102米钢筋混凝土烟囱整体定向放倒拆除分析.pdf

第 31卷第 6期佛山科学技术学院学报(自然科学版)Vol.31 No.6 2013年 11月Journal of Foshan University(Natural Science Edition)Nov.2013文章编号:1008-0171(2013)06-0013-05102 m钢筋混凝土烟囱整体定向放倒拆除分析雷元新(佛山科学技术学院 土木工程系,广东 佛山 528000)摘要:102m高烟囱濒临河道、紧邻深基坑施工场地,结合其结构和构造特征的查勘与检测,设计了梯形切口的定向窗、放倒窗、定位窗及切口圆心角和高度等参数,并按烟囱整体放倒拆除要求进行了受力分析,提出了相应的钢筋混凝土烟囱机械破拆措施,为烟囱机械定向放倒拆除提供了成功工程案例。关键词:钢筋混凝土烟囱;定向放倒;安全分析;机械拆除中图分类号:TU746.5文献标志码:A因城市规划与更新需要,佛山某发电厂整体搬迁,其场地位于城市体育公园旁,旧电厂厂房已全部拆除,仅遗留 20世纪 90年代修建的钢筋混凝土烟囱待拆,烟囱现已无法找回原设计与施工图纸资料。1 工程概况根据现场查勘与检测,拟拆除钢筋混凝土烟囱高 102 m,在烟囱底部筒身 0.00 2.1 m内的东、西侧壁位置各设有一个出灰口 0.7 m 2 m;待拆烟囱承台面处的外围周长为 27.00 m,外直径约为 8.6 m,内直径约 7.8 m;烟囱上端口外直径 3.6 m,内直径为 2.8 m,烟囱混凝土壁厚 0.4 m;烟囱的烟道等设施在 14.0 m处,烟囱筒身内通体砌有耐火砖做内衬厚 0.2m,且有 4根耐火砖大壁柱,截面尺寸为0.4 m 3.2 m。剥离筒身混凝土检测表明,其竖向受力配筋均为 级钢,烟囱筒身内、外侧均配置了钢筋,外层竖向钢筋为25 150,水平横向环形钢筋16 150;内层竖向钢筋为12 200,水平横向环形钢筋12 300。出灰口侧设有加强暗柱,其柱为 0.3 m 0.4 m,配 6 25竖向钢筋,箍筋10 150。烟囱的结构完好,垂直度良好,未产生偏斜。烟囱北侧距离约 4 5 m为河道,东侧河岸景观绿化带、水塘;西边约 40 m为在建休闲码头。烟囱南侧为临近建筑项目拟开始挖土的基坑,开挖深度约为 11 m,基坑安全等级为一级。基坑采用搅拌桩止水,钢筋混凝土灌注桩支护,穿透砂层进入粘土层或至岩层。待拆烟囱拆除时可临时占用长约 120 m、扇宽约 50 m的工程场地,场地基本平整,除工地板材围墙外,无其他妨碍物。拆除烟囱工程地处珠江三角洲平原腹地,地形相对较平坦,地貌形态单一。地下水稳定水位埋深在-1.55 -3.11 m之间,平均-2.00 m。地下水位随河道水位变化而变化。2 拆除方案选择总体要求是在烟囱拆除倒塌过程中,既不能损坏待拆除烟囱北面已有的河道堤坝及防洪通道,也不能对东南侧已做的基坑支护桩及止水帷幕产生不良影响。要尽量使倒塌烟囱的筒壁截面连续均衡,防止倾倒姿态出现后座和扭转引起倒塌方向的失控。收稿日期:2013-05-30基金项目:广东高校土建工程技术开发中心项目资助(CZX-B1001)作者简介:雷元新(1963-),男,江西奉新人,佛山科学技术学院副教授。2.1 拆除方法选择由于烟囱等细杆式高耸建筑物的自稳定性差,采用人工机械劈裂破碎拆除存在施工工期超长、超高空作业、安全防护措施落实难度大、费用成本高等一系列问题,一般选用控制爆破拆除技术较为安全合理。烟囱控制爆破拆除常采用的方案有 3种:原地坍塌、折叠定向倒塌和整体定向倒塌爆破拆除。根据本场地环境和地质条件,考虑对堤坝及防洪通道的保护,原地坍塌对堤坝和防洪通道有极大的冲击破坏力,造成的不良后果不堪设想,因此烟囱拆除不能采用原地坍塌方案;在可供倒塌的场地空间足够的情况下,整体定向倒塌爆破相对于折叠定向倒塌爆破拆除成本和技术难度均更低,应首选整体定向倒塌爆破方案。若选择爆破拆除,要接受公安及相关职能部门对爆破施工的审批和监管,手续繁多、时间过长,会给临近的深基坑支护施工造成工期延误。综合各种因素,借鉴整体定向倒塌控制爆破的技术路线,决定采用机械拆除的整体放倒方法,从技术上规避爆破拆除的安全风险,并可缩短拆除工期。2.2 拆除倒塌方向设计根据烟囱布筋密度、烟道及出灰口位置等情况,烟囱倒塌的设计方向有 2个:(1)合理、稳妥的烟囱设计倒塌方向为东偏南 15 20 。即烟囱倒塌堆积中心线指向沿河堤方向。优点是不会损害河堤及防洪通道;不足是对临近已做支护结构及其止水帷幕会造成冲击破坏等不良影响,对基坑施工形成较大的干扰,需有足够的防震、隔震措施做辅助,较费工时。(2)简单便利的倒塌方向为向南倒塌。优点是可避免倒塌振动对临近基坑已做支护结构及止水帷幕的冲击,无需加设太多的减震隔震措施。问题是拆除施工对堤坝及防洪通道的安全控制要求高,需严格控制烟囱倒塌过程后座力的作用时间和大小,理想状态是实施无后座整体放倒。3 整体放倒拆除设计方案分析3.1 定向窗与放倒窗切口形状确定有文献表明,切口长度取值不当和切口形状不合理是造成后座现象的主要原因1。为确保烟囱按预定方向准确倒塌,降低破碎残余筒壁残肢柱的面积,定向窗切口两侧端的定位切口形状近似为倒梯形,切口上底角为 30 ,切口位置在离地 0.2 5.0 m之间的底部筒身处。烟囱放倒侧预处理的定向窗切口与烟囱后侧上位放倒窗切口为倒梯形,倒塌时让其顺利形成转动角破坏,从而使烟囱整体放倒塌落。3.2 定向窗切口高度计算为使烟囱顺利定向倒塌,定向窗切口高度应满足 3个条件 2:1)切口上、下沿闭合时,烟囱的重心偏移出烟囱的外边缘,即烟囱的重心偏移距离大于下部烟囱的外半径;2)定向窗切口完成时,切口内的竖向筋在烟囱自重作用下可被压弯;3)破碎残肢柱形成完整定向窗切口瞬间,烟囱在自重作用下形成的倾覆力矩应大于余留截面的极限抵抗力矩,即余留截面后部的钢筋混凝土能被拉断或拔出。为满足条件 1,从定向窗切口底部算起,确定烟囱的重心高度。根据以往经验钢筋混凝土烟囱的重心高度一般取在烟囱全高的 2/5处,再考虑到放倒碎渣等因素可使切口抬高约 0.5 m,则烟囱的重心高度Zc=102 2/5-0.5=40.3 m。为满足条件 2,H=0.5D2/Zc,D为烟囱直径 8.6m可计算得到定向窗切口高度 H约 0.92 m,为了确保烟囱按指定方向顺利倒塌,根据工程经验,取23的烟囱开口处半径作为切口高度,有利于转动角平稳发展,实际取 H=2.5 m。烟囱在重力矩作用下偏移,当切口上、下边沿闭合时,重心偏移距离为:S1=Zctanarctan(H/S2),(1)式(1)中,S2=R1+R1cos72.5 =5.593 m;R1=4.3 m为烟囱底部外半径,代入数据求得 S1=17.65 m,大于 R1,说明烟囱在倾倒闭合时,其重心离开烟囱底部半径。满足条件 1的要求。为满足条件 3,则应合理设计定向窗开口角度,对开窗切口做计算分析。3.3 定向窗开口角度(1)定向窗开口角度。待拆除烟囱区其常规设计基本风压为 0.45 kN/m2,估计百年一遇的风压为 0.14佛山科学技术学院学报(自然科学版)第 31卷55 kN/m2左右。B类地面粗糙,烟囱顶高 102 m,风压高度系数_z=2.09,风荷体型系数_s=0.6 0.8,风振系数Uz=1+(a hz)/_z,依据烟囱设计规范自振周期 T1=0.45+0.0011H2/d=2.253 s,脉动增大系数a=1.56,脉动影响系数=0.54。得到风力施加于烟囱壁上的弯矩3MF为 22177.3kN m。按最不利风载作用进行施工期间烟囱筒体整体稳定及抗倾覆验算。烟囱经预处理后,要保证放倒时按预定方向倾倒4而不产生后坐,必须合理确定开口角度。分以下 2种情况暂设定向窗开口圆心角 T,为对定向窗口限位,定向窗两内侧各设圆心角为 20 的定位窗,如图 1所示。情况一:烟囱壁结构较厚,根据经验,定向窗开口圆心角T 应大于 1.2 取为 220 。图 1 烟囱东偏南 15 放倒时的开切口方案情况二:根据切口后残余截面的受压应力情况,估计定向窗开口圆心角T 取为 260 。(2)烟筒壁残余横截面积抗压能力校核。钢筋混凝土烟囱约为 C15 C25级混凝土,其轴压强度标准值 10 17 MPa,级钢筋强度标准值为 310 340 MPa。烟囱筒身完整性好,配筋较密,定向切口长度原则上取大值。此时对应定向切口弧长 L 为:L=R1(T/180 ),烟筒壁残余横截面积 A为:A=(R21-r2)c(360 -T)/360 。待放倒拆除的烟囱重量W 折算为 20 150 kN,由烟囱自重与烟囱切口造成偏心引起的压应力为:e=-W/A My/Ixc,(2)式(2)中,Ixc为经换算后圆环段截面形心的惯性矩。烟囱定向窗 2种圆心角开口后其残余截面中的内力分析5详见表 1。表 1 烟囱定向窗 2种开口范围的应力分析表=220 考虑顺风作用组合时不考虑风载作用时=260考虑顺风作用组合时不考虑风载作用时倾覆偏心力矩/kNm-85 770-63 594-94 756-72 579emax/Mpa-62.3-47.5-169.8-142.5emin/Mpa-41.0+21.6+119.8+79.3放倒时可能出现的状况仅有轻微的后、下座现象有轻微的后座,但无前冲的安全风险有强后座、前冲的安全风险有强后座、弱前冲的安全风险注:应力值前“-”表示为压应力,“+”表示为拉应力。表 1中计算结果说明:(1)将烟囱拆除定向切口圆心角T 一次性开设为 220 ,不会产生前冲,但有产生后座之虞,尤其是在有大的顺风作用时,烟囱在拆除放倒时会有轻微后座、下座现象的出现。(2)若定向切口圆心角T 增大开设为 260 ,在放倒侧起支撑作用的烟囱受压区混凝土应力会较大(142.5 169.8 Mpa),但实际上烟囱混凝土不会也不可能达到上述计算值,该支撑部分的混凝土会急速压碎而形成塑性转角,伴随有强后座和前冲的安全风险出现。即该定向窗的切口范围过大,安全上不可行。(3)一次性开设的定向切口圆心角T 大于 220 ,随着T 值的增大,拆除风险将由“仅有轻微的后、下座现象”演变为“有强后座、前冲的安全风险”,甚至是“有强后、下座,强前冲”的安全问题产生。定向窗圆心角T 为 220 ,需预开局部定向窗口和边侧定位窗,做好预开定向窗口处理后,若烟囱仍处于安全稳定的状态,才可再逐步扩展定向窗拆除。如选择向南放倒,为拆除出灰口暗柱钢筋,设计定位窗圆心角 25 及预开定向窗 100 。要保证安全,有 2种烟囱预处理切口方案可供考虑:1)预开 100 定向窗口和 50 放倒窗口;2)仅预开 100 定向窗口;如15第 6期雷元新:102 m钢筋混凝土烟囱整体定向放倒拆除分析图 2所示。表 2为 2种预处理切口方案的应力分析数据,比较分析可知:表 2 2种预处理切口方案的应力分析方案 1考虑顺风作用组合时不考虑风载作用时方案 2考虑顺风作用组合时不考虑风载作用时倾覆偏心力矩/kNm -88 493-66 316-84 621-62 444emax/Mpa-6.35-2.94-4.19-3.97emin/Mpa-3.50-3.73-1.65-2.10注:“-”表示为压应力,“+”表示为拉应力。倾覆、偏心力矩前的“-”表示是向倒塌方向的力矩。方 案 1,残余截面全截面受压,看似强度足够,但因通过人工预先割断放倒口处的钢筋,这种前开定向窗口,后开放倒口的方法类似定向爆破拆除,当再用机械扩拆定向窗时,放倒侧起支撑作用的烟囱受压区混凝土应力增长很快,整体倒塌时间极短,对近距实施冲击破碎混凝土的机械操作人员而言,疏散时间不够,安全撤离困难,无法躲避飞石和防范钢筋从烟囱中拔出、弹开,对破拆人员可能造成伤害。方案 2,残余截面全截面受压,混凝土强度也足够,基座有足够的阻挡力,不发生后坐;由于烟囱倾倒过程中承压区不会过早破坏,烟囱筒壁中的配筋则是烟囱倒塌时形成“塑性铰”的条件,虽然基座中支撑部分有足够的强度,足以阻挡烟囱倒塌过程中发生后坐,也就必定要发生强烈前冲 1,也正因为有烟囱定向窗开口处筒壁内保持了配筋不截断,使“塑性铰”成长的时间延长,前冲现象受到了强牵制,让烟囱开口处可以顺利形成转动角破坏而倒塌。所以,按施工场地条件及安全防护的可靠性做深入优化,最终选用方案 2。这样便可确保烟囱在放倒拆除时,烟囱整体放倒塌落,既不会产生前冲,也无后坐问题发生。因此可将烟囱的倒塌方向调整为与河堤垂直,向南放倒。图 2烟囱向南放倒时的开切口方案4 机械破拆烟囱的施工措施4.1 烟囱放倒前的预处理(1)拆除一切烟囱放倒塌落时有飞脱可能的附属物,清除 7 m以下范围的避雷针引线、铁爬梯和照明系统的金属支撑架等,避免附属物对场区及施工安全造成不良影响。(2)剥离各设计切口范围内的耐火砖及内衬,以免其对倒塌过程的干扰。将处于定位窗口范围的出灰口内、外侧竖向加强钢筋用风镐剥离出来并割断,以防烟囱放倒倒塌时支承力不对称而出方向偏离。(3)在烟囱检修平台处,用 2条直径不小于 16的钢丝缆绳拉接烟囱环索,2条缆绳的夹角约 30 且形成向东偏南 15 左右的合力,作为辅助手段,以牵引烟囱定向放倒。4.2 烟囱定位窗、定向窗的切口施工(1)开设定位窗。按图 2中定位窗的位置尺寸,在倾倒轴线的两侧对称切口开设定位窗。图 2中 1为对称设置的定位窗切口(两窗洞口最近距离边缘间的圆心角为 140 ),切口底延展宽度不小于 1.5 m,且与烟囱倒塌的反向底部成 30 的夹角,切口高为 2.5 m。开设的方法可用风镐将开窗切口修整到设计尺寸,在确定放倒时间前 1小时内将定位窗内钢筋割断、拆除。(2)烟囱定向窗切口施工,预开(矩形或正梯形)定向窗。图 2中 2为沿倒塌方向筒壁两侧各开底边宽3.75 m定向切口(圆心角为 100 ,切口长共 7.5 m),切口高为 2.5 m。采用机械进行烟囱的试切开口,最后再用人工和风镐进行修整,对烟囱倾倒后方的出灰口、预开定向窗口用强度较大的砖或石块干砌临时加固,并用钢楔子楔紧顶部。16佛山科学技术学院学报(自然科学版)第 31卷(3)计划放倒施工前,需全面检查现场的各项安全准备工作,拉住定向安全钢丝缆绳,对警戒区进行非作业人员清场。确认各项防范措施落实和相关指挥人员到位后,才可进行定位窗切口区的钢筋切断并拆除临时加固砌体。(4)采用 2台长臂破碎机进行对称放倒拆除,按后退方式破碎拆除定向切口区的残肢柱,实施烟囱的整体放倒。5 拆除效果与体会(1)严格按设计工况作业,机械放倒拆除的过程可做到无瞬间下座,施工中除对定位窗口的钢筋进行切断处理外,其他部位的钢筋未做切断,从而也牵制了烟囱的弱前冲,烟囱向预设方向呈先歪后倒的连续放倒。(2)烟囱的整体性很好,计算分析得出无后座及前冲的结论,为调整烟囱整体放倒的方向提供了理论根据;精细的切口作业、合理的工况与施工步骤与组织设计,是其成功的直接保证。(3)采取向南定向放倒,只需对触地飞石进行合理防护,如对碰撞地面做简单的挖松,并在倒塌撞击区周围设置警戒和人员撤离清场等措施。从而免除了顺河堤倒塌所需的基坑保护措施。(4)钢筋混凝土烟囱机械放倒施工较爆破拆除时的后座现象更易控制;无爆破产生的飞石,更无微差爆破时炸药给飞石补充动能的现象伴随,使拆除施工过程的安全防护及安保措施大为简化。(5)设计拆除切口工况经计算分析合理、可行,实际施工过程应与设计工况严格一致,否则烟囱放倒有失控的风险。参考文献:1李起山,邵晓宁,胡昆伦.爆破切口形状对细高建筑物倒塌效果的影响 J.爆破,1998,15(3):66-68.2焦永斌,高赛红,陆哲祥,等.80 m高钢筋混凝土烟囱控制爆破拆除实践 J.建筑结构,2007,37(3):46-48.3莫骄.特种结构设计 M.北京:中国计划出版社,2006:321-322.4张奇.工程爆破动力学分析及其应用 M.北京:煤炭工业出版社,1998.5中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范GB50010-2010S.北京:中国建筑工业出版社,2011.【责任编辑:周绍缨 410154121 】An analysis on directional-overall-dismantlementof the 102 m-high RC chimneyLEI Yuan-xin(Department of Civil Engineering,Foshan University,Foshan 528000,China)Abstract:This peper analyzes the structure and constructed features of the 102-metre high chimneywhich is near river and closes to deep pit construction venues.Essential factors are designed,such asthe directed window with trapezoidal incision,dismantling window,positioning window,central angleof incision and height.Force analysis is also done as required by chimney overall demolition.Mea-sures are put forward for RC chimney machinery demolition as successful engineering cases in this pa-per as well.Key words:RC chimney;directional dismantlement;security analysis;mechanical dismantling17第 6期雷元新:102 m钢筋混凝土烟囱整体定向放倒拆除分析