杜耀志,郭天天

(國(guó)防科技大學(xué)指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院野戰(zhàn)工程系, 湖南長(zhǎng)沙 410072)

非對(duì)稱結(jié)構(gòu)高聳建筑物爆破倒塌方向的實(shí)例驗(yàn)算與分析

杜耀志,郭天天

(國(guó)防科技大學(xué)指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院野戰(zhàn)工程系, 湖南長(zhǎng)沙 410072)

以某磚混結(jié)構(gòu)水塔為例,就非對(duì)稱高聳建筑物定向爆破倒塌方向進(jìn)行了研究,建立了計(jì)算模型,分全塑性力學(xué)條件和彈塑性力學(xué)條件兩種情況進(jìn)行了倒塌方向角度的計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明,所建立的模型基本正確,磚混結(jié)構(gòu)高聳建筑物在倒塌過程中確實(shí)存在中性軸以及受拉、受壓區(qū),并且彈塑性條件方法更適合于磚混結(jié)構(gòu)高聳建筑物的倒塌過程計(jì)算。

定向爆破;高聳建筑物;倒塌方向;計(jì)算模型;實(shí)例驗(yàn)算

通常,按照爆破切口的對(duì)稱性將高聳建筑物爆破工程分為兩類:一類爆破切口的結(jié)構(gòu)對(duì)稱、材料均勻;另一類則存在煙囪排料口和水塔出入門等特殊結(jié)構(gòu),使得爆破切口結(jié)構(gòu)不對(duì)稱。針對(duì)第一類工程,經(jīng)過長(zhǎng)期的實(shí)踐,行業(yè)內(nèi)已經(jīng)有了許多成熟且行之有效的處理方法。而在遇到第二類工程時(shí)則往往在倒塌方向上容易出現(xiàn)偏差甚至導(dǎo)致事故,為了找到更好的解決此類問題的方法,從理論對(duì)定向倒塌過程進(jìn)行力學(xué)分析和計(jì)算則十分必要。

1 計(jì)算模型

對(duì)高聳圓筒形構(gòu)筑物進(jìn)行爆破拆除的主要原理是通過在構(gòu)筑物底部某一高度處,采用爆破的方法開一個(gè)一定尺寸的切口,利用構(gòu)筑物本身的自重造成偏心受壓失穩(wěn)。

如果將爆破后切口上部部分作為一個(gè)獨(dú)立整體進(jìn)行運(yùn)算,則切口部分將存在一條分割受拉力和受壓力的中性軸。受拉部位的筒體端部材料將被拉斷破壞,而靠近切口處部分在構(gòu)筑物的倒塌運(yùn)動(dòng)過程中受壓破壞,切口上部筒體將圍繞切口處中性軸運(yùn)動(dòng),按設(shè)計(jì)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。一般來說,切口的高度與構(gòu)筑物的尺寸、結(jié)構(gòu)和材料等有關(guān),其截面示意如圖1所示。

圖1 爆破切口截面

在構(gòu)筑物爆破后,切口形成的一瞬間,如果對(duì)基于爆破切口所在的某一平面內(nèi)的受力情況進(jìn)行分析,求出暫時(shí)起支撐作用的部分墻體各個(gè)部分對(duì)切口以上部分構(gòu)筑物的力矩的作用,然后與估算出的構(gòu)筑物切口上部自重所產(chǎn)生的傾倒力矩作用結(jié)合,運(yùn)用理論力學(xué)的空間力矩運(yùn)算規(guī)則,最后計(jì)算出所受的總的力矩的作用,則可以較為精確地判斷出構(gòu)筑物倒塌的方向。

2 幾點(diǎn)假定

煙囪、水塔等高聳結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物的爆破拆除是一個(gè)動(dòng)力作用及破壞坍塌運(yùn)動(dòng)過程。從靜力學(xué)上看,這個(gè)過程存在壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)等作用效應(yīng);從動(dòng)力學(xué)上看,還存在爆炸應(yīng)力波作用等效應(yīng)?？偟膩碚f,其作用效應(yīng)的影響因素非常多,內(nèi)在機(jī)理非常復(fù)雜,全面深入揭示其機(jī)理,需要從結(jié)構(gòu)、材料、動(dòng)力作用等多方面進(jìn)行理論研究、數(shù)值模擬以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為了使計(jì)算不至于太過復(fù)雜,而另一方面又能保證計(jì)算結(jié)果的合理有效性,作如下假定,簡(jiǎn)化坍塌過程中的受力作用。

(1)結(jié)構(gòu)中由同種材料組成的部分為均質(zhì)體;

(2)整個(gè)結(jié)構(gòu)處于簡(jiǎn)單重力場(chǎng)作用中,不受其它作用載荷影響;

(3)爆破切口與保留部分相接的兩端點(diǎn)在同一水平面上,即支撐面為水平面;

(4)爆破后瞬間,爆破切口保留支撐面為全塑性變形或彈塑性變形。

3 工程實(shí)例

被爆破拆除的水塔位于某研究所院內(nèi),高 30 m,外直徑 5.5 m,壁厚 0.5 m,筒體為磚混結(jié)構(gòu),水箱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。水塔底部東南方向開有一個(gè)出入口,門框高 1.8 m,寬 1.0 m,材料為鋼筋混凝土,塔體完好無損,如圖2所示。

圖2 水塔結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查,預(yù)定該水塔爆破傾倒方向?yàn)檎?爆裂口則無可避免的與出入門交匯,考慮到出入門門框的支撐作用,切口中心比原定的向東轉(zhuǎn)動(dòng) 5.7°。

爆破參數(shù)如表1所示。起爆后,水塔失穩(wěn) 2 s后開始倒塌,水塔下部的磚混筒體以極快的速度解體,水箱重重的落在了地上。水箱破裂且未完全解體,需要進(jìn)行二次破碎,周圍建筑物無任何影響,未發(fā)現(xiàn)有飛石拋出跡象。爆堆頂部向西偏移了 8 m,約15.5°。

表1 水塔拆除爆破參數(shù)

根據(jù)上述實(shí)例可得以下參數(shù):M=m g·R=101.45 ×105N·m,R=2.75 m,t=0.5 m,α=196°,β=164°,γ=101.76°,α1=31.12°,δ=4.2°。

另查表可知:普通磚墻密度ρz=1.8×103kg/m3,混凝土密度ρh=2.5×103kg/m3,受拉區(qū)磚墻抗拉強(qiáng)度 ft=4.0×105N/m3,受壓區(qū)磚墻抗壓強(qiáng)度 fp1=25.0×105N/m3,C20混凝土抗壓強(qiáng)度 fp2=134.0 ×105N/m3。

根據(jù)圖1,bc段內(nèi)除 b點(diǎn)、c點(diǎn)位置的兩塊近似三角形區(qū)域外的陰影部分區(qū)域即為受拉區(qū)。為方便敘述,將 bc,ab,cf,fd段分別設(shè)為ⅠⅡⅢⅣ段,各區(qū)段的受壓受拉情況見表2。

表2 區(qū)段及受壓受拉情況

4 全塑性力學(xué)條件下的實(shí)例計(jì)算

假定水塔在傾倒的初始時(shí)刻,支撐截面的受力狀態(tài)如圖3所示。

圖3 全塑性受力狀態(tài)

支撐部位受拉區(qū)域 (圖1中的 bc段)的磚塊與受壓區(qū)域 (ab、cf、fd)段的砌塊均達(dá)到屈服強(qiáng)度,Ⅰ段受拉區(qū)面積:

Ⅱ段磚混結(jié)構(gòu)受壓區(qū)面積:

Ⅲ段磚混結(jié)構(gòu)受壓區(qū)面積:

Ⅳ段磚混結(jié)構(gòu)受壓區(qū)面積:

從而得到各區(qū)對(duì)上部結(jié)構(gòu)作用的力矩大小:

進(jìn)一步計(jì)算可得到:

算得偏角為:

5 彈塑性力學(xué)條件下的實(shí)例計(jì)算

根據(jù)彈塑性理論,以 g點(diǎn)的砌塊達(dá)到拉伸屈服強(qiáng)度,以及 a(d)點(diǎn)的砌塊達(dá)到壓縮屈服強(qiáng)度作為計(jì)算結(jié)構(gòu)極限彎矩的判據(jù)。假設(shè)支撐面與應(yīng)力按圖4分布,結(jié)合圖1,可以看出受壓區(qū)墻體內(nèi)所受力的作用從 g點(diǎn)到 b、c點(diǎn)連線所在的中性軸逐漸線性減小,從 a、d點(diǎn)到 b、c連線,墻體內(nèi)所受的壓力作用也逐漸線性減小。

圖4 彈塑性受力狀態(tài)

Ⅰ段磚混結(jié)構(gòu)受拉區(qū)所受力矩:

Ⅱ段磚混結(jié)構(gòu)受壓區(qū)所受力矩:

Ⅲ段磚混結(jié)構(gòu)受壓區(qū)所受力矩:

Ⅳ段混凝土結(jié)構(gòu)受壓區(qū)所受力矩:

進(jìn)一步計(jì)算可得到:

最終算得偏角為:

6 結(jié)果分析

通過以上運(yùn)算,得到了在全塑性條件下的倒塌方向偏離角度為ω1=11.913°,在彈塑性條件下的倒塌方向偏離角度為ω2=14.861°,而工程實(shí)例中,煙囪偏離預(yù)定倒塌方向的實(shí)際角度為ω′=15.5°。從計(jì)算結(jié)果來看,可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)兩種計(jì)算方法所選取的力學(xué)模型基本正確,磚混結(jié)構(gòu)高聳建筑物在倒塌過程中確實(shí)存在中性軸以及受拉、受壓區(qū);

(2)在彈塑性條件下的倒塌方向計(jì)算方法求出的值誤差為 4.12%,小于全塑性條件下的倒塌方向計(jì)算方法求出的值的誤差 (23.14%),因而此方法較適合對(duì)磚混結(jié)構(gòu)高聳建筑物倒塌過程進(jìn)行計(jì)算;

(3)計(jì)算過程中進(jìn)行了簡(jiǎn)化,忽略了一些因素,因而需要對(duì)公式計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行修正,由以上參數(shù)可得修正系數(shù)

[1] 杜耀志,等.特定情況下糾正高聳建筑物定向爆破倒向偏差的探索與實(shí)踐[J].采礦技術(shù),2009,9(5):103-105.

[2] 周傳波,等.混砌筑煙囪定向爆破傾覆的力學(xué)分析[A].第七屆工程爆破學(xué)術(shù)會(huì)議論文集 [C].北京:冶金工業(yè)出版社,2001:422-427.

[3]曹 躍,等.高聳建筑拆除爆破失控事故淺析[J].爆破,2004,21(4):86-88.

[4] 陳明華,等.高聳筒體建筑物爆破拆除的傾倒過程力學(xué)分析[J].中國(guó)礦業(yè),2002,11(2):10-14.

[5] 何 軍,等.高聳圓筒形構(gòu)筑物爆破拆除物理 -力學(xué)模型的確定[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),1998,20(6):507-512.

[6] 夏 軍,傅光明,周明安,等.煙囪爆破切口數(shù)值模擬研究[J].采礦技術(shù),2009,9(5):63-65,110.

2011-06-26)