爆破拆除结构的爆破缺口参数确定

爆破拆除结构的爆破缺口参数确定

1相关研究的不足对于建筑物的爆炸拆除，房屋必须按照规定的范围坍塌。根据研究和实践，爆炸泄漏参数是决定爆炸拆除成功的重要因素。在工程实践的基础上,许多学者对楼房爆破的拆除的缺口参数确定进行了研究,由于没能对楼房爆破拆除的倒塌过程进行全面分析,所得结论大都是经验式,存在一定的局限性。本文从分析砖混楼房爆破拆除倒塌破坏过程入手,提出爆破缺口长度与高度的计算式,并对爆破缺口参数与楼房倒塌后堆积前、后距离范围的关系作定性分析。2爆破缺口尺寸大时长对爆破成功的影响楼房是一个稳定的力学平衡体,但在爆破缺口形成后,若满足一定的条件,这种平衡将被打破,楼房将在其自重的作用下倾斜、倒塌。如果爆破缺口尺寸过小,则爆后继续保持稳定或倾而不倒;如果爆破缺口尺寸过大,则难以对楼房倒塌的方向和倒塌后的堆积范围进行有效控制。两种情况都将导致爆破失败。根据实例分析认为:楼房爆破拆除的倒塌过程分两个阶段。第一阶段为从楼房开始倾倒到爆破缺口上、下边缘相遇时止;第二阶段为此后至楼房完全倒塌,如图1所示。爆破缺口形成后,实现楼房倾倒是爆破成功的一个关键。为此,要求爆破缺口长度须达到一定值。实现楼房倾倒过程中从第一阶段向第二阶段的顺利过渡,是爆破成功的又一关键。为此,要求爆破缺口必须具有一定的高度。3爆炸开口参数的计算3.1计算力学关系式工程实践中,对砖混楼房实施拆除爆破前,往往要对墙体进行预处理,人工拆除所有非承重纵墙等,爆破时仅留下承重横墙。这种情况下,为了使楼房定向倒塌,要求爆破缺口形成后,爆破缺口水平截面上(图2所示)AB处的合成拉应力不小于材料的拉伸强度;CD处的合成压力应不大于材料的压缩强度;同时截面上的合成弯矩在倒塌方向上应大于0。即存在力学关系式: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为楼房总重量;M为偏心变矩;W为截面抗弯刚度;At为缺口水平截面第i道承重横墙保留部分的面积;σt为材料的拉伸强度。爆前对加固柱预处理时,σt取砖体或混凝土的拉伸强度;σc为材料压缩强度;S为墙厚;L为楼房宽度;L1为缺口长度;n为横墙总数。解方程组并作进一步处理,可得爆破缺口长度。3.2爆破缺口高度楼房承重横墙上形成足够长的缺口后,受倾覆力矩的作用,楼房将绕A(或B)点转动。如果缺口长度足够大,则由于楼房倾倒中的动能,楼房将以C(或D)为新的转动点继续倾倒,撞击地面解体,如图3所示。对倾倒的第一阶段以A点为转动点的情况,忽略楼房倾倒过程中的变形、破坏及能量损失,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为楼房高楼;H3为爆破缺口下缘至地面的高度,一般为0.5m;θ为楼房第一阶段倾倒的转角;a为OA连线与O点垂线的夹角;V为倾倒过程中楼房的质心速度;g为重力加速度,取g=9.8m/s2。为实现爆破成功,必须使楼房能绕新的转动点继续倾倒。为此,应有下列关系: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为楼房倾倒一侧爆破缺口高度(或前端高度)。联立式(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)若将楼房第一阶段倾倒的转动点控制在B点,经过类似的推导可得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为爆破缺口的后端高度。实际中,对于强度较低的砖体材料结构,由于爆破缺口的D点突然撞击C点会引起砖体进一步破坏,使爆破缺口高度进一步加大,因此,H1可取略小于式(9)或式(10)的计算值。4爆破破碎过程中楼单元及地面堆积范围的变化对楼房实施爆破拆除,不仅要使楼房按既定方向倒塌,有时还需将倒塌限制在一定的范围内,即要对楼房倾倒的前冲或后坐加以控制和利用。楼房倾倒的前冲、后坐距离受爆破缺口参数的影响,根据对爆破拆除工程实例的观察与分析,这里作如下的定性讨论。若爆破缺口长度L1、缺口高度H2取较大值,则楼房倒塌过程中极易产生后坐,导致后方倒塌范围R2较大,同时楼房倒塌后的前方堆积范围R1取得较小值,图1c所示。当L1取较大值时,楼房爆后支承体面积较小,楼房开始倾倒后,支承体极容易被压坏而失去支承能力,从而使楼房在倾倒的同时产生向后的位移。而且缺口高度越大,楼房产生后移的时间越长,后移的距离R2就越大。减小L1和H2,有利于减小爆破倒塌过程中的后坐,实现楼房倒塌后的后方堆积范围R2的减少。在爆破缺口长度L1一定的情况下,增大爆破缺口高度H1,将会增大楼房倒塌触地瞬间的速度。这样,一方面有利于楼房倒塌后的撞击破坏和解体;另一方面,将使楼房前冲,从而增大楼房倒塌后的前方堆积范围R1,图1c所示。工程实践经验表明:选取适当的爆破参数组(L1,H1,H2),达到楼房倒塌后破坏解体充分,并实现较小的地面堆积范围,使其堆积在预定的范围内,满足爆破拆除的环境条件要求是可行的。由于楼房爆破拆除倒塌过程中的动力学方程十分复杂,目前还难以建立集合(L1,H1,H2)→集合(R1,R2)之间的实用性强的映射关系。寻找这种关系,更有效地控制爆破结果是未来楼房爆破拆除研究的主题之一。5爆破缺口参数设计某四层砖混结构楼房,长50m,宽10m,高13m,四面外墙设有加固钢筋混凝土立柱和圈梁。该楼房所有横墙均是承重墙,而纵墙均不承重,横墙厚24cm,共16道,墙体材料拉伸强度σt=4MPa,压缩强度σc=30MPa,估计楼房总重P=1800×103kg。为简化爆破施工,降低爆破拆除时的一次起爆药量,爆破施工前对非承重墙及加固立柱预拆除,仅留下承重墙待爆。根据楼房环境确定采用定向倒塌方案,且设法减小楼房倒塌后的前方堆积范围,同时后方允许有较大的倒后堆积范围。据此,爆破缺口参数设计如下。首先,由式(1)～(6)确定爆破缺口长度。由式(1)、(4)～(6),求得爆破缺口长度L1≥6.57m。由式(2)、(4)～(6),得L1≤7.99m,再由式(3)～(6),得L1≥7.55m,综合以上结果,得爆破缺口长度L1在7.55～7.99m之间。取H2=0.5m,由式(9)得爆破口高度H1=2.7m,若采用式(10),则得H1=3.7m。在实际爆破工程施工中,实际选取爆破缺口参数为:L1=8m,H3=0.5m,H2=0.5m,H1=2.0m。爆后楼房倒塌范围得到了很好的控制,R1、R2实测值分别为:4.2m和9.2m。爆破取得良好效果。达到预期目的。6爆破缺口高度由材料力学的偏心受压破坏原理及物体运动能量平衡原理导出的楼房爆破拆除缺口参数计算式,其计算结果与工程实际基本相符。由于墙体材料强度较低,楼房爆后倒塌过程中,爆破缺口上、下