非对称结构高耸建筑物爆破倒塌方向的实例验算与分析

杜耀志,郭天天

(国防科技大学指挥军官基础教育学院野战工程系, 湖南长沙 410072)

非对称结构高耸建筑物爆破倒塌方向的实例验算与分析

杜耀志,郭天天

(国防科技大学指挥军官基础教育学院野战工程系, 湖南长沙 410072)

以某砖混结构水塔为例,就非对称高耸建筑物定向爆破倒塌方向进行了研究,建立了计算模型,分全塑性力学条件和弹塑性力学条件两种情况进行了倒塌方向角度的计算。计算结果表明,所建立的模型基本正确,砖混结构高耸建筑物在倒塌过程中确实存在中性轴以及受拉、受压区,并且弹塑性条件方法更适合于砖混结构高耸建筑物的倒塌过程计算。

定向爆破;高耸建筑物;倒塌方向;计算模型;实例验算

通常,按照爆破切口的对称性将高耸建筑物爆破工程分为两类:一类爆破切口的结构对称、材料均匀;另一类则存在烟囱排料口和水塔出入门等特殊结构,使得爆破切口结构不对称。针对第一类工程,经过长期的实践,行业内已经有了许多成熟且行之有效的处理方法。而在遇到第二类工程时则往往在倒塌方向上容易出现偏差甚至导致事故,为了找到更好的解决此类问题的方法,从理论对定向倒塌过程进行力学分析和计算则十分必要。

1 计算模型

对高耸圆筒形构筑物进行爆破拆除的主要原理是通过在构筑物底部某一高度处,采用爆破的方法开一个一定尺寸的切口,利用构筑物本身的自重造成偏心受压失稳。

如果将爆破后切口上部部分作为一个独立整体进行运算,则切口部分将存在一条分割受拉力和受压力的中性轴。受拉部位的筒体端部材料将被拉断破坏,而靠近切口处部分在构筑物的倒塌运动过程中受压破坏,切口上部筒体将围绕切口处中性轴运动,按设计方向发生偏转。一般来说,切口的高度与构筑物的尺寸、结构和材料等有关,其截面示意如图1所示。

图1 爆破切口截面

在构筑物爆破后,切口形成的一瞬间,如果对基于爆破切口所在的某一平面内的受力情况进行分析,求出暂时起支撑作用的部分墙体各个部分对切口以上部分构筑物的力矩的作用,然后与估算出的构筑物切口上部自重所产生的倾倒力矩作用结合,运用理论力学的空间力矩运算规则,最后计算出所受的总的力矩的作用,则可以较为精确地判断出构筑物倒塌的方向。

2 几点假定

烟囱、水塔等高耸结构构筑物的爆破拆除是一个动力作用及破坏坍塌运动过程。从静力学上看,这个过程存在压缩、剪切、扭转等作用效应;从动力学上看,还存在爆炸应力波作用等效应。总的来说,其作用效应的影响因素非常多,内在机理非常复杂,全面深入揭示其机理,需要从结构、材料、动力作用等多方面进行理论研究、数值模拟以及实验验证。为了使计算不至于太过复杂,而另一方面又能保证计算结果的合理有效性,作如下假定,简化坍塌过程中的受力作用。

(1)结构中由同种材料组成的部分为均质体;

(2)整个结构处于简单重力场作用中,不受其它作用载荷影响;

(3)爆破切口与保留部分相接的两端点在同一水平面上,即支撑面为水平面;

(4)爆破后瞬间,爆破切口保留支撑面为全塑性变形或弹塑性变形。

3 工程实例

被爆破拆除的水塔位于某研究所院内,高 30 m,外直径 5.5 m,壁厚 0.5 m,筒体为砖混结构,水箱为钢筋混凝土结构。水塔底部东南方向开有一个出入口,门框高 1.8 m,宽 1.0 m,材料为钢筋混凝土,塔体完好无损,如图2所示。

图2 水塔结构示意

根据现场勘查,预定该水塔爆破倾倒方向为正北,爆裂口则无可避免的与出入门交汇,考虑到出入门门框的支撑作用,切口中心比原定的向东转动 5.7°。

爆破参数如表1所示。起爆后,水塔失稳 2 s后开始倒塌,水塔下部的砖混筒体以极快的速度解体,水箱重重的落在了地上。水箱破裂且未完全解体,需要进行二次破碎,周围建筑物无任何影响,未发现有飞石抛出迹象。爆堆顶部向西偏移了 8 m,约15.5°。

表1 水塔拆除爆破参数

根据上述实例可得以下参数: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:普通砖墙密度ρz=1.8×103kg/m3,混凝土密度ρh=2.5×103kg/m3,受拉区砖墙抗拉强度 ft=4.0×105N/m3,受压区砖墙抗压强度 fp1=25.0×105N/m3,C20混凝土抗压强度 fp2=134.0 ×105N/m3。

根据图1,bc段内除 b点、c点位置的两块近似三角形区域外的阴影部分区域即为受拉区。为方便叙述,将 bc,ab,cf,fd段分别设为ⅠⅡⅢⅣ段,各区段的受压受拉情况见表2。

表2 区段及受压受拉情况

4 全塑性力学条件下的实例计算

假定水塔在倾倒的初始时刻,支撑截面的受力状态如图3所示。

图3 全塑性受力状态

支撑部位受拉区域 (图1中的 bc段)的砖块与受压区域 (ab、cf、fd)段的砌块均达到屈服强度,Ⅰ段受拉区面积:

Ⅱ段砖混结构受压区面积:

Ⅲ段砖混结构受压区面积:

Ⅳ段砖混结构受压区面积:

从而得到各区对上部结构作用的力矩大小:

进一步计算可得到:

算得偏角为:

5 弹塑性力学条件下的实例计算

根据弹塑性理论,以 g点的砌块达到拉伸屈服强度,以及 a(d)点的砌块达到压缩屈服强度作为计算结构极限弯矩的判据。假设支撑面与应力按图4分布,结合图1,可以看出受压区墙体内所受力的作用从 g点到 b、c点连线所在的中性轴逐渐线性减小,从 a、d点到 b、c连线,墙体内所受的压力作用也逐渐线性减小。

图4 弹塑性受力状态

Ⅰ段砖混结构受拉区所受力矩:

Ⅱ段砖混结构受压区所受力矩:

Ⅲ段砖混结构受压区所受力矩:

Ⅳ段混凝土结构受压区所受力矩:

进一步计算可得到:

最终算得偏角为:

6 结果分析

通过以上运算,得到了在全塑性条件下的倒塌方向偏离角度为ω1=11.913°,在弹塑性条件下的倒塌方向偏离角度为ω2=14.861°,而工程实例中,烟囱偏离预定倒塌方向的实际角度为ω′=15.5°。从计算结果来看,可以得到以下几点结论:

(1)两种计算方法所选取的力学模型基本正确,砖混结构高耸建筑物在倒塌过程中确实存在中性轴以及受拉、受压区;

(2)在弹塑性条件下的倒塌方向计算方法求出的值误差为 4.12%,小于全塑性条件下的倒塌方向计算方法求出的值的误差 (23.14%),因而此方法较适合对砖混结构高耸建筑物倒塌过程进行计算;

(3)计算过程中进行了简化,忽略了一些因素,因而需要对公式计算的结果进行修正,由以上参数可得修正系数

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2011-06-26)