郝 健,吳克剛,宋思銳

(1.31309部隊(duì),四川成都 610011; 2.國(guó)防科技大學(xué)政事基礎(chǔ)教育學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410072 )

0 引言

高聳構(gòu)筑物爆破拆除是以炸藥爆炸破壞局部結(jié)構(gòu),造成構(gòu)筑物整體失穩(wěn),發(fā)生傾倒或塌落;主要有定向傾倒、折疊式倒塌和原地坍塌3種方法。定向傾倒法設(shè)計(jì)施工相對(duì)簡(jiǎn)單,應(yīng)用較為廣泛,在場(chǎng)地條件允許時(shí)一般予以?xún)?yōu)先考慮。采用定向傾倒法爆破拆除時(shí),余留截面抗壓強(qiáng)度和重心偏移距離是不容忽視的重要指標(biāo),是影響構(gòu)筑物定向傾倒的重要因素,如果缺少計(jì)算分析或計(jì)算分析不準(zhǔn)確,極有可能造成構(gòu)筑物傾倒時(shí)發(fā)生后座或傾倒方向發(fā)生改變,不能按預(yù)定方式在預(yù)定范圍內(nèi)定向倒塌,最終導(dǎo)致爆破失敗。針對(duì)某單位家屬區(qū)水塔定向傾倒法爆破拆除項(xiàng)目,本文對(duì)余留截面抗壓強(qiáng)度和重心偏移距離進(jìn)行了計(jì)算分析,為爆破方案制定提供了可靠依據(jù)。

1 工程概況

某單位家屬區(qū)改造擬爆破拆除水塔,水塔地處拆遷施工區(qū),周?chē)匦慰諘?建筑設(shè)施及保護(hù)目標(biāo)較少。水塔為圓柱形鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu),高32 m,下筒體直徑φ2.2 m,上部傘形水塔直徑約φ12 m,水塔壁厚25 cm。筒體下部開(kāi)口朝北,內(nèi)有進(jìn)出水管和爬梯。

2 爆破基本方案

針對(duì)待拆水塔及其周?chē)鷮?shí)際情況,采用定向傾倒法爆破拆除。根據(jù)水塔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及周邊環(huán)境綜合考慮,確定水塔倒塌方向?yàn)檎逼珫|20°,爆破環(huán)境較為優(yōu)越,符合定向倒塌的條件和要求。

2.1 爆破切口

(1) 爆破切口長(zhǎng)度。根據(jù)水塔的結(jié)構(gòu)和受力情況,采用梯形切口,切口長(zhǎng)度按式(1)計(jì)算。

(1)

式中:LP為爆破切口長(zhǎng)度(m);D為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)水塔切口處外徑(m)。

根據(jù)本工程待拆除水塔尺寸及其鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)型式,在計(jì)算基礎(chǔ)上取水塔切口長(zhǎng)度LP為4.2 m(開(kāi)口圓心角約為200°)。

(2) 爆破切口高度。對(duì)于鋼筋混凝土筒體,爆破切口高度按式(2)計(jì)算。

Hp=k1δ

(2)

式中:Hp為切口高度;δ為切口處筒體的壁厚;k1為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)筒體切口高度系數(shù),k1取3.0～5.0。

考慮到鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)壁厚只有25 cm且高度達(dá)32 m,因此計(jì)算中k1取大值:

HP=5.0×δ=5.0×0.25=1.25 m

(3)定向窗尺寸。為保證水塔的定向準(zhǔn)確和順利倒塌,在爆破切口邊緣兩邊各設(shè)置了一個(gè)三角形定向窗,其作用是隔斷爆破區(qū)與保留支撐區(qū),保證支撐區(qū)不因爆破而使其對(duì)稱(chēng)性發(fā)生變化;定向窗高度與切口高度相同,定向窗初定后進(jìn)行了靜態(tài)支撐安全校核,以防切口尺寸過(guò)大導(dǎo)致水塔未爆失穩(wěn)。根據(jù)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn),三角形定向窗寬度取1 m、卸荷槽區(qū)0.8 m。定向窗與卸荷槽采用人工開(kāi)鑿方法預(yù)先開(kāi)設(shè)和修整,窗、槽內(nèi)的鋼筋全部割除。因定向窗外側(cè)是建筑物傾倒過(guò)程中的支撐點(diǎn),在爆破缺口形成后受到的壓力很大,所以定向窗切割面力求平整且無(wú)損傷,以保證兩定向窗的抗壓強(qiáng)度相近,兩側(cè)受力均衡,以利于建筑物傾倒定向準(zhǔn)確。

3 余留截面抗壓強(qiáng)度與重心偏移距離計(jì)算

水塔拆除爆破定向倒塌過(guò)程中,當(dāng)爆破缺口形成以后,在缺口對(duì)面保留部分的圓環(huán)筒體稱(chēng)為預(yù)留支撐體,預(yù)留支撐體橫截面稱(chēng)為余留截面。如果上部筒體的重力對(duì)預(yù)留支撐體橫截面的壓應(yīng)力超過(guò)了余留截面材料的極限抗壓強(qiáng)度,預(yù)留支撐體就會(huì)瞬時(shí)被壓壞而使水塔上部結(jié)構(gòu)下坐,會(huì)導(dǎo)致水塔爆而不倒或傾倒方向失去控制。如果預(yù)留支撐體有一定的承載能力,則上部筒體在重力和支座反力形成的傾覆力矩的作用下向預(yù)定方向倒塌。因此,余留截面抗壓強(qiáng)度計(jì)算在爆破設(shè)計(jì)中至關(guān)重要,是研究水塔傾倒必須分析的關(guān)鍵因素。

3.1 余留截面抗壓強(qiáng)度計(jì)算

3.1.1 水塔缺口以上部分體積與質(zhì)量計(jì)算

水塔缺口以上部分的體積與質(zhì)量,根據(jù)工程原始資料和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取值,各部分按照?qǐng)A環(huán)形筒體進(jìn)行計(jì)算考慮。

(1)水塔缺口以上體積按式(3)計(jì)算(包含傘形部分)。

V=πH(R2-r2)

(3)

式中:H為水塔各部分高度(m);R、r分別為水塔底部外半徑、內(nèi)半徑(m)。

計(jì)算可得水塔開(kāi)口以上部分(包含傘形部分)總體積約為49 m3。

(2)水塔缺口以上部分(包含傘形部分)質(zhì)量。

m=ρV=1.03×105kg

式中:ρ為密度,根據(jù)原始資料和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),ρ取2.1×103kg/m3。

3.1.2 缺口形成后余留截面抗壓強(qiáng)度計(jì)算

余留截面面積為:

結(jié)合工程原始資料和現(xiàn)場(chǎng)取樣,余留截面材料的極限抗壓強(qiáng)度約為2.94 MPa,上部重力在余留截面產(chǎn)生的壓應(yīng)力為:

式中:A為缺口形成后底部余留截面面積(m2);σ為缺口形成后底部余留截面上的應(yīng)力(MPa)。

計(jì)算結(jié)果表明缺口形成后,余留截面抗壓強(qiáng)度足以支撐水塔上部自重,能夠可靠地為上部結(jié)構(gòu)提供支座反力,為傾覆力矩的形成創(chuàng)造條件。

3.2 重心偏移距離計(jì)算

根據(jù)高聳構(gòu)筑物拆除爆破定向倒塌機(jī)理,爆破缺口形成后上部結(jié)構(gòu)傾倒應(yīng)滿足一些條件:

(1)傾倒初期預(yù)留支撐體截面應(yīng)有一定的抗壓強(qiáng)度,受其不致立即受壓破壞而使上部結(jié)構(gòu)提前下坐。

(2)缺口形成瞬間,重力引起的傾覆力矩必須足夠大,能克服截面本身的塑性抵抗力,使上部結(jié)構(gòu)定向傾倒。

(3)缺口閉合后,重力對(duì)新支點(diǎn)必須有足夠大的傾覆力矩,確?？朔Ｓ嗟乃苄缘挚沽?。

對(duì)于鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)水塔,缺口形成后必須有足夠的傾覆力矩使水塔缺口閉合時(shí),其上部重心不但要偏出新支點(diǎn),而且重心相對(duì)新支點(diǎn)偏移的力矩必須大于破壞截面內(nèi)的拉力鋼筋所產(chǎn)生的力矩。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料分析,工程實(shí)踐中應(yīng)當(dāng)考慮缺口上下邊緣閉合時(shí),上部結(jié)構(gòu)重心偏移距離大于缺口底部的外半徑,確保水塔能夠定向傾倒?；谏弦曰驹瓌t和方法思路,展開(kāi)水塔爆破缺口閉合時(shí)重心偏移距離計(jì)算分析。

(1)爆破缺口形成的圓弧在塔體橫截面圓周上對(duì)應(yīng)的弦到傾倒方向上外壁的最大距離,即弦心距與外半徑之和為:

L1=R+Rcos[(360°-200°)/2]=1.3 m

(2)爆破缺口閉合角。

閉合角正切值為:

tanα=h/L1

閉合角為:

α=arctan(h/L1)=43.9°

(3)缺口閉合時(shí)水塔重心偏移距離。

L=Hsinα-R=15.2-1.1=14.1 m

式中:R為水塔外半徑(m);h為爆破開(kāi)口高度;H為水塔重心至開(kāi)口的高度(m)。

由計(jì)算結(jié)果可知,L>R,水塔傾倒閉合時(shí),其重心偏離距離超過(guò)水塔底部半徑14.1 m。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)水塔拆除爆破定向傾倒余留截面材料極限抗壓強(qiáng)度和爆破開(kāi)口以上部分重心高度,應(yīng)以原始工程資料或力學(xué)試驗(yàn)為基礎(chǔ)取值,確保計(jì)算分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

(2)余留截面抗壓強(qiáng)度計(jì)算可驗(yàn)證上部筒體的重力對(duì)預(yù)留支撐體的壓應(yīng)力是否超過(guò)了余留截面材料的極限抗壓強(qiáng)度,避免預(yù)留支撐體被壓壞而使水塔上部結(jié)構(gòu)下坐。余留截面抗壓強(qiáng)度足夠,則上部筒體在重力和支座反力形成的傾覆力矩的作用下向預(yù)定方向倒塌。

(3)在對(duì)爆破缺口的幾何特性進(jìn)行分析基礎(chǔ)上進(jìn)行水塔定向傾倒重心偏移距離計(jì)算,考慮爆破缺口上下邊緣閉合時(shí)上部結(jié)構(gòu)重心偏移距離必須大于缺口底部的外半徑,確保水塔能夠定向傾倒。