爆破拆除钢筋混凝土烟囱切口关键参数的研究.pdf

第3 0 卷第4 期 爆破 V 0 1 ．3 0N o ．4 2 0 1 3 年1 2 月B L A S T I N GD e c ．2 0 1 3 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 3 ．0 4 ．0 0 7 爆破拆除钢筋混凝土烟囱切口关键参数的研究木 龚相超，钟冬望，韩芳7 ，陈浩 武汉科技大学冶金工业过程系统科学湖北省重点实验室，武汉4 3 0 0 81 摘要在烟囱爆破拆除中，切口的切口角和高度合理选择是成功拆除的量要因素。根据烟囱切口余留薄 弱截面的受力特点及破坏特征，全面考虑了各种因素的影响，应用求截面极限载荷的塑性分析方法，推导出 烟囱能顺利倒塌的弯矩条件。应用压杆稳定性理论分析出切口高度应满足的一个必要条件，并计算了切口 内裸露钢筋对切口角度的影响。在已有研究的基础上，综合提出了爆破切口破坏的判据，确定了切口角和高 度的计算公式。工程实例计算的结果清楚的表明了各个因素对两个参数的影响。 关键词钢筋混凝土烟囱；爆破拆除；爆破参数 中图分类号T U 7 4 6 ．5 文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 3 0 4 0 0 3 2 0 4 R e s e a r c ho fK e yP a r a m e t e r so fB l a s tC u ti nE x p l o s i v eD e m o l i t i o no f R e i n f o r c e dC o n c r e t eC h i m n e y G O N GX i a n g c h a o ，Z H O N G 伪n g w a n g ，H A N 几n g ，C H E NH a o H u b e iP r o v i n c eK e yL a b o r a t o r yo fS y s t e m sS c i e n c ei nM e t a l l u r g i c a lP r o c e s s ， W u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 81 ，C h i n a A b s t r a c t I nt h ee x p l o s i v ed e m o l i t i o no fc h i m n e y ，t h ei d e a lc u ta n g l ea n dh e i g h ta r ec r u c i a lt ot h eS U C C E S So ft h e d e m o l i t i o np r o c e s s ．C o n s i d e r i n gt h es t r e s sf e a t u r e sa n df a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er e m a i n e ds e c t i o na n dv a r i o u sf a c - t o t s ，t h eb e n d i n gm o m e n tc o n d i t i o nw a sd e d u c e db yu s i n gp l a s t i ca n a l y s i sm e t h o dt oa c q u i r et h eu l t i m a t el o a do f c r o s sS e C t i O n ．A f t e r w a r d s ，an e c e s s a r yc o n d i t i o no fc u th e i g h tW a si n f e r r e db yu s i n gp r e s s u r eb a rs t a b i l i t yt h e o r ya n d t h ei n f l u e n c eo fe x p o s e ds t e e lb a r so nc u ta n g l ew a sc a l c u l a t e d ．B a s e do nt h ee x i s t e dr e s e a r c h e s ，t h ec o m p r e h e n s i v e f a i l u r ec r i t e r i o no fb l a s t i n gc u tW a sp u tf o r w a r da n dt h ef o r m u l a sw e r ed e f i n e dt oc a l c u l a t e t h ec u ta n g l ea n dh e i g h t ． F i n a l l y ，t h ee n g i n e e r i n gc a s es h o w sv a r i o u sf a c t o re f f e c t so nt h e s et w op a r a m e t e r s ． K e yw o r d s r e i n f o r c e dc o n c r e t ec h i m n e y ；e x p l o s i v ed e m o l i t i o n ；e x p l o s i v ep a r a m e t e r s 随着城市建设和城市建筑改造的发展，待拆除 的特大高耸构筑物频繁出现且类型繁多，结构各异， 所处的地理环境日趋复杂，爆破拆除安全性的要求 也越来越严格，并且随着烟囱高度的增加，砖结构已 经逐渐被结构更加复杂钢筋混凝土结构所代替。所 牧稿日期2 0 1 3 0 7 一1 2 作者简介龚相超 1 9 7 4 一 ，男，湖北武汉人，机械电子工程硕士，武 汉科技大学理学院副教授，主要研究方向为液压传动控 制与结构稳定性计算， E - m a i l g x c 7 4 1 1 6 3 ．c o m 。 基金项目冶金工业过程系统科学湖北省重点实验室 武汉科技大 学 开放基金资助 项目编号Y 2 0 1 3 0 2 以在爆破拆除时对倒塌方向、倒塌范围、冲击振动和 飞石方向等提出了严格的要求。如果倒向偏差过 大，甚至反方向倒塌，将造成严重的后果。然而爆破 拆除是一个高速的力学过程，其中包括爆炸冲击荷 载的作用、介质的变形和破坏、刚体动力学、材料本 构关系、等诸多学科交叉的力学问题。因此研究探 讨特大高耸构筑物爆破拆除爆破切口的破坏机理， 提出合理的力学模型，确定爆破切1 3 的关键参数，无 疑具有重大意义。 万方数据 第3 0 卷第4 期龚相超，钟冬望，韩芳，等爆破拆除钢筋混凝土烟囱切口关键参数的研究 3 3 爆破切口角的计算 由钢筋混凝土结构构件偏心受压破坏过程可 知，钢筋混凝土烟囱在爆破切口形成后，余留支撑体 因强度不足而破坏可分大致为两个阶段，因此合理 的爆破切口的角度主要由以下三个条件决定。 1 ．1 爆破切口角需要满足的应力条件 在爆破切口形成瞬间，烟囱余留支撑体上最大 拉应力处材料应达到其极限抗拉强度，这样混凝土 才能破坏而退出工作⋯。考虑配筋和混凝土的相 互作用，将该处一个壁厚的材料近似整体受力旧1 ， 如图1 所示。于是此时混凝土开裂破坏的条件为 拉区中轴线上烟囱内壁处点A 的拉应力达到材料 的极限抗拉强度，即o r 。一≥五。。注以下算式假设 切口角大于1 8 0 。，小于1 8 0 。时计算原理类似。这 样，切口形成后，余留支撑体截面面积 A 2 JIp d p d O ∥一r 2 卢 1 Jr lJ U 余留支撑截面的偏心矩的计算 e l { 卜d L 4l I 百2J f R ，，l k f “ ，2 c 。s 口4 0 a p I 1 4 { R ；一r ； s i n a ／2 ／[ 3 R i r 2 。 卢] } I 应力条件的计算公式为 坐竿旦一半≥厶 p 以 2 T 7，“ 厂v Ⅱ 、， 式中以。为等效材料抗拉强度以为混凝土极限抗拉 强度以为钢筋极限抗拉强度；A 为余留截面面积； 肛，为该处的配筋率；M 为重力倾覆力矩；R ，为切口 处烟囱外半径；r ，为切口处烟囱内半径；m 为切口以 上烟囱质量；e 为偏心距；，为余留截面的惯性矩；a 为爆破切口角；筇为余留截面对应角。 V Ⅱ 斤分 ， 彳 2 卢／＼ C Ⅵ澎x 、、～ 图1爆破切口横截面示意图 F i g ．1 S k e t c hm a po fb l a s t i n gc u t ’sc r o s ss e c t i o n 1 ．2 爆破切口角需要满足的弯矩条件 混凝土开裂后，裂纹要想继续发展，倾覆力矩应 大于余留支撑体的剩余抵抗力矩，即中性轴后退以 后新倾覆力矩大于新拉应力区的极限抗拉力矩与新 压应力区的极限抗压力矩的合力矩。现采用极限载 荷分析方法，充分考虑到混凝土和钢筋的塑性流动 影响，参照混凝土单轴抗拉和抗压应力应变曲 线口’4 ] ，假设钢筋和混凝土均为理想弹塑性材料，并 认为极限状态下钢筋和混凝土完全粘结，未出现滑 移。这样的处理大大简化了计算，而计算结果较线性 分布假设下的切口角度为大，则对保证烟囱顺利倒 塌的可靠度更高。截面应力分布如图2 所示。 工f 、叫 ．1，‘孓 2 3 。铽 、、～、乡| | 口 e _ 图2极限状态应力分布不葸 F i g ．2 S k e t c hm a po fu l t i m a t es t r e s sd i s t r i b u t i o n 在钢筋为理想弹塑性材料假设条件卞j 新拉力 区钢筋承受的极限拉力为 F ∥施■一d ，d 0 0 桃。 R 一‘ 卢。 F ∥枞L 书。”7 桃t ；一r ； 卢n 3 式中加为烟囱配筋率；卢。为新中轴余留截面对应 角；下同。 由于此时受拉区混凝土已经开裂但仍有极小部 分混凝土承受载荷，残留部分大小是个动态过程，故 按整个截面考虑，受拉区域混凝土的极限拉力为 玑rr ，d r d O F o , d r d O 坑 尺一r 2 卢。 4 玑上甲。p 2 坑 尺一r 2 卢n 4 新压力区混凝土承受的极限压力为 R 玑r r ，d ，d O 玑 R i r 2 盯一卢。一导 R 玑J 孚J r 『r7 玑 R i r 2 盯一卢n 一号 5 新压力区钢筋承受的极限压力为 凡矾rr r d r d O 知R 6 凡 矾bJ r j r d r2 挚F “ 6 在这一阶段的极限平衡状态下，根据静力平衡 方程有 G 凡 F s 。 F 。 F 。 亨 m g 2 L 名 p Z 。 R ；一r ； f l 。 2 ，二 肛以 尺；一蠢 霄一卢。一詈 7 万方数据 爆破2 0 1 3 年1 2 月 2 疋 ⅣZ 乒b 砰一r 2 1 T 一芸 一r a g 故晟21 万瓦万万百历诼三厂 8 式中以为混凝土极限抗压强度以为钢筋极限抗压 强度。 故e 。氅≥c 。。卢。 9 由式 7 和式 8 可得新中性轴偏心矩e 。的 解。这样新拉力区钢筋的极限抗拉力矩为 M s t 舡以上甲。小瑚s 口1 r d r d O 2 弘z ；[ i } R ；一r ； s i n 卢。一丐1 ．e 。 尺；一r 2 。 卢。] 1 0 由于此时受拉区混凝土已经开裂但仍有部分混 凝土承受载荷，残留部分大小是个动态过程，故按整 个截面考虑，受拉区域混凝土的极限弯矩为 M e , 瓢c k 小肋s 9 飞 r d r d 臼 职。[ R ；一r 3 。 s i n p 。一了1e 。 R ；一r 2 。 卢。] 1 1 新压力区混凝土的极限抗压力矩为 一一er R l M c c 坑J 。I ／ C O S0 e 。 r d r d O J 竹一。r Jr ， 犹。‘了1L 儿3 。一r s i n 卢。一s i n 詈 一争。 砰一 ‘ 卢。 1 T 导 ] 1 2 新压力区钢筋的极限抗压力矩为 ，甲r R lf 心 ‰上一号J q r c o s 0 e n 一一日2 脚心笼2 钆以[ R ；一r 3 。 s i n 卢。一s i n 詈 一丢e 。 尺一 r ； 卢。一百 詈 ] 1 3 参看文献[ 5 ] ，按风力方向与设计倒塌方向相 反的最不利情况考虑，风力作用施加在烟囱上的反 一j f1 弯矩为M 。 P 。【2 R l A 1 z z d z T 1 廿2 P 。 尺l 2 R 2 1 4 根据流体力学理论，作用在烟囱上的风压力为 P 。 0 ．7 T V r 2 ／2 。 1 5 式中P 。为风压力；日为切口以上烟囱高度；R 、足l 为爆破顶部和切口处的外半径，A ．鱼{ 竺三；7 为 空气密度；q 为距支点距离为r 处的风速。 爆破切口形成后，要保证烟囱倾倒，就必须满足 倾倒力矩大于结构的极限弯矩和其他外载荷不利影 响【6 。8J 。所以当选用组合形切口或梯形切口时，则烟 囱失稳的判据为 M ≥M 。 肘。 M 。。 j I I 乙 艏。 M 。 1 6 式中丝爆破切I 1 内支撑钢筋的反力矩 计算见下 节 ；M e 。为受拉区域混凝土的极限弯矩。值得指出的 是此时受拉区混凝土已经开裂但仍有极小部分混 凝土承受载荷，残留部分大小难以估计，故按整个截 面考虑。式 1 5 充分考虑了各种因素的综合影响， 可以保证烟囱爆破倒塌。由式 2 和式 1 6 即可以 得到满足烟囱顺利倾倒时的切口角下限值。 1 ．3 预防下坐爆破切口角需要满足的条件 1 考虑动载效应【5J ，余留截面最大压应力受 到突加载荷的影响还应满足 o r c d 亿r a d g ≤丘 1 7 式中o r 。。为余留截面的动应力以为混凝土抗压强 度；亿动荷冲击因数 计算参看文献[ 5 ] 。 2 烟囱爆破拆除准确定位倒塌压区最大压应 力发生在曰点处，如图1 所示。准确定位的条件为 ．2 l M e _ r t c 0 8 等 竖I ≤厶 1 8 J一百I 由式 1 7 和式 1 8 即可以得到满足烟囱顺利倾倒 时的切口角上限值。 2 爆破切口高度的计算 判据一重心偏出支点条件 必要条件 采用 梯形切口时，切口闭合后烟囱能否继续倾倒，取决于 其重心是否能偏出新支点，所以应该满足 h m i 。 尺l r l c o s 詈 s i nO t o 1 9 式中a 。为切口闭合角，取最小值时最小爆破切口 高度按上式计算。 m g R 。1 c 。s 詈 ％≥a r c s l n _ ／ 二二 一 愕√ 一”3i n 詈 2 瑶 一叩o s 詈 a r c t a n i 上 2 0 ／- 1 。 式中以为烟囱重心高度 具体计算参看文献[ 3 ] 。 判据二失稳条件 必要条件 满足判据一同 时还应该满足使钢筋稳定性破坏的高度条件，否则 钢筋支撑力是很大的，对使钢筋混凝土高耸建筑物 倾倒不利，所以应该满足 h 。i 。≥d A 。／2 2 1 万方数据 第3 0 卷第4 期龚相超，钟冬望，韩芳，等爆破拆除钢筋混凝土烟囱切口关键参数的研究 3 5 式中d 配筋直径；A 。长细比极限，按钢结构规范1 5 0 选取 具体计算参看文献[ 6 ] 。值得指出的是以往 爆破切口设计计算只校核了切口内钢筋失稳，没有 考虑切口内钢筋在爆破时对烟囱仍有支撑作用，实 际炸药爆炸冲击载荷会使切E l 内裸露钢筋变弯曲， 消弱其支撑作用，情况复杂，这里我们按最不利情况 考虑，既钢筋为等截面支杆。如图3 所示，则爆破切 口内纵筋对中性轴的支撑力矩可按下式计算 M ∑ e d i F 一 ∑ e d i F 。 i I i 卜l 2 2 式中F 一为钢筋强度极限时的极限荷载；B 为钢筋 临界载荷 大柔度杆按欧拉公式计算，中柔度杆按直线 公式计算 ；e 为偏心距；吐为钢筋到中性轴的距离i 『为 小柔度杆的个数；凡为大柔度和中柔度杆的个数。 3 计算实例 南昌电厂2 1 0m 高钢筋混凝土筒式结构烟囱，在 0 ．0 0m 标高处，烟囱外半径9 ．2 4m ，内半径8 ．6 2m ， 壁厚0 ．6 2m ，为双层钢筋网，0 ．0 一 1 0 ．0m 标高 V 口 斤厨 F ， o t C ／ 澎。 ， i哒 口 已 处竖向钢筋外层为犯2m l n 螺蚊钢间距1 5 0m m ，内 层为咖1 8n l l I l 螺蚊钢间距3 0 0m i l l ，环向钢筋为外层 为犯21 1 1 1 1 1 螺蚊钢间距2 0 0I T L r n ，内层为咖1 4I T l m 螺 蚊钢间距2 0 0m m 。在 2 1 0 ．0 0m 标高处，烟囱外 半径3 ．1 7m ，内半径2 ．9 2m ，壁厚0 ．2 5m ；烟囱筒 身采用3 0 0 ’ 1 3 0m 标高以下 、2 5 0 。混凝土整体滑 模浇筑，隔热层厚0 ．1 2m ，内衬采用耐火砖砌筑， 1 0 ．0 0m 以下无内衬，1 0 ．0 0 一5 7 ．5 0m 内衬厚 0 ．2 4m ，5 7 ．5 0m 以上内衬厚0 ．1 2m 。筒身混凝土 体积为2 6 0 9m 3 ，隔热层体积4 9 5m 3 ，内衬体积 8 4 7m 3 。经计算烟囱重P 约为9 3 9 8 ．6 9t ，重心高度 皿为7 2m 。烟囱拆除采用梯形切口，爆破切口角 a 2 1 5 。时，对应的最小切口闭合角a 2 3 ．2 0 ，满足 切口闭合重心移除支撑点之外的最小爆破切口高度 为1 ．5 2m ，满足稳定性条件的最小爆破切口高度为 1 ．6 5m ，实际爆破采用切口高度为5 ．2m ，满足顺利 倒塌的要求，并有效的减小了裸露钢筋抵抗弯矩。 应用式 2 和式 1 8 式进行分析计算，断裂点A 处 拉应力矿。及最大压应力矿。与切口角之间的数值 关系如表1 所示。 ／入 图3 切口内竖筋分布示意图 F i g ．3 S k e t c hm a po fr e i n f o r c e ds t e e lb a ri nc u t 表1 爆破切口角度与应力分布 T a b l e1 A n g l e so fb l a s t i n gc u ta n ds t r e s sd i s t r i b u t i o n 根据烟囱混凝土和钢筋设计规范，采用式 2 可 计算出A 点的极限抗拉强度厶 4 ．9 6M P a ，B 点压力 区的极限抗压强度氕 5 0M P a ，所以满足应力条件的 切口角度范围是1 7 5 0 一2 2 3 0 。由于余留支撑部分的 预处理，使其极限抵抗力矩大大减少。当切口角度 a 1 7 5 0 时，点A 处的钢筋混凝土受拉开裂，随着裂纹 的发展，拉区荷载由钢筋承受，然而此时仍有部分混 凝土承受拉力。根据钢筋混凝土截面破坏的第二个 阶段的弯矩条件式 1 6 ，计算结果见表2 。 由表2 可见理 2 0 8 。，为混凝土开裂后保留截 面完全破坏的弯矩条件，是保证烟囱可以顺利倾倒 的切口角度。其中帆按5 级风载荷反向计算。当 a 2 1 5 。时对应的切口闭合角a 。 2 3 ．2 。。 下转第5 9 页 万方数据 第3 0 卷第4 期 罗佳，史秀志，张舒，等基于A H P 和改进T O P S I S 法的台车掘进掏槽方案优选 5 9 上接第3 5 页 这里若切口高度选择满足式 1 9 和式 2 1 最 小高度1 ．6 5m ，则爆破切口内钢筋按式 2 2 估算可 达4 5 ．1 8 6M N m ，是倾覆力矩的1 0 ．5 ％，可见若切口 高度较小，则对爆破的影响就不能忽略。由式 1 7 计算切口爆破后动荷冲击因数K 1 ．6 ，切口爆出 短时期内o r 甜 9 ．1 5 4M P a f c 。，因此爆破设计是可 靠的。 表2 爆破切口角度与弯矩分布 T a b l e2a n g l e so fb l a s t i n gc u ta n db e n d i n gm o m e n t 切口角／肘／M s 。／M c c ／M 。／M c 。／M w ／M s ／ o M N mM N m M N m M N m M N m M N mM N m 2 1 54 2 8 ．31 3 7 ．61 6 9 ．54 ．3 4 51 ．4 0 63 ．1 7 4 ．9 2 2 1 04 0 1 ．61 6 2 ．41 8 8 ．94 ．8 4 01 ．6 6 03 ．1 7 4 ．5 8 2 0 83 8 6 ．41 8 3 ．81 8 6 ．24 ．7 7 51 ．8 7 73 ．1 7 4 ．1 7 4 结语 从实例计算结果来看影响爆破切口角因素较 多，从切口极限分析可知，钢筋受压、混凝土受拉和 五级风载荷的这些因素的影响较小，钢筋受拉和混 凝土受压是主要控制因素，这和工程认知相符合；爆 破切口角度和切口高度参数相互之间是有影响的， 若切1 3 高度较小，切口内钢筋对烟囱的支撑力矩变 大，可达倾覆力矩的5 ％以上，不能够完全忽略，做 切口高度设计时应充分予以考虑；合理的爆破切口 角度既要考虑烟囱顺利倒塌的条件也要满足准确定 位和防止烟囱下坐，因此合理的切口角范围是一个 范围，在此范围内哪一个值是一个较优的选择，受到 诸多不确定因素的影响，需要进一步探讨。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ]高振儒，张俊男，王松江．烟囱定向爆破切口设计与实 践[ J ] ．爆破，2 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