水塔定向爆破余留截面抗压强度与重心偏移距离计算分析

郝 健,吴克刚,宋思锐

(1.31309部队,四川成都 610011; 2.国防科技大学政事基础教育学院,湖南长沙 410072 )

0 引言

高耸构筑物爆破拆除是以炸药爆炸破坏局部结构,造成构筑物整体失稳,发生倾倒或塌落;主要有定向倾倒、折叠式倒塌和原地坍塌3种方法。定向倾倒法设计施工相对简单,应用较为广泛,在场地条件允许时一般予以优先考虑。采用定向倾倒法爆破拆除时,余留截面抗压强度和重心偏移距离是不容忽视的重要指标,是影响构筑物定向倾倒的重要因素,如果缺少计算分析或计算分析不准确,极有可能造成构筑物倾倒时发生后座或倾倒方向发生改变,不能按预定方式在预定范围内定向倒塌,最终导致爆破失败。针对某单位家属区水塔定向倾倒法爆破拆除项目,本文对余留截面抗压强度和重心偏移距离进行了计算分析,为爆破方案制定提供了可靠依据。

1 工程概况

某单位家属区改造拟爆破拆除水塔,水塔地处拆迁施工区,周围地形空旷,建筑设施及保护目标较少。水塔为圆柱形钢筋混凝土筒体结构,高32 m,下筒体直径φ2.2 m,上部伞形水塔直径约φ12 m,水塔壁厚25 cm。筒体下部开口朝北,内有进出水管和爬梯。

2 爆破基本方案

针对待拆水塔及其周围实际情况,采用定向倾倒法爆破拆除。根据水塔结构特点及周边环境综合考虑,确定水塔倒塌方向为正北偏东20°,爆破环境较为优越,符合定向倒塌的条件和要求。

2.1 爆破切口

(1) 爆破切口长度。根据水塔的结构和受力情况,采用梯形切口,切口长度按式(1)计算。

(1)

式中:LP为爆破切口长度(m);D为钢筋混凝土结构水塔切口处外径(m)。

根据本工程待拆除水塔尺寸及其钢筋混凝土结构型式,在计算基础上取水塔切口长度LP为4.2 m(开口圆心角约为200°)。

(2) 爆破切口高度。对于钢筋混凝土筒体,爆破切口高度按式(2)计算。

Hp=k1δ

(2)

式中:Hp为切口高度;δ为切口处筒体的壁厚;k1为钢筋混凝土结构筒体切口高度系数,k1取3.0～5.0。

考虑到钢筋混凝土筒体结构壁厚只有25 cm且高度达32 m,因此计算中k1取大值:

HP=5.0×δ=5.0×0.25=1.25 m

(3)定向窗尺寸。为保证水塔的定向准确和顺利倒塌,在爆破切口边缘两边各设置了一个三角形定向窗,其作用是隔断爆破区与保留支撑区,保证支撑区不因爆破而使其对称性发生变化;定向窗高度与切口高度相同,定向窗初定后进行了静态支撑安全校核,以防切口尺寸过大导致水塔未爆失稳。根据类似工程经验,三角形定向窗宽度取1 m、卸荷槽区0.8 m。定向窗与卸荷槽采用人工开凿方法预先开设和修整,窗、槽内的钢筋全部割除。因定向窗外侧是建筑物倾倒过程中的支撑点,在爆破缺口形成后受到的压力很大,所以定向窗切割面力求平整且无损伤,以保证两定向窗的抗压强度相近,两侧受力均衡,以利于建筑物倾倒定向准确。

3 余留截面抗压强度与重心偏移距离计算

水塔拆除爆破定向倒塌过程中,当爆破缺口形成以后,在缺口对面保留部分的圆环筒体称为预留支撑体,预留支撑体横截面称为余留截面。如果上部筒体的重力对预留支撑体横截面的压应力超过了余留截面材料的极限抗压强度,预留支撑体就会瞬时被压坏而使水塔上部结构下坐,会导致水塔爆而不倒或倾倒方向失去控制。如果预留支撑体有一定的承载能力,则上部筒体在重力和支座反力形成的倾覆力矩的作用下向预定方向倒塌。因此,余留截面抗压强度计算在爆破设计中至关重要,是研究水塔倾倒必须分析的关键因素。

3.1 余留截面抗压强度计算

3.1.1 水塔缺口以上部分体积与质量计算

水塔缺口以上部分的体积与质量,根据工程原始资料和现场试验取值,各部分按照圆环形筒体进行计算考虑。

(1)水塔缺口以上体积按式(3)计算(包含伞形部分)。

V=πH(R2-r2)

(3)

式中:H为水塔各部分高度(m);R、r分别为水塔底部外半径、内半径(m)。

计算可得水塔开口以上部分(包含伞形部分)总体积约为49 m3。

(2)水塔缺口以上部分(包含伞形部分)质量。

m=ρV=1.03×105kg

式中:ρ为密度,根据原始资料和现场试验,ρ取2.1×103kg/m3。

3.1.2 缺口形成后余留截面抗压强度计算

余留截面面积为:

结合工程原始资料和现场取样,余留截面材料的极限抗压强度约为2.94 MPa,上部重力在余留截面产生的压应力为:

式中:A为缺口形成后底部余留截面面积(m2);σ为缺口形成后底部余留截面上的应力(MPa)。

计算结果表明缺口形成后,余留截面抗压强度足以支撑水塔上部自重,能够可靠地为上部结构提供支座反力,为倾覆力矩的形成创造条件。

3.2 重心偏移距离计算

根据高耸构筑物拆除爆破定向倒塌机理,爆破缺口形成后上部结构倾倒应满足一些条件:

(1)倾倒初期预留支撑体截面应有一定的抗压强度,受其不致立即受压破坏而使上部结构提前下坐。

(2)缺口形成瞬间,重力引起的倾覆力矩必须足够大,能克服截面本身的塑性抵抗力,使上部结构定向倾倒。

(3)缺口闭合后,重力对新支点必须有足够大的倾覆力矩,确保克服剩余的塑性抵抗力。

对于钢筋混凝土筒体结构水塔,缺口形成后必须有足够的倾覆力矩使水塔缺口闭合时,其上部重心不但要偏出新支点,而且重心相对新支点偏移的力矩必须大于破坏截面内的拉力钢筋所产生的力矩。结合相关文献资料分析,工程实践中应当考虑缺口上下边缘闭合时,上部结构重心偏移距离大于缺口底部的外半径,确保水塔能够定向倾倒。基于上以基本原则和方法思路,展开水塔爆破缺口闭合时重心偏移距离计算分析。

(1)爆破缺口形成的圆弧在塔体横截面圆周上对应的弦到倾倒方向上外壁的最大距离,即弦心距与外半径之和为:

L1=R+Rcos[(360°-200°)/2]=1.3 m

(2)爆破缺口闭合角。

闭合角正切值为:

tanα=h/L1

闭合角为:

α=arctan(h/L1)=43.9°

(3)缺口闭合时水塔重心偏移距离。

L=Hsinα-R=15.2-1.1=14.1 m

式中:R为水塔外半径(m);h为爆破开口高度;H为水塔重心至开口的高度(m)。

由计算结果可知,L>R,水塔倾倒闭合时,其重心偏离距离超过水塔底部半径14.1 m。

4 结束语

(1)水塔拆除爆破定向倾倒余留截面材料极限抗压强度和爆破开口以上部分重心高度,应以原始工程资料或力学试验为基础取值,确保计算分析结果准确可靠。

(2)余留截面抗压强度计算可验证上部筒体的重力对预留支撑体的压应力是否超过了余留截面材料的极限抗压强度,避免预留支撑体被压坏而使水塔上部结构下坐。余留截面抗压强度足够,则上部筒体在重力和支座反力形成的倾覆力矩的作用下向预定方向倒塌。

(3)在对爆破缺口的几何特性进行分析基础上进行水塔定向倾倒重心偏移距离计算,考虑爆破缺口上下边缘闭合时上部结构重心偏移距离必须大于缺口底部的外半径,确保水塔能够定向倾倒。