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爆破器材990 10 7 爆破器材 EXPLO SI VE M A T ERI A LS 1999年 第1期 NO . 1 1999 爆破拆除楼房建筑的力学分析 周同龄 翁家杰 杨秀甫 ［摘要］文章用力学分析的方法对城市建筑拆除爆破中构件受力及倒蹋过程进行了分 析，并以实际工程为例，说明如何安全、快速、准确地拆除城市建筑物。 ［关键词］拆除爆破 冲击载荷 炸高 M e c h a n i c A n a l y s i s o n t h e D e m o l i t i o n Bl a s t i n g i n o f b u i l d i n g Zh o u T o n g l i n g ，W e n g Ji a j i e ，Ya n g Xi u p u Ch i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g T e c h n o l o g y （Ji a n g s u ，2 2 10 0 8 ） ［A BST RA CT ］In t h e p o i n t o f m e c h a n i c s ，t h e s t a t e b u i l d i n g c o m p o n e n t s a n d t h e i r c o l l a p s e p r o c e s s w e r e a n a l y z e d o n t h e d e m o l i t i o n b l a s t i n g i n c i t y ．A n e x a m p l e w a s a l s o g i v e n i n t h i s p a p e r t o d e m o n s t r a t e h o w t o d e m o l i s h b u i l d i n g s s a f e l y ，q u i c k l y a n d a c c u r a t e l y ． ［K EY W O RD S］d e m o l i t i o n b l a s t i n g ，s h o c k l o a d ，h e i g h t o f b l a s t i n g 1 概述 城市拆除爆破中，起爆后建筑物构件的受力及其解体的预测是困难而重要的问题， 目前尚无成熟的算法。设计中，为了使建筑物可靠地倒塌解体，通常是将与节点相关联 的构件逐个钻爆，这不仅钻眼工作量大，一次装药多，起爆网络复杂，而且对高层建筑 而言，定眼位和打眼工作实施很困难。 本文以实际工程为例，说明如何用力学分析的方法安全、快速、准确地拆除建筑 物。 2 拆除爆破中常见构件的力学分析 2 ．1 承重立柱 要保证框架结构的建筑物定向倾倒 图1 ，第一排立柱应首先失去承载能力，并有 一定的炸高，以便使建筑物在第一排立柱失去承载能力之后产生足够的倾覆力矩。 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 1/ 990 10 7 . h t m （第 1／10 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 41 爆破器材990 10 7 图1 建筑物定向倾倒示意图 立柱的失稳可分两个过程首先立柱在适量炸药爆炸后，箍筋和砼被炸脱并产生外 鼓，在轴向外力作用下失稳。 2 ．1．1 箍筋载荷的确定 起爆后的箍筋受力模型可看成是两端固定杆的横向弯曲 图2 。载荷可以认为是爆 炸应力波所致，对不偶合装药，任一点径向应力波强［1］ （1） 式中 ρ装药密度； D 炸药爆速； r 比距离，； R距爆心距； r 1装药半径； r 2炮孔半径； n 爆炸波冲击眼壁时压力增大倍数，n ＝8 ～11； α衰减指数， γ泊松比。 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 1/ 990 10 7 . h t m （第 2 ／10 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 41 爆破器材990 10 7 图2 箍筋受力示意图 一般箍筋间距h ＝15c m ～2 0 c m ，立柱最小抵抗线W ＝15c m ～2 0 c m ，两者基本相 等。为简化计算，设柱中两相邻药孔均以平面波形式作用于箍筋，h ＝W ，箍筋直径为 d ，两波产生正交叠加，即 （2 ） 则单位长度上力的集度q ＝d σ。 若认为均载q 作用于箍筋轴向对称面上，则计算模型可视为平面问题，其横截面最 大正应力为 （3） 其破坏判据 σm＝［σ］＞1 （4） 式中［σ］钢筋极限强度； A 抗弯模量。 由于箍筋自由搭接，实际破坏比上述分析更易达到。 2 ．1．2 立筋的失稳 文献指出，由于箍筋和砼的炸脱，立筋可视作一端固定，一端自由的压杆，可由欧 拉公式判断其失稳状态；也有人认为爆炸瞬时，把立筋看成两端固定的压杆，但欧拉公 式中波形数不是1，而是1的整数倍，后者求得的临界压力是前者的16 倍，炸高是前者的 4倍。笔者认为，两者的简化计算均不太合理，尤其后者的炸高与实际相差太远。 实际上，两箍筋间的一段立筋，由于应力波的作用，产生了横向位移 或挠度 ，见 图3，其极值 （5） f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 1/ 990 10 7 . h t m （第 3／10 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 41 爆破器材990 10 7 图3 立筋横向挠度示意图 q 值可参照箍筋载荷的算法，但σ＝σ（r ），其纵向载荷 P＝K Pj （6 ） 式中 Pj静载； K 动力放大系数。 （7 ） 式中 ΔH 落差； y 静载挠度； S柱体截面积； P冲击载荷； h 箍筋间距； α自重修正系数，通常α1。 若令ΔH ＝0 ，则K ≈2 ，即瞬时间柱体承受的冲击载荷P是静载Pj的2 倍。 由上述分析知，把立筋瞬时受力状态看作是具有较大初始挠度的稳定性极差的受压 曲杆较为合理；从立筋的失稳角度看，即使按一端固定，一端自由的欧拉公式，算得的 炸高H 也已相当可靠。 2 ．2 矩形悬臂梁的破坏 2 ．2 ．1 矩形梁受弯 当第一层第一排立柱起爆后，第一跨的纵梁相对于第二跨为悬臂梁 其余类推 ，载 荷可视为二层楼墙体、梁自重及现浇楼板、相联的下层立柱的重量等，同时，由于先爆 中心的立柱 如图5中的2 ，3，6 ，7 ⋯⋯），边梁还受扭矩作用。 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 1/ 990 10 7 . h t m （第 4／10 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 41 爆破器材990 10 7 设矩形梁截面a b ，（a ＞b ）。由弹性力学，静载时悬臂梁最大正应力σ0 ［2 ］ （8 ） 式中 a 梁高； L梁长； q 均载； W 自、W下柱梁、柱自重。 又由式 7 知，ΔH ＝0 时，K ＝2 （9） 破坏判据 σ／［σ］＞1 （10 ） 式中［σ］中性轴上或下侧受拉 压 极限值。 2 ．2 ．2 矩形梁受扭 对受扭的梁，其最大剪应力发生在长边中点 τ1＝M n ／βa b 2 （11） 式中 M n 扭矩； β与a ／b 有关，可查表。 其破坏判据τ1／［σ］＞1 2 ．2 ．3 弯扭组合时矩形梁的破坏判据 对弯扭组合矩形梁 悬臂梁 ，按第一强度理论 （12 ） 其破坏判据σ合／［σ］＞1 3 建筑物的倾倒过程 为了减轻钻眼装药工作量，充分利用自重在建筑物倒塌触地时解体，炸高的选择除 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 1/ 990 10 7 . h t m （第 5／10 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 41 爆破器材990 10 7 考虑立筋失稳外，还要考虑触地冲量的大小。 建筑物的倾倒动力学过程，可视作一个绕转动中心O 转动的物理摆 图4 ，其重心距 为L，O G ’与垂线夹角为初始角φ，经时间t 转到O G ，O G 与垂线夹角θ，角速度ω， 转动惯量为I。由动能定理 Iω2＝m g L（c o sφ－c o sθ） （13） 角速度 （14） 图4 倾倒过程示意图 又ω＝d θ／d t 代入式 14 ，并积分有 （15） 式（15）可用数值积分求解。 可见炸高H 一定时，便可知θ、ω，根据动量守恒定律可求出冲量。 实际炸高的确定，一般由下式确定［3］ H＝k（B＋H m i n ） （16 ） 式中 B立柱截面边长； H m i n 理论计算最小高度； k 经验系数1～2 。 最后排立柱的松动铰高度h ’确定如下 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 1/ 990 10 7 . h t m （第 6 ／10 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 41 爆破器材990 10 7 h ’＝（1．0 ～1．5）B （17 ） 4 应用举例 4．1 工程概况 盐城矿务局水泥厂因技改需要，对原三层楼厂房进行爆破拆除。周围环境及结构如 图5和图6 。 图5 平面示意图 A －旧设备贮放场；B－上料机房；C－主机房；D －主供水管；E－食堂 图6 立面示意图 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 1/ 990 10 7 . h t m （第 7 ／10 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 41 爆破器材990 10 7 整个建筑为钢筋砼结构，一层为框架，距地面2 ．5m 处有纵向、横向、斜向联系梁 断面15c m 15c m ）43根，二、三层有墙，柱子断面30 c m 30 c m ，二、三层底板为现浇 板，楼顶为现浇板。有一砖砌直径7 5c m 的旋转楼梯柱 图5中2 3 ，二、三层楼面有机座 （1．5m 1．5m 1．5m ）3个。 4．2 设计要点 1 方案选择。根据四周环境，决定采用定向与内凹结合的方案，即整体西倾以保 证主机房安全，同时柱2 ，3，6 ，7 ⋯⋯等中间柱均先于边柱起爆。 2 炮眼布置及炸高。炮眼布置与炸高取决于构件受力状况。以第一跨为例进行分 析。 箍筋受力已知箍筋边长l ≈0 ．3m ，γ＝0 ．2 5，D ＝36 0 0 m s －1，R＝W ＝0 ． 15m ，ρ＝1g c m －3，n ＝10 ， 直径＝8 m m ，n ＝17 ．5m m ，r 2＝2 0 ．5m m ，立筋直 径＝16 m m 。由式 1 、式 2 和式 3 得到σm＝1．310 5M Pa ，CT 3筋拉断强度为 40 0 M Pa ，考虑动态加载，强度极限提高2 5％，则［σ］＝50 0 M Pa ，由式 4 知箍筋破 坏。 立筋的起载P由于立筋刚度与立柱刚度相比很小，起爆瞬间，一层立柱受力可看 成一端固定、一端铰支的超静定结构 研究立筋本身时，应视作两端固定，如图7 。均 布载荷为二层墙、梁、机座、现浇板等重量，作用于四个梁和四根立柱 柱配筋8 16 。 总载Q ＝57 ．5t ，由结构力学知RB＝ Q i L（i ＝1时表示边梁、柱，i ＝2 时为中间梁柱 。 图7 立筋纵载计算原理 边梁Q 1＝ Q 即6 ．410 3（k g ） 边柱RB 1＝ 2 2 - 3. g i f 8 58 b y t e s Q 1L为7 ．8 10 3（k g ） 中梁Q 2＝ 2 1- 5. g i f 8 6 4 b y t e s Q 即19．2 10 3（k g ） f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 1/ 990 10 7 . h t m （第 8 ／10 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 41 爆破器材990 10 7 中柱RB 2 ＝ 2 2 - 3. g i f 8 58 b y t e s Q 2L为2 3．8 10 3（k g ） 冲击动载边柱单立筋P1＝K .. RB 1即为2 10 3（k g ） 中柱单立筋P2＝K . 2 2 - 5. g i f 8 6 4 b y t e s . RB 2 即为6 10 3（k g ） 由欧拉公式解得边柱失稳最低高度0 ．6 8 m ，中柱失稳最低高度0 ．2 3m 以 上。 立筋横载从上述已知，由式 1 求得σ（r ）≈191．36 M Pa 由q ＝σ（r ）d 得q ＝490 0 Nm m －1，由 6 得Δ＝31m m ，由于Δ的存在，使设计更 趋可靠。 受弯的梁 中梁 已知梁a b ＝0 ．3m 0 ．2 m ，略去式 9 中后两项有σ≈1． 410 6M Pa ，CT 3拉断强度 动态 50 0 M Pa ，砼抗拉强度约0 ．1M Pa ，故σ［σ］，梁会 破坏。 受弯扭的梁 边梁 设砖ρ＝2 ．4g c m －3，由式 11 ，有τ1≈2 ．3105M Pa ，由 式 12 ，σ合＝3．110 5M Pa 50 0 ．1M Pa 。 由σ合／［σ］＞1知边梁会破坏。 炸高上述力学分析表明，梁柱会在立柱起爆后失稳、破坏，但为增大触地冲量， 使之解体充分依据式 16 、式 17 ，一、二层第一排立柱炸高分别取H 1＝2 ．2 m ，T1＝ 1．2 m ，以及各排依次降低，最后排松动区高0 ．4m 。 最小抵抗线W ＝0 ．15m ，间距x ＝0 ．2 m ，眼斜长m ＝0 ．19m ，单孔装药i 取30 g ［4］，一层、一排柱布孔12 个，二层一排布孔6 个，最后排布2 个，砖楼梯柱布3个，共 布孔2 55个。 三层由于隔墙多，自重大，根据分析，不再布孔。 3 联系梁的处理。由于断面小，采取大锤在其中部事先松动 松动范围15c m 左右 的办法，钢筋不切断。 4 起爆时差的选择。选择原则是中间柱先于边柱，为减小前冲，一排与二排跳段 使用，起爆如表1。 表1 起爆顺序 一、二层柱号3，2 1，46 ，7 5，8 10 ，11 9，12 13，14 2 3，16 ，17 15，18 ，19 2 0 ，2 1，2 2 雷管段别瞬发234567 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 1/ 990 10 7 . h t m （第 9／10 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 41 爆破器材990 10 7 （5）爆破效果。前冲约5m ，爆堆高约2 m ，除第一排 第一层 顶横梁没有解体 外，其余各梁柱全部破成若干段；作简单防护的表土下10 c m 的主水管和主机房等被保 护物安好无损。全部拆除工作用了2 ．5d 。 5 结束语 1 拆除爆破中最担心的是倾而不倒，相互支撑，一般设计在梁柱端和中点均要布 孔。事实上柱子触地瞬间弯矩很大 图4 ，根据动力学计算，确认能破坏时，就不一定 布孔或可以少布些孔。 2 梁是水平的，当前后跨延期不太长时，即前跨梁拆断后前端垂直位移 Δ）还不 太大时，后跨就开始塌倒了 图8 ，由于θ角不大，一般不太可能支柱。但若θ较大， 则当别论了。 图8 梁塌落示意图 3 中间柱比边柱先爆，会使梁柱处于复杂受力状态，有利于梁柱的解体。 感谢王文龙教授对本文的指导。 作者单位中国矿业大学 江苏，2 2 10 0 8 参考文献 [1] 王文龙．钻眼爆破．北京煤炭工业出版社，198 6 [2 ] 万德连．弹性力学．徐州中国矿业出版社，1990 [3] 陈付生．当代爆炸应用技术．北京冶金工业出版社，1993 [4] 亨利奇．爆炸动力学及其应用．熊建国译．北京科学出版社，198 7 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 1/ 990 10 7 . h t m （第 10 ／10 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 41