爆破拆除結(jié)構(gòu)的爆破缺口參數(shù)確定

爆破拆除結(jié)構(gòu)的爆破缺口參數(shù)確定

1相關(guān)研究的不足對(duì)于建筑物的爆炸拆除，房屋必須按照規(guī)定的范圍坍塌。根據(jù)研究和實(shí)踐，爆炸泄漏參數(shù)是決定爆炸拆除成功的重要因素。在工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上,許多學(xué)者對(duì)樓房爆破的拆除的缺口參數(shù)確定進(jìn)行了研究,由于沒能對(duì)樓房爆破拆除的倒塌過程進(jìn)行全面分析,所得結(jié)論大都是經(jīng)驗(yàn)式,存在一定的局限性。本文從分析磚混樓房爆破拆除倒塌破壞過程入手,提出爆破缺口長(zhǎng)度與高度的計(jì)算式,并對(duì)爆破缺口參數(shù)與樓房倒塌后堆積前、后距離范圍的關(guān)系作定性分析。2爆破缺口尺寸大時(shí)長(zhǎng)對(duì)爆破成功的影響樓房是一個(gè)穩(wěn)定的力學(xué)平衡體,但在爆破缺口形成后,若滿足一定的條件,這種平衡將被打破,樓房將在其自重的作用下傾斜、倒塌。如果爆破缺口尺寸過小,則爆后繼續(xù)保持穩(wěn)定或傾而不倒;如果爆破缺口尺寸過大,則難以對(duì)樓房倒塌的方向和倒塌后的堆積范圍進(jìn)行有效控制。兩種情況都將導(dǎo)致爆破失敗。根據(jù)實(shí)例分析認(rèn)為:樓房爆破拆除的倒塌過程分兩個(gè)階段。第一階段為從樓房開始傾倒到爆破缺口上、下邊緣相遇時(shí)止;第二階段為此后至樓房完全倒塌,如圖1所示。爆破缺口形成后,實(shí)現(xiàn)樓房?jī)A倒是爆破成功的一個(gè)關(guān)鍵。為此,要求爆破缺口長(zhǎng)度須達(dá)到一定值。實(shí)現(xiàn)樓房?jī)A倒過程中從第一階段向第二階段的順利過渡,是爆破成功的又一關(guān)鍵。為此,要求爆破缺口必須具有一定的高度。3爆炸開口參數(shù)的計(jì)算3.1計(jì)算力學(xué)關(guān)系式工程實(shí)踐中,對(duì)磚混樓房實(shí)施拆除爆破前,往往要對(duì)墻體進(jìn)行預(yù)處理,人工拆除所有非承重縱墻等,爆破時(shí)僅留下承重橫墻。這種情況下,為了使樓房定向倒塌,要求爆破缺口形成后,爆破缺口水平截面上(圖2所示)AB處的合成拉應(yīng)力不小于材料的拉伸強(qiáng)度;CD處的合成壓力應(yīng)不大于材料的壓縮強(qiáng)度;同時(shí)截面上的合成彎矩在倒塌方向上應(yīng)大于0。即存在力學(xué)關(guān)系式:MW?PA≥σt(1)MW+PA≤σc(2)P(L1?L2)?∑i=1nσtAi(L?L1)2≥0(3)M=PL+L12(4)A=S(L?L1)(5)W=16S(L?L1)2(6)ΜW-ΡA≥σt(1)ΜW+ΡA≤σc(2)Ρ(L1-L2)-∑i=1nσtAi(L-L1)2≥0(3)Μ=ΡL+L12(4)A=S(L-L1)(5)W=16S(L-L1)2(6)式(1)～(6)中,P為樓房總重量;M為偏心變矩;W為截面抗彎剛度;At為缺口水平截面第i道承重橫墻保留部分的面積;σt為材料的拉伸強(qiáng)度。爆前對(duì)加固柱預(yù)處理時(shí),σt取磚體或混凝土的拉伸強(qiáng)度;σc為材料壓縮強(qiáng)度;S為墻厚;L為樓房寬度;L1為缺口長(zhǎng)度;n為橫墻總數(shù)。解方程組并作進(jìn)一步處理,可得爆破缺口長(zhǎng)度。3.2爆破缺口高度樓房承重橫墻上形成足夠長(zhǎng)的缺口后,受傾覆力矩的作用,樓房將繞A(或B)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。如果缺口長(zhǎng)度足夠大,則由于樓房?jī)A倒中的動(dòng)能,樓房將以C(或D)為新的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)繼續(xù)傾倒,撞擊地面解體,如圖3所示。對(duì)傾倒的第一階段以A點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的情況,忽略樓房?jī)A倒過程中的變形、破壞及能量損失,有以下能量平衡方程。P[(H2?H3)?cos(α+θ)×(H2?H3)2+(L1?L2)2????????????????????√]=PV22g(7)Ρ[(Η2-Η3)-cos(α+θ)×(Η2-Η3)2+(L1-L2)2]=ΡV22g(7)式中,H為樓房高樓;H3為爆破缺口下緣至地面的高度,一般為0.5m;θ為樓房第一階段傾倒的轉(zhuǎn)角;a為OA連線與O點(diǎn)垂線的夾角;V為傾倒過程中樓房的質(zhì)心速度;g為重力加速度,取g=9.8m/s2。為實(shí)現(xiàn)爆破成功,必須使樓房能繞新的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)繼續(xù)傾倒。為此,應(yīng)有下列關(guān)系:12PgV2≥{[(H2?H1?H3)2+L24]12?[(H2?H3)2+(L1?L2)2]12cos(α+θ)}(8)12ΡgV2≥{[(Η2-Η1-Η3)2+L24]12-[(Η2-Η3)2+(L1-L2)2]12cos(α+θ)}(8)式中,H1為樓房?jī)A倒一側(cè)爆破缺口高度(或前端高度)。聯(lián)立式(7)、(8)并解得H1≥12{(H?2H3)?[(H?H3)2?L2]12}(9)Η1≥12{(Η-2Η3)-[(Η-Η3)2-L2]12}(9)若將樓房第一階段傾倒的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)控制在B點(diǎn),經(jīng)過類似的推導(dǎo)可得H1≥12{(H?2H3)?[(H?2H3)2?4Lh]12}(10)Η1≥12{(Η-2Η3)-[(Η-2Η3)2-4Lh]12}(10)其中Lh=L24+(H?2H3)H2?H22Lh=L24+(Η-2Η3)Η2-Η22式中,H2為爆破缺口的后端高度。實(shí)際中,對(duì)于強(qiáng)度較低的磚體材料結(jié)構(gòu),由于爆破缺口的D點(diǎn)突然撞擊C點(diǎn)會(huì)引起磚體進(jìn)一步破壞,使爆破缺口高度進(jìn)一步加大,因此,H1可取略小于式(9)或式(10)的計(jì)算值。4爆破破碎過程中樓單元及地面堆積范圍的變化對(duì)樓房實(shí)施爆破拆除,不僅要使樓房按既定方向倒塌,有時(shí)還需將倒塌限制在一定的范圍內(nèi),即要對(duì)樓房?jī)A倒的前沖或后坐加以控制和利用。樓房?jī)A倒的前沖、后坐距離受爆破缺口參數(shù)的影響,根據(jù)對(duì)爆破拆除工程實(shí)例的觀察與分析,這里作如下的定性討論。若爆破缺口長(zhǎng)度L1、缺口高度H2取較大值,則樓房倒塌過程中極易產(chǎn)生后坐,導(dǎo)致后方倒塌范圍R2較大,同時(shí)樓房倒塌后的前方堆積范圍R1取得較小值,圖1c所示。當(dāng)L1取較大值時(shí),樓房爆后支承體面積較小,樓房開始傾倒后,支承體極容易被壓壞而失去支承能力,從而使樓房在傾倒的同時(shí)產(chǎn)生向后的位移。而且缺口高度越大,樓房產(chǎn)生后移的時(shí)間越長(zhǎng),后移的距離R2就越大。減小L1和H2,有利于減小爆破倒塌過程中的后坐,實(shí)現(xiàn)樓房倒塌后的后方堆積范圍R2的減少。在爆破缺口長(zhǎng)度L1一定的情況下,增大爆破缺口高度H1,將會(huì)增大樓房倒塌觸地瞬間的速度。這樣,一方面有利于樓房倒塌后的撞擊破壞和解體;另一方面,將使樓房前沖,從而增大樓房倒塌后的前方堆積范圍R1,圖1c所示。工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明:選取適當(dāng)?shù)谋茀?shù)組(L1,H1,H2),達(dá)到樓房倒塌后破壞解體充分,并實(shí)現(xiàn)較小的地面堆積范圍,使其堆積在預(yù)定的范圍內(nèi),滿足爆破拆除的環(huán)境條件要求是可行的。由于樓房爆破拆除倒塌過程中的動(dòng)力學(xué)方程十分復(fù)雜,目前還難以建立集合(L1,H1,H2)→集合(R1,R2)之間的實(shí)用性強(qiáng)的映射關(guān)系。尋找這種關(guān)系,更有效地控制爆破結(jié)果是未來樓房爆破拆除研究的主題之一。5爆破缺口參數(shù)設(shè)計(jì)某四層磚混結(jié)構(gòu)樓房,長(zhǎng)50m,寬10m,高13m,四面外墻設(shè)有加固鋼筋混凝土立柱和圈梁。該樓房所有橫墻均是承重墻,而縱墻均不承重,橫墻厚24cm,共16道,墻體材料拉伸強(qiáng)度σt=4MPa,壓縮強(qiáng)度σc=30MPa,估計(jì)樓房總重P=1800×103kg。為簡(jiǎn)化爆破施工,降低爆破拆除時(shí)的一次起爆藥量,爆破施工前對(duì)非承重墻及加固立柱預(yù)拆除,僅留下承重墻待爆。根據(jù)樓房環(huán)境確定采用定向倒塌方案,且設(shè)法減小樓房倒塌后的前方堆積范圍,同時(shí)后方允許有較大的倒后堆積范圍。據(jù)此,爆破缺口參數(shù)設(shè)計(jì)如下。首先,由式(1)～(6)確定爆破缺口長(zhǎng)度。由式(1)、(4)～(6),求得爆破缺口長(zhǎng)度L1≥6.57m。由式(2)、(4)～(6),得L1≤7.99m,再由式(3)～(6),得L1≥7.55m,綜合以上結(jié)果,得爆破缺口長(zhǎng)度L1在7.55～7.99m之間。取H2=0.5m,由式(9)得爆破口高度H1=2.7m,若采用式(10),則得H1=3.7m。在實(shí)際爆破工程施工中,實(shí)際選取爆破缺口參數(shù)為:L1=8m,H3=0.5m,H2=0.5m,H1=2.0m。爆后樓房倒塌范圍得到了很好的控制,R1、R2實(shí)測(cè)值分別為:4.2m和9.2m。爆破取得良好效果。達(dá)到預(yù)期目的。6爆破缺口高度由材料力學(xué)的偏心受壓破壞原理及物體運(yùn)動(dòng)能量平衡原理導(dǎo)出的樓房爆破拆除缺口參數(shù)計(jì)算式,其計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際基本相符。由于墻體材料強(qiáng)度較低,樓房爆后倒塌過程中,爆破缺口上、下