线性聚能切割爆破拆除钢结构锅炉_谢续文.pdf

线性聚能切割爆破拆除钢结构锅炉谢续文1,孙向阳1,张华2,丁齐浩1(1.湖南中人爆破工程有限公司,湖南 长沙 4 1 0 0 1 3;2.北方斯伦贝谢油田技术有限公司,陕西 西安 7 1 0 0 6 5)摘 要:酒钢集团宏晟电热公司一次爆破拆除2#6#钢结构锅炉和钢筋混凝土锅炉厂房。分析钢结构框架和钢筋混凝土框架定向倾倒原理的异同点,以4#钢结构锅炉为例,介绍钢结构锅炉定向倾倒爆破拆除特点。首次从破坏原有支撑,重构钢结构支撑平衡体系角度出发,分析预处理后框架结构的稳定性,从而达到减少爆破切割工程量、减轻爆破有害效应、节省工程成本的目的;通过力学和运动解析,解决钢结构框架定向倾倒过程中,切割残体如何从缺口处可靠分离,防止出现钢结构框架爆而不倒的难题,为类似钢结构框架爆破拆除提供参考依据。关键词:钢结构框架;钢筋混凝土框架;线性聚能切割;支撑体系重构;空心钢结构立柱;定向倾倒;爆破拆除0 引言建筑物定向倾倒拆除的基本原理是采取各种手段在建筑物的底部沿倒塌方向按从前往后的顺序形成高度不同、时间不同的缺口,建筑物在重力偏心力矩作用下发生翻转倾覆,需满足的必要条件是切口闭合后建筑物重心偏移出支点边界线。钢筋混凝土框架定向爆破拆除时,爆破切口高度是立柱横断面宽边尺寸的3倍以上5,缺口内立柱残体对建筑物的翻转少有影响;而钢结构框架定向爆破拆除时,氧割预切割缝宽度为35mm,炸药聚能切割缝宽度为1 0mm左右4,爆破切口高度是立柱横断面宽边尺寸的0.1倍以下,切断的钢立柱可靠地从支撑位分离,是钢结构框架定向倾倒的关键技术。同时,聚能切割装药裸露在空气中,空气冲击波超压值大,如何减少聚能切割装药量,也是爆破设计者应该优先考虑的问题。本文以4#锅炉为例,介绍钢结构锅炉定向倾倒爆破拆除方案及效果。1 工程概况酒钢集团宏晟电热公司一分厂1#至6#机组已停产,锅炉及锅炉房需要拆除。其中锅炉房为钢筋混凝土结构建筑,最大高度为5 2m,占地面积约5 0 0 0m2。锅炉为空心钢结构立柱构筑物,位于锅炉厂房内。2#锅炉房及锅炉位置平面示意如图1所示。由于锅炉房西侧立柱需要保留,拆除环境十分复杂,锅炉拆除和锅炉房拆除又互相干扰,拟采用控制爆破技术一次性将2#至6#锅炉和锅炉厂房拆除。图1 2#6#锅炉房及锅炉位置平面示意(单位:c m)I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第2期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.22 0 2 3年3月M a r.2 0 2 3DOI:10.13828/ki.ckjs.2023.02.024 4#锅炉有1 4根支撑钢架柱,由东向西有3排支撑柱,按1至3顺序编号,由北向南有5根支撑柱,按A至E顺序编号。支撑柱有3种规格,4 0 0mm4 0 0mm的方柱是由4块同规格的钢板焊接成方形柱,4 2 0mm 4 2 0mm的方柱也是由4块同规格的钢板焊接成方形柱,4 5 0mm3 0 0mm是由工字钢和钢板焊接成方形柱。方柱内由下至上每1.7 5m焊接一块横隔钢板。钢柱的材质为1 6M n碳锰钢,计划爆破支撑钢柱的横断面尺寸如图3所示。图2 4#锅炉钢支撑平面尺寸(单位:m m)图3 支撑柱横断面尺寸(单位:m m)2 爆破方案选择通过查阅文献资料和市场调研,已实践过空心钢结构框架定向倾倒爆破方案有3种。(1)采用高猛炸药聚能切割定向缺口内的钢支撑柱。该方案爆破前只做局部的预处理,维持原框架结构主体受力平衡体系,施工安全。典型代表案例为沈阳市绿岛全钢结构体育馆聚能切割爆破1;上钢一厂第二炼钢车间钢结构厂房聚能切割爆破。(2)爆破前往定向缺口内要爆破部位的空心钢立柱填充混凝土来弥补切割钻孔和引导缝造成钢立柱支撑强度损失,通过在混凝土钻孔内装填普通炸药实现钢结构框架爆破定向拆除。案例为广西合山电厂原4号锅炉框架爆破排险2。(3)爆破前把定向缺口内要爆破的立柱切断成二节,重构钢结构框架支撑平衡体系。上下断点切成水平切口;中间断点切成阶梯切口,在阶梯切口空心钢立柱内安装普通炸药,靠炸药爆炸威力将提前切断的空心立柱推出支撑位,实现钢结构框架的定向倾倒。案例为太原第一热点厂钢结构锅炉框架拆除。酒钢宏晟锅炉房西侧立柱、墙壁需要保留,二楼以上锅炉设备爆破前均未拆除,锅炉框架承受的静荷载重。比较上面3种方案的优缺点,结合酒钢宏晟锅炉现场特点,拟采用预切割和线性聚能切割相结合的方案,即上述(1)和(3)的组合方案。3 爆破设计3.1 缺口设计3.1.1 缺口部位锅炉坐落在钢结构支撑框架上,锅炉由1 4根方钢支撑柱,由东至西有3排支撑柱,由北向南有5个支撑柱,其中南、北两端A、E排柱主要是承载锅炉的操作平台、附属设施,负荷轻,不进行聚能切割爆破,在预处理时按爆破切口高度预先人工氧割将成两段,上下两断点切割成平口,中间断点一半平口,一半三角斜口,爆破时会在外力的作用下,切断位置会发生错位并倾倒;中间B、C、D三排柱为锅炉承重柱,负荷重,采用聚能切割爆破瞬时将第一排切断成两段,第二排立柱切断成一段,第三排(最后一排)不爆破,形成重力偏心矩,使锅炉框架倾覆。锅炉支撑钢架的倾倒方向与锅炉房建筑倾倒方向一致,向东侧倾倒。111谢续文,等:线性聚能切割爆破拆除钢结构锅炉3.1.2 缺口高度锅炉框架倾倒的必要条件是当缺口闭合后,锅炉框架重心偏移出最外侧立柱。根据这一原则计算:支撑框架按整体考虑,最后一排做支撑,锅炉重心高约2 5m,锅炉重心在东西方向上按在中间考虑(实际偏向东侧,即倒向方向),计算结果为:倾倒角为1 9 时,锅炉框架重心转动达到倾覆条件,对应的前排炸高为5.6m,为留有一定的富余量,锅炉框架爆破缺口角度取2 2.5,对应第一排支撑柱的炸高为6.5m。按爆破缺口角度计算,第二排炸高4.0m,第三排(最后一排)不爆破,爆破前在0.5m标高位置倾倒反向呈4 5 预先切割半个切口。图4 锅炉框架爆破缺口示意3.1.3 切口方向锅炉框架前排立柱爆破切口形成后,切断的中间段立柱在自身重力的作用加速向下作自由落体运动,由于予处理氧割缝宽度小于5mm,且切口多为平口,成锯齿状,很快坐落到下端固定端柱上,时间为3 0m s左右。缺少前排柱的支撑,锅炉框架上部产生重力偏心力矩,当重力偏心力矩大于后排柱的抗弯能力时,锅炉框架上部发生翻转,速度较慢,前排上部固定端柱产生向下、左的运动。当下向运动距离达到切缝宽度时,锅炉框架前排上部固定端柱与切断的中间段立柱重新接触闭合形成新的支撑,在切口面垂直方向产生总推力FT,总推力可以分解为沿立柱轴线方向的垂直分力FV和垂直立柱的水平分力FH,两个分力之间的关系为:FH=FV t a n(1)式中,为切口面倾角。FV由锅炉框架结构及上部重量决定,而FH可以通过改变切口面倾角来调整。水平分力FH对切断的中间段立柱产生一个转动力矩MH:MH=FHL=FV t a n L(2)式中,L为切断的中间段立柱长度。从上式可以看出:切口面倾角越大,两个切口之间的距离越大,转动力矩越大。如果切口面朝向倾倒方向 见图5(a),锅炉框架前排上部固定端柱在重力偏心力矩MW作用下做顺时针转动,切断的中间段立柱在水平分力FH产生的转动力矩MH作用下做逆时针转动,两个物体的接触面(上端切口面)运动方向一致,两个物体的转动互为帮助,切断的中间段立柱能可靠地偏转出原支撑位。如果切口面背向倾倒方向 见图5(b),锅炉框架前排上部固定端柱在重力偏心力矩MW作用下做顺时针转动,切断的中间段立柱在水平分力FH产生的转动力矩MH作用下也做顺时针转动,两个物体的接触面(上端切口面)运动方向相反,两个物体的转动互为干扰,很难确保切断的中间段立柱能偏转出原支撑位。(a)切口面朝倾倒方向(b)切口面背向倾倒方向图5 受力及运动方向3.1.4 切口预处理(1)前排柱顶端切口:前排柱顶端切口高度达6.5m,如果采用线性聚能炸药切割,人工安装切割器和防护的施工难度大。采用人工氧割将前排柱高度6.5m处全断面水平切断,可极大地减轻施工难度。安全校核:当人工用氧割渐进切割某一立柱时,立柱逐渐失去支撑,锅炉框架内力重新分布,构件发生位移,水平切断的立柱慢慢闭合,垂直向上的推力恢复,锅炉框架达到新的受力平衡。小口径割嘴氧割切割缝宽度为3mm,立柱之间的跨度为5m,计算切断立柱引起立柱的水平偏移为0.0 0 18mm,重新闭合引起的受力面积损失极小,几乎可以忽略不计。计算切断立柱引起上部锅炉框架发生的倾斜角为0.0 3 4,闭合的立柱表面内摩擦角约为4 0 1,靠立柱受力表面的摩擦力完全可以克服上部锅炉框架倾斜而产生的水平推力。根据 钢结构设计规范(G B5 0 0 1 72 0 1 7),结构分析和稳定性设计,框架结构整体初始几何缺陷代表值不小于层高的千分之一,锅炉框架第一层层高为8m,初始几何缺陷代表值不小于8mm,而前排柱顶端水平切割缝宽度为211采矿技术2 0 2 3,2 3(2)3mm,造成的几何缺陷值在结构分析和稳定性设计允许的范围内,切割后的锅炉框架能保持结构稳定。(2)爆破切口部位。为了减少线性聚能炸药切割量,减轻爆炸危害,在立柱爆破切割部位,将立柱倒塌方向上的前、后两面人工用氧割切断,割口角度和方向与爆破切口整体一致。断面尺寸4 2 0mm4 2 0mm立柱预切割和线性聚能装药如图6所示。安全校核:4#锅炉静态下设计重量为1 5 0 0t。现阶段锅炉8m以下的设施已全部拆除,预估卸载量为锅炉总重量的1 0%,4#锅炉单台重量约1 3 5 0t,全部重量平均分配B、C、D排主承重柱上,柱横断面平均压强为6 2.8 2M P a。支撑柱的材料为1 6M n碳锰钢,抗压、抗拉设计强度值为3 1 0N/mm2,极限强度为4 9 06 2 0N/mm2。柱横断面预切割量不超过6 0%是安全的。图6 预切割和线性聚能装药(单位:m m)3.2 线性聚能切割器的选用西安北方斯伦贝谢油田有限公司针对不同厚度的钢板生产有定型的线性聚能切割器,切割1 5mm厚度钢板的简称1 5型、切割1 9mm厚度钢板的简称1 9型。其主要参数为:药型罩选用铅锑合金作为罩体的材料,厚度2mm,锥角为9 0,口径为2 6mm(1 5型)、3 0 mm(1 9型);炸药为聚黑1 6炸药(R 8 5 2),爆速8 3 9 0m/s,密度1.7 1 g/mm3,线装药密度分别为1 8 0g/m(1 5型)和2 8 0g/m(1 9型)。从立柱上切割了厚度为1 6mm和2 0mm的钢板送至生产厂家,进行了爆破切割试验,试验结果见表1。表1 爆破切割试验结果切割器型号钢板厚度/mm切割形式炸高/mm切割效果1 9型1 6单面切割1 0完全切断1 9型2 0单面切割1 0切深1 6mm,剩余掰断1 9型2 0双面对切1 0完全切断1 5型1 6单面切割1 0钢板未切断1 5型2 0双面对切0完全切断 4#锅炉立柱需要爆破切割的钢板厚度有1 1.5mm、1 6mm、2 0mm3种,为了保证爆破切割的可靠性和施工现场管理的便捷性,统一选用1 9型线性聚能切割器,1 1.5mm、1 6mm厚钢板采用单面切割,2 0 mm厚 钢 板 采 用 双 面 切 割,炸 高 均 为5mm。3.3 延时设计锅炉框架采用数码电子雷管起爆网路,排间延时,前后排柱延时间隔为2 5 0m s。3.4 安全防护聚能切割爆破属于裸露药包爆破,空气冲击波强,同时切割爆破可产生金属破片,必须加强防护。本工程装药部位采用铁丝捆绑沙袋、橡胶皮带、4层安全网进行防护。图7 爆破部位及防护4 爆破效果在锅炉框架实施聚能切割爆破过程中,取得了如下成效。(1)前排柱最上端切口人工用氧割水平切断后,在十多分钟内上、下端面重新闭合,肉眼看不出有水平错位,柱恢复承压能力。311谢续文,等:线性聚能切割爆破拆除钢结构锅炉(2)爆破切口处人工氧割预处理后,立柱断面没有位移变形,证明剩余立柱断面具有足够的承压能力。(3)爆破后,5个锅炉框架最上端梁翻转9 0 1 2 0,达到了定向倾覆目的。(4)锅炉框架在倾覆过程中没有后坐,保护了相距5m需要保留的厂房墙、柱。(5)爆破时,相距8m除氧间底层母线室电气设备在运行,爆后电器设备没有出现跳闸现象,一切运转正常。爆破后的效果见图8。图8 爆破效果5 结论通过理论分析和工程实践,可以得出如下结论:(1)合理地设计切口方向和切口角度,可保证切割残体可靠地从支撑位置偏转出来,无需设置多切口或推移炸药来确保残体分离;(2)小缝隙水平切断部分立柱,通过位移和内力重布,锅炉框架能保持结构稳定,利用这一特性,可用采用预切割代替高处爆破切口,大大地减轻了作业强度,保证了作业安全。参考文献:1 易克,曲广建,李高锋,等.全钢结构体育馆聚能切割爆破拆除技术J.工程爆破,2 0 1 5,2 1(6):2 5-3 1.2 李本伟,周祥磊,王琪,等.钢结构锅炉框架爆破排险J.爆破,2 0 2 0,3 7(2):9 7-1 0 2.3 贺五一,龙 源,谭雪刚,等.线型聚能切割技术爆破拆除高耸筒形钢结构物J.爆破,2 0 0 5,2 2(0 4):9 2-9 6.4 马海鹏,特大型钢结构建筑物爆炸切割拆除机理及应用研究D.长沙:中南大学,2 0 1 3.5 汪旭光.爆破设计与施工M.北京:冶金工业出版社,2 0 1 5.(收稿日期:2 0 2 2-0 7-0 2)作者简介:谢续文(1 9 6 6),男,湖南湘潭人,硕士,高级工程师,从事拆除爆破施工及研究,E-m a i l:8 1 4 1 7 4 8 9 0 q q.c o m。411采矿技术2 0 2 3,2 3(2)