關于煙囪傾倒時折斷問題的探究

張佳怡

摘 要：隨著經濟的發展，人們的需求不僅是“吃飽穿暖”，對環保的要求也不斷提高。面對日益嚴重的大氣環境質量問題，下達“控制總量、限制排量”的政策和不少老舊煙囪出現斷裂都導致和體現了煙囪傾倒拆除及相關問題的重要性！于是，我查找了相關資料，發現對于拆除煙囪人們通常采取埋藥爆破或人工拆除等方法，甚至還出現了大量“專業煙囪拆除公司”，足可見其危險性和重要性。那么怎么樣才能在爆破或者人工拆除前，做好完備的準備工作，清楚煙囪傾倒折斷運動的斷裂大概位置呢？由此困惑，我開始著手分析。為了便于分析煙囪的運動，分析過程中將煙囪的形狀簡化為均勻的圓柱體（細長桿），且將該傾倒過程視作固定鉸支座的定軸轉動運動。運用剛體動力學求解出煙囪橫截面的剪力表達式， 運用工程力學對其進行內力分析求解出煙囪橫截面上的彎矩表達式。發現影響其運動形態的最主要原因是彎矩的大小，剪力影響甚微。分析得出：煙囪爆破最易在距離底端三分之一或三分之二的位置斷裂。

關鍵詞：剛體力學；工程力學；剪力；彎矩

中圖分類號：TU746.5 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）22-0087-03

雖然出現了大批“專業煙囪拆除公司”，但在我出生長大十余載的北京，仍有很多煙囪未被拆除。目前煙囪拆除分為人工拆除、機械拆除和爆破拆除。但由于北京常年居住人口密度高，而煙囪又因其用途本身而離居住區較近，可以安全讓其傾倒后落地的范圍就極小，為避免破壞建筑和傷害居民的人身安全，目前存在的煙囪拆除的問題也便尤為凸顯出來了。

北方的特性決定了在上世紀末和本世紀初需要建設大量以煤炭為燃料的電廠、供熱站，就此出現了眾多的煙囪。出于對環境保護和提升能源利用效率的考量，在2012年初北京通過政策支持，逐步開始實現5環以內的無煤化。煙囪是一代人心中的一個符號，諸多人不舍其拆除，但即使只保存下來同時不投入使用，煙囪的風化、老舊仍是一個極大的安全隱患。我認為在像北京具有一樣特點的城市中，安全拆除煙囪及煙囪傾倒折斷時的折斷點仍是個十分值得研究和探討的問題。

后我對本研究主題范圍內已有的文獻進行綜合評述，發現雖然我們的模型簡化程度差異不大，但是他們大多計算的方式過于復雜化。我對其計算的方法通過牛頓第二定律的妙用和微元力系力矩分析不考慮微小轉動等方法，簡化了繁復的運算過程同時也得到了和實際爆破情況基本一致的可靠結果。當然我的研究中也存在不足，我研究時忽略了煙囪爆破折斷時的前沖和下坐問題，也就不能完全依據數據和分析證明其是不是主要的因素，希望之后可以有機會作進一步的分析研究。

1 具體問題的提出

高聳煙囪在傾倒過程中發生空中折斷是爆破拆除施工中較為常見的現象，一般出現在磚煙囪和超過150m的鋼筋混凝土煙囪。折斷和空中二次折斷現象一方面在一定程度上縮小了倒塌范圍，降低了整體塌落振動，另一方面也形成了安全隱患和經濟利益損失的潛在危害。

想要研究這個問題的想法來源于生活。一次開學體檢，體檢所的旁邊可以望見一個挺高的煙囪，直愣愣地立在那里，有些突兀。到了體檢所那個煙囪在我的腦海里揮之不去，我問了體檢所的老師才知道那個煙囪是否拆除爭議很大，所以一直無法著手拆除。二也是因為周圍建筑過多，沒有足夠的區域完成傾倒拆除，所以一拖再拖。那個見證了北京的發展和一代代人成長的煙囪，雖是一個很好的標志，但嚴重的風化和破損現場很嚴重，我覺得對周圍環境市容和人民的生命安危都不利?；丶也檎伊讼嚓P新聞和資料也便有了這個想法。

圖1為清華大學內一個正在進行人工拆除的煙囪。

因為清華內建筑較多且其中有諸多價格高昂的精密儀器，不便使用埋藥爆破，所以采取人工拆除的方式。據悉，該煙囪已經拆了小半年還沒有完工，且拆除這樣一個煙囪的價格也高達一百萬。如果在附近建筑中可承受相應震動的情況下，縮小爆破折斷所需的范圍，也就解決了范圍小不安全的問題。而且如果使用埋藥爆破的方式拆除煙囪有三大好處。一是成本相較于人工拆除大大降低，二是施工速度快、工期短，使煙囪所在的區域可以盡快發揮其正確的用途，三是從人文經濟角度，相較于人工拆除其需要的工人數量大大減少，勞動時間也大大縮短，所需低技術類人才減少必然推動科技發展、提高對高端人才培養的重視度。

2 煙囪自身的折斷

爆破拆除因具有施工速度快、成本低和安全可靠等優點，所以被廣泛采用。

爆破拆除包括定向傾倒、折疊傾倒和原地坍塌三種方案，只要場地允許，一般采用定向傾倒方案。

煙囪爆破拆除的關鍵是保證定向及坍落范圍的準確性及傾倒過程中煙囪上部的穩定性，然而大部分都沒有足夠的區域讓它足夠落地，因煙囪傾倒過程中經常出現二次折斷，進而研究。

3 簡化模型與理論分析

許多煙囪高達百米以上，為了便于分析，可以將煙囪簡化為均勻的細長直桿（均勻圓柱體），煙囪倒下過程中，忽略人為因素和空氣的干擾，將煙囪倒下過程視為繞底端旋轉的定軸轉動，如圖2所示，煙囪總高H，質量為m，重力加速度為g，傾倒角度為θ，則煙囪受重力mg，作用在其質心處，即處。

圖2中黑色細長桿的部分為煙囪，將其簡化為密度均勻的實心圓柱。假設煙囪爆破后傾斜角度為θ時，找出其質心為煙囪長度的二分之一處，即為處。忽略其下坐和前沖，視為定軸轉動。

所以由此可知，在爆破埋藥前應首先考慮彎矩對該煙囪的影響，緊急情況下可忽略剪力等其他因素對煙囪爆破折斷的影響。

4 數據驗證

根據表1的實例結果，表明大部分煙囪折斷位置都在煙囪的1/3位置處，少部分在2/3處折斷，與前面的分析結果相符合，證明了上述理論分析的正確性。

由于忽略了空氣和認為因素的影響，實際的煙囪和細長直桿模型的差異，以及煙囪的材料的不均勻等，再者實際情況千差萬別，會使得實際情況和理論分析有一定的誤差。

實際的煙囪的形狀可用錐形管近似，可以在本文中細長直桿的基礎上進行修正，修正結果會使得斷裂位置在煙囪1/3偏上一些，但由于煙囪很高，直徑的變化和高度相比很小，也由于誤差來源很多，修正的意義不大，另由于時間關系，這里不再進行修正。

所以，煙囪在傾倒的過程中最易在1/3或2/3高度處折斷。

5 結語

本文將煙囪模型合理簡化后，分析得到煙囪爆破折斷時最易在1/3高度處或者2/3高度處折斷的結果，實例證明結果與實際工程基本一致。

此外，由顯示，煙囪傾倒角為零時無彎矩，無剪力，不會折斷，橫截面上彎矩M隨傾倒角度θ增大而增大，直到強度失效時發生折斷，如果材料強度足夠大，θ=90°時，即剪力T、彎矩M都達到最大值仍不失效，則煙囪不會在空中傾倒過程中折斷。

在爆破也應清楚煙囪的構造和材質，以便判斷其是否會發生二次折斷。

現在身處的北京城仍存在不少煙囪未被拆除，它們大都也因為周邊居民、建筑和可供其傾倒后的范圍過小。而利用計算研究中的煙囪的二次折斷，判斷煙囪的形狀在三分之一處或者三分之二處進行合理的埋藥和對周圍的安全保護措施，即使范圍小也可以實現煙囪的低價快速拆除，提高首都市容市貌更保護了居民的生命安全。

參考文獻

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