筒形薄壁建筑物爆破拆除切口研究(1)

1999年9月BLASTING　Sep.　1999文章编号　1001-487X(1999)03-0015-05

筒形薄壁建筑物爆破拆除切口研究成新法　冯长根(北京理工大学　北京　100081)

黄卫东(福建省建筑机械化施工公司　福州市　361012)

摘要　针对薄壁筒形建筑物的爆破拆除,研究爆破切口参数。运用力学和运动学方法推导得到了余留支撑体所对应的最小保留角和爆破切口高度计算公式。计算结果在工程实践中得到验证。本文的计算方法对爆破拆除薄壁筒形建筑物的设计具有一定的实用价值。关键词　爆破拆除;筒形建筑物;切口

中图分类号　TD2351373　　　　文献标识码　B

StudyonBlastingCuttingofCircleConstructionwithThinWall

ChengXinfa　FengChanggen

(BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081)

HuangWeidong

(FujianConstructionMachine-workingCorporation,Fujian362012)

Abstract

Blastingcuttingofcircularconstructionwiththinwallisstudied.Thecalculatingformulaeofminimumanglecorrespondingtotheremainedwallandblastingcuttingheightarededucedonthebasisofprincipleofmechanicsanddynamics.Calculatingre2sultsareverifiedinengineeringapplications.Thismethodispracticallyvaluedtothede2signofdemolishingcircleconstructionwiththinwall.

Keywords:　blastingcutting;demolition;circleconstruction

1　概述

最近几十年来的高耸筒形建筑物爆破拆除资料表明,人们已经基本掌握了这一爆破拆除技术[1,2]。但在实际操作中时有失误发生。深入分析其中的原因表明,每个建筑物都有其自身的结构特点,所处的环境各不相同;爆破切口及装药量公式选取不当等,这些都是影响建筑

收稿日期:1998—10—21

・16・爆　　破　　　　　　　　　　　　　　　1999年9月

物安全准确倾倒的主要因素,最主要的是对爆破切口的诸参数及其各参数之间的关系缺乏深

入的研究。

2　基本原理

筒形高耸建筑物爆破拆除的基本原理是,利用炸药爆炸作用,在建筑物的倾倒方向上,破坏一定高度和长度的支撑体,并保留一部分支撑体作为倾倒绞支。使整个构筑物的重心偏移,在重力作用下发生倒塌,触地解体。由此可见,爆破只是形成爆破切口并使构筑物失稳倒塌的一种手段,所以爆破切口是影响构筑物失稳倒塌的关键因素。

构筑物失稳条件包括爆破切口形成瞬间的失稳条件和爆破切口闭合后继续倾倒条件。在爆破切口形成时构筑物自身重力倾覆力矩必须大于承载截面抵抗力矩[3—5]。对砖或素混凝土结构构筑物,抵抗力矩即为余留支撑部分的抗弯力矩;对于钢筋混凝土结构构筑物,除余留的混凝土抗弯力矩外还包括爆破切口内钢筋产生的抗弯力矩。切口闭合后,建筑物能否继续倾倒取决于其重心是否偏出新支点。对砖或素混凝土结构建筑物,只要其重心偏出新支点就能顺利倾倒;而对于钢混凝土结构建筑物,其重心不但要偏出支点,而且重心相对于新支点的力矩必须大于切口内的拉力钢筋产生的力矩,从而使钢筋屈服。

3　爆破切口

由筒形高耸结构筑物的爆破拆除原理可知,爆破切口是利用炸药爆炸作用在构筑物体壁的某一位置瞬间形成某种形状的缺口。一般地,筒形高耸构筑物的爆破设计主要是指爆破切口的设计,即运用力学和运动学原理对爆破切口的位置、形状及尺寸进行设计。

图1　各种爆破切口的形式

311　爆破切口的形状

a矩形b梯形c倒梯形d倒八字形e八字形f倒人字形g

人字形h唇齿形

常用的几种爆破切口形状如图1所示。在工

程实践中采用的这些爆破切口的形状而言,有时选择不当,效果不佳。目前对采用何种爆破切口仍没有统一的说法。一般认为,爆破切口的形状在建筑物初始倾倒阶段具有辅助支撑、准确定向、防止折断和控制后坐的作用。在实际工程中,矩形切口其特点是施工简便、布孔规整和工作量小,所以大都采用这种爆破切口。梯形切口其特点是它的三角形部分在建筑物倾倒过程中可起到一定的支撑作用,使倾倒过程平稳。有效防止后座。此外,尚有人字形、八字形和唇齿形等切口施工复杂的原因,除少数情况使用外,一般在实际工作中很少采用。下文以矩形切口为例,分别讨论切口的长度和高度。312　爆破切口的长度

爆破切口的弧长与建筑物的物理状态参数有关,如公式(1)所示:

L=f(Dδ,,Pσ,tσ,y)

(1)

第16卷第3期　　　　　　　　成新法　等　筒形薄壁建筑物爆破拆除切口研究・17・

δ—切口处的壁厚;　P—切口上　　式中:L—爆破切口的弧长;　D—切口处的外径;　

σ部建筑物的总重量;　,y—建筑物的抗拉强度和抗压强度。tσ

对于一定建筑材料,运用相似理论,上式可写成无量纲形式:

δLP(2)=f(,

π・DDσD2)t・2

　　公式2表明,无量纲后的切口长度是δ/D和P/σtD的函数,其具体的表达形式因构筑物的结构而异,可用所对应的圆心角大小表示。

对于素混凝土和砖结构,由稳定条件σ|σmax|Φ[c]　　得最小保留角:

β2min

σδ±4P2+([σδ)2-4P2/π2P+[c]Dc]D=

σδ2P/π+2[c]D

(3)

(4)

β　　式中,2|σmin—保留弧长所对应的最小保留角;　max|—支撑面中承受的最大的压应力;

σ　[D—切口处外径。c]—材料的抗压强度;　对于钢筋混凝土结构,在爆破切口形成的瞬间,中性轴的一侧受拉而另一侧受压,采用近似的方法得到

σσαα[′′c]Aαc+[s]As(y+αy)+0101(y-αy)EsAsβ(5)2=min

σσP+[c]Ac+[y]Asσσα—受压混凝土所对应的圆心角;　　式中,[c],[y]—混凝土的压应力和钢筋压应力;　

α　,y—钢筋受拉和受压达到屈服应力时所对应的圆心角;　Ac,As—支撑体混凝土和钢筋yα

的面积;　Es—钢筋弹性模量。313　爆破切口的高度

计算爆破切口高度的原则是,构筑物倾倒过程中,切口上下沿闭合时,重心移动的距离应大于切口下沿处的外径,如图1中的b所示。对素混凝土和砖结构切口高度,当其倾倒至切口闭合时,切口闭合角α:

α=arctg

hβ)R(1+cos

　　此时重心偏移距离S:Hhα=S=Htg

β)R(1+cos　　根据上述关于重心的偏

移距离大于切口处外半径的设定,则有

S=

HhΕRβ)R(1+cos

图2　爆破切口高度计算示意图

a-切口下沿截面b-倾倒过程

由此得

β)D2(1+coshΕ

4H

(6)

β—支撑体弧长对应的圆心角;　H—　　式中,h—切口高度;　D—切口下沿外径;　2

・18・爆　　破　　　　　　　　　　　　　　　1999年9月

构筑物重心的高度。

由式(6)说明,切口高度与底部直径平方成正比,与圆心角的余弦值成正比,而与构筑物重心的高度成反比。由此可以看出,构筑物底部直径对切口高度的影响是主要的,底部直径越大和重心越低时,要求切口高度越大。

对于钢筋混凝土结构,切口闭合后,构筑物继续倾倒的条件是倾覆力矩大于余留截面内钢筋的极限抗弯力矩。作近似处理后得公式(7):D2hΕCH(7)

　　其中σ(1+cosβ)1As(3+cosβ)

42P

　　上式中各符号的意义与前面公式中的相同。将公式(6)和公式(7)相比,两式具有相同的

C=

1+

形式,但钢筋混凝土结构的切口高度比素混凝土或砖结构的切口高度多

σ[1]As数量成正比,与构筑物的自重成反比。(3+cosβ)倍,而且与钢筋的种类、1+

2P

4　工程应用

某一高度为50m的水泥浆砌砖结构烟囱,自重1104×106kg,重心高度为1915m;外壁厚017m,选用类梯形爆破切口,切口下沿处的外径514m;结构的抗压强度为2194MPa;按公式(4)和公式(6)计算得到最小保留角和爆破切口高度

β=158°2

h≥01748m

　　实际取最小保留角为120°和爆破切口高度为115m[6]。

某一高度为38m的钢筋混凝土水塔,自重6179×107kg,重心高度为1417m;选用梯形爆破切口,切口下沿处的外径为214m;钢筋的极限抗拉强度为38718MPa;切口余留支撑体中

钢筋数为20,直径20mm,总面积6128×10-3m2。按公式(5)和公式(7)计算得到

β=140°2

h≥1109m

　　实际取最小保留角为120°和爆破切口高度为111m。采用上述爆破切口的参数,烟囱、水塔的爆破取得了成功。

5　讨论

保证筒形薄壁构筑物顺利倒塌的基本条件是,爆破切口形成的瞬间由重力产生的压应力应小于余留支撑体的极限抗压强度;爆破切口闭合时由重力形成的新的倾覆力矩应大于余留支体内钢筋的极限抗弯力矩。由这两个基本条件,对钢筋混凝土结构和素混凝土或砖结构,推导得到最小保留角和切口高度计算公式。经实际工程的检验表明,无论是钢筋混凝土结构还是素混凝土或砖或砖结构,最小保留角计算公式具有较高的可靠性;对钢筋混凝土结构而言,

第16卷第3期　　　　　　　　成新法　等　筒形薄壁建筑物爆破拆除切口研究・19・

采用爆破切口计算公式计算所得结果是合理的,同时注意到砖结构的计算结果值偏小,这是因为在推导过程中忽略了砖的抗拉强度,实际上水泥浆砌砖结构具有0115MPa～0125MPa抗拉强度。值得注意的是,对于高耸筒形构筑物,在设计爆破切口时,除考虑自身的结构外还应考虑外界因素,例如风力的影响[7]。因此,还需要进一步的研究。

深入分析上述计算公式可知,主要是建筑物的几何因素影响爆破切口的参数。在几何因素中,重要的是重心高度和底部直径,而壁厚的影响可以忽略不计,这可以从下面的公式(8)[8]得到证明:

H(8)h=1-2(D/H)2

21-　　公式(8)中各符号的意义同前,缺口高度仅仅是重心和直径的函数,而与壁厚无关。所以,爆破切口高度为壁厚的115～3倍只是工程实践的经验。

6　结论

在采用爆破方法拆除薄壁筒形构筑物的设计中,关键是爆破切口的设计。爆破切口的设计主要是切口的形状、最小保留角和切口的高度。

在本文的条件下推导得到的最小保留角和高度计算公式可用于指导薄壁筒形构筑物的爆破设计,已在工程实践中初步得到验证。

在构筑物材料确定的条件下,其几何尺寸是影响爆破切口参数的主要因素。

参考文献

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1998110

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