钢筋混凝土立柱爆破破坏过程及个别飞散物试验研究.pdf

第37卷第1期 2020年3月 Vo l . 37 No . 1 Ma r. 2020 bMg do i 10. 3963/j. issn . 1001 - 487 X. 2020.01 ・ 002 钢筋混凝土立柱爆破破坏过程 及个别飞散物试验研究* 黄小詁笃谢先計，贾永犷，帅康2第、金山2,韩 厂 1.武汉科技大学理学院，武汉430065； 2.爆破工程湖北省重点实验室，武汉430056； 3.武汉爆破有限公司，武汉430056 摘要爆破拆除实践中存在保守设计、过度防护的现象，其根源是不能确定炸药能量“供”与“求”的平衡 点。为研究多药包共同作用下钢筋混凝土立柱爆破破坏及个别飞散物运动过程，在野外爆破试验场开展了 多组立柱爆破试验。高速摄影观测及破碎碎块分析结果表明高段位孔内雷管的名义延期时间的误差影响 立柱的爆破破坏过程;爆破个别飞散物在100 ms的观测时间内的运动速度与时间呈线性关系，抛掷速度为 10 20 m/s,抛掷方向以水平方向为主。在工程实践中，建议将爆破对象外围构件作为防护重点，以柔性防 护为主、刚性防护为辅,提高项目经济效益与施工效率。 关键词 钢筋混凝土立柱；爆破拆除；个别飞散物；高速摄影 中图分类号TU7 46.5 文献标识码A 文章编号1001 -487 X202001 -0013 - 06 Experimental Study on Failure Process and Flyrock of Reinforced Concrete Columns induced by Blasting HUANG Xiao -wu23 ,XIE Xian-qi23 JIA Yo ng-sh eng2,YAO Ying-k ang23 ,SUN Jin-sh an ,HAN Yu23 1. Co l l ege o f S c ien c e, Wuha n Un iversit y o f S c ien c e a n d Tec hn o l o gy, Wuha n 430065 , Chin a ； 2. Hubei Key La bo ra t o ry o f Bl a st in g En gin eerin g, Wuha n 430056,Chin a； 3. Wuha n Exp l o sio n s bl a st in g demo l it io n ； fl y ro c k ； high-sp eed p ho t o gra p hic 收稿日期2019-10-29 作者简介黄小武1989 -，男，工程师、博士研究生，主要从事工程 爆破研究与实践工作，E-ma il 840022742 q q . c o mo 通讯作者谢先启I960-,男，教授级高级工程师、中国工程院院 士,主要从事工程爆破理论与技术研究,E-ma il xxq bl a st 163. c o mo 基金项目中国工程院战略咨询项目 钻孔爆破技术的历史悠久，它作为爆破工程中 非常重要的一门施工技术，广泛应用于道路、交通、 矿业、水利水电等各行各业,有力地推动着国民经济 的发展。然而，由于对炸药能量的释放过程,以及岩 14爆破2020年3月 石、混凝土等对象在超动态应变率荷载作用下的破 碎机理认识不足,爆破技术尚不能完全实现爆破对 象“破而不离、碎而不飞”的目标。爆破工程领域内 依然普遍存在着诸如振动、粉尘和个别飞散物等爆 破有害效应,给公共安全带来了极大的安全隐患,影 响着居民的正常生活，阻碍着爆破技术的进一步 发展。 在多项爆破有害效应之中，个别飞散物是导致 爆破事故的主要因素，倍受爆破从业者关注。尤其 是在环境复杂的城市拆除爆破工程中，个别飞散物 一直是安全防护的重中之重。一般认为，高速、高压 的爆轰波使孔壁附近的混凝土与钢筋瞬间粉碎、破 裂,随后在钢筋混凝土构件表面反射为拉伸波,导致 混凝土剥离、抛掷。在工程实践中，一方面,我们需 要施加充分的炸药能量使建构筑物承重构件中 钢筋笼内的混凝土完全抛出，使整体结构失去支撑, 继而在重力作用下失稳垮塌；另一方面,我们又在爆 破构件上包裹大量的竹跳板、木模板、安全网等防护 材料，以期对爆破个别飞散物进行严格控制,确保临 近设施不被破坏。两者看似矛盾，其问题根源就是 不能确定炸药能量“供”与“求”的平衡点。在建筑 物爆破拆除施工实践中，普遍存在着保守设计、 过度防护的现象。因此，深入研究钢筋混凝土立柱 爆破破坏及个别飞散物的抛掷过程,对拆除爆破技 术设计与安全施工管理有重要的指导意义。 多年来，国内外学者基于理论分析、数值模拟、 模型试验和现场实践，围绕爆破个别飞散物的产生 原因及控制措施开展了广泛的研究。李振⑷、林大 能和S a sa S t o ja din o vic等根据弹道理论、高速摄影、 计时器测定等方法尬句，获取了爆破个别飞散物初 始加速度、速度、空气阻力系数等关键数据，建立了 最大飞行距离的计算公式。徐千军等采用An sy s Aut o dy n -3D有限元程序分析了钢筋混凝土桥墩爆 破个别飞散物情况巴得到了适合的爆破单耗参数 与有效的控制飞散物防护措施。张九龙⑻、高 旭⑼、李本伟和Vl a disl a v Kec o jec iv等总结了爆破个 别飞散物事故的案例对影响爆破飞散物的因 素进行了分类，从爆破设计、安全管理等角度提出了 避免爆破飞散物事故的对策。总的来说，钻孔爆破 条件下钢筋混凝土材料破坏过程的认识尚不深 A[12]，关于拆除爆破工程中个别飞散物的现场试验 也不多见,有必要进一步深入研究O 1钢筋混凝土立柱爆破试验 技术团队在野外爆破试验场浇筑了 10根高 4 m,截面尺寸不同的钢筋混凝土立柱，立柱基础为 2mx2mxl m的承台，立柱可视为底部固定、顶端 自由。其中,有一组900 mm X 900 mm的钢筋混凝 土立柱开展爆破破坏和个别飞散物抛掷过程研究的 爆破试验，其混凝土标号为C30,主筋为24Q 22,箍 筋为少12100。通过高速摄影观测，分析立柱的 爆破破坏过程，以及个别飞散物的飞散角度、初始速 度等物理参量。为方便分析,在立柱的观测面上绘 制出均匀的网格参考线，横向间距15 c m,纵向间距 20 c m。见图 1。 钢他显凝土立柱 心分■■ fi Kiv 乂久 a Rein fo rc ed c o n c ret e c o l umn s b Bl a s t in g effec t o f c o l umn s 图1钢筋混凝土立柱爆破试验 Fig. 1 Bl a st in g exp erimen t o Rein fo rc ed c o n c ret e c o l umn s 观测设备采用美国IDT公司生产的Y7 -S 2型超 高速摄像机，画幅分辨率为1920 x 1080,最高采样 率为9000 fp so考虑现场实际光线情况，设置采样 率为5000 fp s,即每帧采集间隔时间为0.2 ms。在 “无安全防护”的条件下,近距离观察立柱爆破破坏 过程与个别飞散物的抛掷过程。为保障设备的安 全，在高速摄像机周围用沙袋围成一个简易的“碉 堡”；并在镜头前方放置一块1 c m厚的透明有机玻 璃板，以保证观测视线通透。 在立柱上布置了 9排“3 2”梅花形炮孔，孔径 0 40 ；炸药选用2岩石乳化炸药，药卷直径少32 ；起 爆雷管为MS 19毫秒导爆管雷管名义延期时间为 17 00 ms。综合采用连续装药和间隔装药结构，详 见图2。选择在立柱底部6排炮孔装填炸药，合计 27个药包，总装药量为3. 3 k g,综合炸药单耗为 2. 26 k g/m3 2钢筋混凝土立柱爆破破坏过程 爆破后,采集得到钢筋混凝土立柱爆破破坏过 程瞬间图像，如图3所示。 从组图中可以明显看出，在高速镜头下,立柱在 多药包共同作用下的爆破破坏过程，并非传统认为 的同时齐爆。孔内雷管的名义延期时间的误差 150 ms,直接影响着孔内药包的起爆顺序，间 接影响了立柱的爆破破坏过程。立柱不同破坏位置 的起始时刻有明显的先后顺序，破坏过程是从左侧 第37卷第1期黄小武，谢先启,贾永胜，等 钢筋混凝土立柱爆破破坏过程及个别飞散物试验研究15 底部一右侧，对应的摄像帧数为1621016452 16482,间隔时间依次为 0 ms48. 4 ms54. 4 mso 通过观察空气震荡与立柱表面鼓包现象，能看到炮 孔间先后起爆的最长间隔时间约为132.6 mso 1-立柱,2-炮孔,3-炸药,4-炮泥 1 - c o l umn ,2 - bl a st ho l e ,3 - exp l o sive ,4 - st emmin g 图2立柱装药结构图单位mm Fig. 2 Cha rge st ruc t ure o f c o l umn un it mm 由于导爆管雷管的实际延期时间在名义时间上 下波动具有随机性，因此，孔内雷管的延期时间误差 就像是一把“双刃剑”。一方面，根据毫秒微差爆破 理论,若两侧临边位置的药包都先起爆，可以为中间 药包创造新的自由面，有利于改善立柱爆破效果。 另一方面，若多个药包朝向一侧依次起爆，会造成立 柱“偏炸”现象;若单孔内俩药包延期时间较长，会 造成后爆药包被“压灭”的现象;这两点在试验过程 中也都得到验证。 根据立柱不同区域的爆破破碎效果,参考无限 边界内岩石爆破破碎分区理论，可以将有限边界内 钢筋混凝土立柱爆破破坏区域分为空腔区、破碎区、 裂隙区和损伤区。其中,空腔区内的箍筋彻底破坏, 主筋明显弯曲（挠度30 -50 mm）,混凝土全部抛 出;破碎区内的箍筋基本完好，主筋变形不明显，混 凝土全部破碎但基本锁在钢筋笼内；裂隙区内的混 凝土保护层基本剥离,钢筋裸露但基本不变形,笼内 混凝土存在较多裂隙;损伤区内的钢筋混凝土表面 无明显裂纹。值得注意的是，虽然破碎区的混凝土 结构被完全破碎,但是在原地坍塌爆破拆除方案中, 破碎区内的混凝土块被压实后仍具有一定强度,从而 增加爆堆的高度。各区域的范围大小与炸药单耗、最 小抵抗线、混凝土强度、配筋率等因素有关，需要进一 步开展相关试验进行定量分析。见图4、图5。 msA/-24 ms Ae64 msA/7 2 ms 图3爆破飞散物运动过程 Fig. 3 Mo vemen t p ro c ess o f fl y ro c k 此外，由于高段位雷管存在延时误差,导致先爆 最先起爆的雷管位于立柱左侧偏上的位置，立柱的 药包为后爆药包创造新的自由面，这直接影响了空 破碎区范围大于空腔区。结合其他立柱爆破效果, 腔区的位置分布。此次高速摄影捕捉的影像显示，可以发现,若最先起爆的雷管位于立柱的底部，更利 16爆破2020年3月 于上部混凝土碎块垮落,形成的空腔区更大。通过 筛分可将碎块分为粉粒（d 100 mm）三类，经不同粒径 碎块的称重，粉粒、碎块和大块占总重量的比例分别 为15、58、27 （图6）,中小粒径比例超70 , 这表明大量的爆炸能量作用于混凝土的粉碎。 抛掷运动过程（图刀。 a d 100 mm 图6立柱爆破后混凝土碎块 Fig. 6 Co n c ret e p iec es o c o l umn a ft er bl a st in g 图4立柱爆破效果图 Fig. 4 Bl a st in g effec t o f c o l umn 图5立柱破碎区域图 Fig. 5 Bro k en regio n o f c o l umn 3个别飞散物抛掷运动过程 确定长度比例尺之后，以立柱左侧“飞散物”为 研究对象，捕捉一些代表性飞散物的像素A点和B 点。其中,A点位于抛掷的最前沿，轨迹便于追踪, 也最具代表性。通过建立平面坐标系，研究它们的 图7代表性个别飞散物及平面坐标系 Fig. 7 Rep resen t a t ive fl y ro c k a n d p l a n e c o o rdin a t e sy st em 分析单张高速摄影图像，整理A点的运动轨迹 数据，得到飞散物在不同时刻的轨迹坐标，如表1所 示。同样的方法，可以得到B点的运动轨迹数据。 绘制两点的位移-时间曲线（图8），并进行线性 拟合（图9）,可以得到“飞散物”的抛掷速度，即 二 17 . 6 m/sAvAy - 2. 5 m/s, vBx 13. 4 m/s、 1.8 m/so 图8飞散物位移-时间曲线 Fig. 8 Disp l a c emen t -t ime c urve o f fl y ro c k s 第37卷第1期黄小武，谢先启,贾永胜，等 钢筋混凝土立柱爆破破坏过程及个别飞散物试验研究17 表1 A点位移时间数据表 Table 1 Displacement-time data of point A 帧数 时间 t/ms 兀方向位移 S /mm y方向位移 Sy/mm 帧数 时间 i/ms 兀方向位移 S /mm y方向位移 S /mm 16680781656136316480389641469 16670761628137016470369311465 16660741596136916460348761477 16650721572137416450328441486 16640701519138516440308161498 16630681485139116430287901501 16620661448139616420267621510 16610641416140116410247151510 16600621382140816400226841518 16590601343142316390206481519 16580581315142316380186151519 16570561277143016370165781525 16560541243142916360145451529 16550521217143516350125021529 16540501178143616340104721529 1653048113514501633084351536 1652046110514571632063981536 1651044107214571631043621551 1650042103814601630023261552 164904099814641629002911558 图9线性拟合结果 Fig. 9 Lin ea r regressio n resul t s 4个线性拟合函数的拟合度均在98. 9以上, 由此判定，从开始向外抛掷至100 ms的观测时间 内，爆破个别飞散物的运动速度与运动时间呈线性 关系，即爆破个别飞散物匀速向外抛掷。考虑到观 测的时间极短，可将上述速度值可视为爆破个别飞 散物向外抛掷的初始速度％,数据量级与文献[5] 基本一致,抛掷方向以水平方向为主。 根据上述分析结果,炸药单耗为2. 0 k g/s左右 时，爆破个别飞散物的初始速度在10 20 m/s范围 内。直观感受其速度不算太快，但是整个个别飞散 物抛掷过程在0. 1 s内瞬间完成，释放的总动量高 达2.0 x 104 k g m/s,对单侧刚性物体造成的冲击 力高达100 k N。因此,爆破飞散物的安全防护措施 应该以柔性为主，刚性为辅。在其他组立柱爆破试 验中,采用“竹跳板旧棉被防护毯沙袋”的安 全防护措施，即使将炸药单耗提高近3.0 k g/n ,爆 破个别飞散物也都被严格控制在2 m范围之内。因 此,在确保安全的前提下,为实现项目经济效益最大 化、提高施工效率，建议在建筑物爆破拆除中个别飞 散物安全防护方面，除了主动优化爆破设计、降低炸 药单耗;更重要的是将外围的爆破构件作为防护重 点，内部的爆破构件可以采取弱防护。 4结论与建议 在野外试验场开展了多组钢筋混凝土立柱爆破 试验，通过高速摄影观测了立柱在多药包共同作用 下的爆破过程，根据影像资料和碎块筛分结果详细 分析了立柱的爆破破坏过程及个别飞散物抛掷规 律，得到如下结论和建议 1 高段位孔内雷管的名义延期时间的误差, 直接影响着孔内药包的起爆顺序，间接影响了立柱 的爆破破坏过程;立柱不同破坏位置的起始时刻有 明显的先后顺序，需要加以利用和控制。 2 爆破个别飞散物在100 ms的观测时间内， 其运动速度与时间呈线性关系，抛掷方向以水平方 18爆破2020年3月 向为主;炸药单耗为2. 0 k g/s左右时，爆破个别飞 散物的初始速度在10-20 m/s范围内。 3为实现项目经济效益最大化、提高施工效 率，建议在建筑物爆破拆除个别飞散物安全防护方 面,除了主动优化爆破设计、降低炸药单耗;更重要 的是将建筑物外围的爆破构件作为防护重点，内部 的爆破构件可以采取弱防护。 参考文献参考文献References [1] 刘昌邦，贾永胜,黄小武，等.异形结构楼房纵向逐跨 空中解体爆破拆除[J].爆破,2019,36384-89. 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