的大型有限元分析软件ANSYS，为爆破工程技术人员广泛使用。高耸构筑物拆除爆破将现代先进的技术手段应用于研究中，减少了对经验的依赖。杨军等采用不连续变形分析法（DDA法）进行了钢筋混凝土的爆破拆除和倒塌过程的数值模拟。
武汉大学孙金山和卢文波对钢筋混凝土烟囱拆除爆破双向折叠定向倾倒方案关键技术进行了研究。通过钢筋混凝土烟囱双向折叠倾倒过程的动力学模拟，并结合运动过程中上切口支撑筒壁破坏历程的分析，对双向折叠倾倒方案中的上切口位置和上下切口起爆时差的选取等关键问题进行了探讨［43］。
中国铁道科学研究院刘世波在百米以上钢筋混凝土烟囱拆除爆破研究中，通过有限元法分析了高大钢筋混凝土烟囱的定向倾倒过程。他通过有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA分析了三种不同切口形式的烟囱倒塌过程，采用整体式有限元模型，对烟囱支撑部位在自重作用下的破坏作用过程进行了非线性有限元分析，结合工程实践观测到的结果，对钢筋混凝土烟囱的定向倾倒过程进行了研究，探讨了烟囱下坐的原因及对定向倾倒准确性的影响，同时对影响定向倾倒准确性的因素进行了分析，运用材料力学理论，初步研究了烟囱爆破切口角的选取，提出了一种能够有效控制倾倒方向偏差的爆破切口形式［1］。
武汉理工大学的叶海旺基于LS-DYNA的钢筋混凝土烟囱爆破拆除进行了模拟研究［44］。为确保复杂环境下钢筋混凝土烟囱安全地拆除，爆破拆除前先采用有限元软件LS-DYNA来模拟钢筋混凝土烟囱的爆破拆除倒塌过程。对钢筋混凝土烟囱单向倒塌过程中倒塌倾角与历时的变化关系，倒塌触地长度随时间的变化情况，倒塌过程中的支撑部位的压力变化以及筒体倒塌触地振动等进行模拟。通过模拟分析，可以帮助爆破工程技术人员指导实际爆破设计和施工。
西安科技学院的罗艾民对高耸筒式构筑物控制爆破拆除进行了研究［45］，建立了高耸筒式构筑物控制爆破拆除的理论计算模型，并应用该模型编制了爆破切口参数设计的计算机辅助设计（CAD）系统，其能对砖烟囱和钢筋混凝土烟囱的控爆拆除切口参数进行设计，为工程设计带来了极大的方便；初步探讨了建、构筑物触地冲击力、冲击地压的理论计算方法，以及地表浅埋结构受塌落振动的动力响应问题。
重庆大学的言志信博士对筒形结构爆破拆除进行了分析，认为实际爆破切口角越大，对控制筒体倾倒方向越不利，配筋越少越细就越容易倾倒。
桂林空军学院的贺五一及解放军理工大学工程兵工程学院的谭雪刚进行了复杂结构高耸建筑物爆破拆除切口的研究［46］。针对壁体材料多样、结构复杂的高耸建筑物的爆破拆除，通过实验研究确定了爆破切口形式，运用力学理论推导了余留支撑体所对应的圆心角和爆破切口高度计算公式，并在工程实践中得到验证。
近年来，高耸结构触地振动方面研究成果并不多见［47-48］。工程实践中触地振动的计算还沿用落锤经验公式的方法，将高大钢筋混凝土烟囱塌落触地振动简化为烟囱重心以自由落体撞击地面而引起的振动，应用此方法得出的烟囱塌落振动速度是以圆形规律分布的。但是，高大钢筋混凝土烟囱倾倒触地区域是矩形区域，采用经验公式计算的方法不能真实地反映出高大烟囱塌落振动速度的分布规律已被实践证明［49-50］。
中钢集团武汉安全环保研究院陈德志等针对冷却塔底部直径大、可倾倒范围小的环境特点，采用预先开凿加大高度的导向窗和减荷槽、抬高爆破切口等新技术，可实现冷却塔倒塌过程中充分解体，爆堆的长度和高度小，触地振动小。通过把爆破切口提高到+17.0m标高处，实现150m高烟囱在只有156m可倾倒长度范围内定向倒塌。
闫统钊、张智宇、黄永辉等成功爆破拆除一座55m高的砖结构烟囱。根据周围环境、烟囱高度及其结构特点，选取了合适的爆破倾倒方向和合理的爆破参数，采用了倒梯形爆破切口，并通过对烟囱倾倒需满足的条件进行计算，确定其满足条件的爆破圆心角范围；设计了小角度爆破切口，其对应圆心角为185°，并且在爆破前进行预处理，起爆后，烟囱按照设计方向顺利倾倒，取得了较好的爆破效果。振动监测结果均在安全允许范围内，验证了砖烟囱小角度切口爆破拆除的可行性，可为类似工程提供参考（55m砖烟囱小角度切口爆破拆除）。
徐鹏飞等介绍了苛刻条件下180m高钢筋混凝土烟囱不能采用整体定向爆破和双向折叠爆破，仅能采用两段单向控制爆破拆除。为了避开烟囱烟道口的不利影响，解决倒塌空间受限问题，通过在烟囱+90m和+21m高度处布设高位切口。上下切口分别采用倒梯形和正梯形切口设计，定向窗角度分别为30.96°和29.74°，上、下切口圆心角分别为205.4°和207.50°，切口高度分别为2.5m和3.6m。钢筋混凝土烟囱分两次、分两段爆破，确保了烟囱按照设计方向倒塌并有效控制了烟囱后坐。通过开挖减振沟、在倒塌区域铺设缓冲垫层和采取相应防飞石措施，有效控制了烟囱倒塌触地振动和飞石飞散距离。两次爆破均取得了良好的爆破效果，达到了安全、精细爆破拆除的目的，可为今后复杂环境下高耸烟囱爆破工程提供参考（180m钢筋混凝土烟囱两段单向控制爆破拆除）。
李本伟等介绍了在复杂环境中，采用控制爆破技术拆除180m钢筋混凝土烟囱的工程实例。针对烟囱尺寸大、钢筋密、混凝土强度高的结构特点，预先开凿大尺寸导向窗，减小了爆破面积。特别针对烟囱高度特别高，自重大的特点，针对性地进行防护土堤的设计。通过多角度观察，确认防护土堤有效地控制了爆破次生灾害的产生。
司君婷等通过一座210m高钢筋混凝土烟囱控制爆破拆除工程，介绍了烟囱高位缺口爆破的参数设计和安全措施。受倒塌场地条件的限制，设计利用100m高度位置的检修平台作为高位爆破缺口进行分段分次爆破拆除；由于爆破缺口位置较高，设计采用了利于准确定向的倒梯形缺口，并对缺口参数和爆破参数进行了优化选取；为了保证缺口1：2