水塔定向爆破余留截面抗壓強度與重心偏移距離計算分析

郝 健,吳克剛,宋思銳

(1.31309部隊,四川成都 610011; 2.國防科技大學政事基礎教育學院,湖南長沙 410072 )

0 引言

高聳構筑物爆破拆除是以炸藥爆炸破壞局部結構,造成構筑物整體失穩,發生傾倒或塌落;主要有定向傾倒、折疊式倒塌和原地坍塌3種方法。定向傾倒法設計施工相對簡單,應用較為廣泛,在場地條件允許時一般予以優先考慮。采用定向傾倒法爆破拆除時,余留截面抗壓強度和重心偏移距離是不容忽視的重要指標,是影響構筑物定向傾倒的重要因素,如果缺少計算分析或計算分析不準確,極有可能造成構筑物傾倒時發生后座或傾倒方向發生改變,不能按預定方式在預定范圍內定向倒塌,最終導致爆破失敗。針對某單位家屬區水塔定向傾倒法爆破拆除項目,本文對余留截面抗壓強度和重心偏移距離進行了計算分析,為爆破方案制定提供了可靠依據。

1 工程概況

某單位家屬區改造擬爆破拆除水塔,水塔地處拆遷施工區,周圍地形空曠,建筑設施及保護目標較少。水塔為圓柱形鋼筋混凝土筒體結構,高32 m,下筒體直徑φ2.2 m,上部傘形水塔直徑約φ12 m,水塔壁厚25 cm。筒體下部開口朝北,內有進出水管和爬梯。

2 爆破基本方案

針對待拆水塔及其周圍實際情況,采用定向傾倒法爆破拆除。根據水塔結構特點及周邊環境綜合考慮,確定水塔倒塌方向為正北偏東20°,爆破環境較為優越,符合定向倒塌的條件和要求。

2.1 爆破切口

(1) 爆破切口長度。根據水塔的結構和受力情況,采用梯形切口,切口長度按式(1)計算。

(1)

式中:LP為爆破切口長度(m);D為鋼筋混凝土結構水塔切口處外徑(m)。

根據本工程待拆除水塔尺寸及其鋼筋混凝土結構型式,在計算基礎上取水塔切口長度LP為4.2 m(開口圓心角約為200°)。

(2) 爆破切口高度。對于鋼筋混凝土筒體,爆破切口高度按式(2)計算。

Hp=k1δ

(2)

式中:Hp為切口高度;δ為切口處筒體的壁厚;k1為鋼筋混凝土結構筒體切口高度系數,k1取3.0～5.0。

考慮到鋼筋混凝土筒體結構壁厚只有25 cm且高度達32 m,因此計算中k1取大值:

HP=5.0×δ=5.0×0.25=1.25 m

(3)定向窗尺寸。為保證水塔的定向準確和順利倒塌,在爆破切口邊緣兩邊各設置了一個三角形定向窗,其作用是隔斷爆破區與保留支撐區,保證支撐區不因爆破而使其對稱性發生變化;定向窗高度與切口高度相同,定向窗初定后進行了靜態支撐安全校核,以防切口尺寸過大導致水塔未爆失穩。根據類似工程經驗,三角形定向窗寬度取1 m、卸荷槽區0.8 m。定向窗與卸荷槽采用人工開鑿方法預先開設和修整,窗、槽內的鋼筋全部割除。因定向窗外側是建筑物傾倒過程中的支撐點,在爆破缺口形成后受到的壓力很大,所以定向窗切割面力求平整且無損傷,以保證兩定向窗的抗壓強度相近,兩側受力均衡,以利于建筑物傾倒定向準確。

3 余留截面抗壓強度與重心偏移距離計算

水塔拆除爆破定向倒塌過程中,當爆破缺口形成以后,在缺口對面保留部分的圓環筒體稱為預留支撐體,預留支撐體橫截面稱為余留截面。如果上部筒體的重力對預留支撐體橫截面的壓應力超過了余留截面材料的極限抗壓強度,預留支撐體就會瞬時被壓壞而使水塔上部結構下坐,會導致水塔爆而不倒或傾倒方向失去控制。如果預留支撐體有一定的承載能力,則上部筒體在重力和支座反力形成的傾覆力矩的作用下向預定方向倒塌。因此,余留截面抗壓強度計算在爆破設計中至關重要,是研究水塔傾倒必須分析的關鍵因素。

3.1 余留截面抗壓強度計算

3.1.1 水塔缺口以上部分體積與質量計算

水塔缺口以上部分的體積與質量,根據工程原始資料和現場試驗取值,各部分按照圓環形筒體進行計算考慮。

(1)水塔缺口以上體積按式(3)計算(包含傘形部分)。

V=πH(R2-r2)

(3)

式中:H為水塔各部分高度(m);R、r分別為水塔底部外半徑、內半徑(m)。

計算可得水塔開口以上部分(包含傘形部分)總體積約為49 m3。

(2)水塔缺口以上部分(包含傘形部分)質量。

m=ρV=1.03×105kg

式中:ρ為密度,根據原始資料和現場試驗,ρ取2.1×103kg/m3。

3.1.2 缺口形成后余留截面抗壓強度計算

余留截面面積為:

結合工程原始資料和現場取樣,余留截面材料的極限抗壓強度約為2.94 MPa,上部重力在余留截面產生的壓應力為:

式中:A為缺口形成后底部余留截面面積(m2);σ為缺口形成后底部余留截面上的應力(MPa)。

計算結果表明缺口形成后,余留截面抗壓強度足以支撐水塔上部自重,能夠可靠地為上部結構提供支座反力,為傾覆力矩的形成創造條件。

3.2 重心偏移距離計算

根據高聳構筑物拆除爆破定向倒塌機理,爆破缺口形成后上部結構傾倒應滿足一些條件:

(1)傾倒初期預留支撐體截面應有一定的抗壓強度,受其不致立即受壓破壞而使上部結構提前下坐。

(2)缺口形成瞬間,重力引起的傾覆力矩必須足夠大,能克服截面本身的塑性抵抗力,使上部結構定向傾倒。

(3)缺口閉合后,重力對新支點必須有足夠大的傾覆力矩,確?？朔Ｓ嗟乃苄缘挚沽?。

對于鋼筋混凝土筒體結構水塔,缺口形成后必須有足夠的傾覆力矩使水塔缺口閉合時,其上部重心不但要偏出新支點,而且重心相對新支點偏移的力矩必須大于破壞截面內的拉力鋼筋所產生的力矩。結合相關文獻資料分析,工程實踐中應當考慮缺口上下邊緣閉合時,上部結構重心偏移距離大于缺口底部的外半徑,確保水塔能夠定向傾倒?；谏弦曰驹瓌t和方法思路,展開水塔爆破缺口閉合時重心偏移距離計算分析。

(1)爆破缺口形成的圓弧在塔體橫截面圓周上對應的弦到傾倒方向上外壁的最大距離,即弦心距與外半徑之和為:

L1=R+Rcos[(360°-200°)/2]=1.3 m

(2)爆破缺口閉合角。

閉合角正切值為:

tanα=h/L1

閉合角為:

α=arctan(h/L1)=43.9°

(3)缺口閉合時水塔重心偏移距離。

L=Hsinα-R=15.2-1.1=14.1 m

式中:R為水塔外半徑(m);h為爆破開口高度;H為水塔重心至開口的高度(m)。

由計算結果可知,L>R,水塔傾倒閉合時,其重心偏離距離超過水塔底部半徑14.1 m。

4 結束語

(1)水塔拆除爆破定向傾倒余留截面材料極限抗壓強度和爆破開口以上部分重心高度,應以原始工程資料或力學試驗為基礎取值,確保計算分析結果準確可靠。

(2)余留截面抗壓強度計算可驗證上部筒體的重力對預留支撐體的壓應力是否超過了余留截面材料的極限抗壓強度,避免預留支撐體被壓壞而使水塔上部結構下坐。余留截面抗壓強度足夠,則上部筒體在重力和支座反力形成的傾覆力矩的作用下向預定方向倒塌。

(3)在對爆破缺口的幾何特性進行分析基礎上進行水塔定向傾倒重心偏移距離計算,考慮爆破缺口上下邊緣閉合時上部結構重心偏移距離必須大于缺口底部的外半徑,確保水塔能夠定向傾倒。