多切口爆破拆除楼房爆堆的研究.pdf

第2 9 卷第3 期 2 0 1 2 年9 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 9N o ．3 S e p ．2 0 1 2 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 2 ．0 3 ．0 0 4 多切口爆破拆除楼房爆堆的研究 魏晓林 广东宏大爆破有限公司，广州5 1 0 6 2 3 摘要双切1 2 同向倾倒拆除楼房，都是上切口先闭合形成有根组合单体。该过程经双体倾倒动力方程数 值计算，在上切口闭合时，由碰撞的冲量矩守恒可知，组合单体的转动动能损失，小于下体不动上体倾倒切1 2 闭合时的能量界限模型，由此可将组合单体的机械能与上切1 2 闭合前的机械能之比叼。，来计算下切口闭合 前的机械能。实例的多种情况仇 1 0 ．9 1 ，也大于能量界限模型的O ％一8 ％。而下切1 2 闭合时切口碰撞， 组合单体质心与着地点径向动能，因碰撞而消耗；而撞地点的冲量矩却形成了下切口闲合后的转速 上体顶 再撞地时也是向理 。考虑到组合单体在地上滚动和上体在下体顶面翻倒的阻尼能量损耗，以阻尼系数k ， 1 ．1 5 表示，再以单体翻倒所需能量比数氏，、上体翻倒能量比数k 和上体沿下体顶面冲击滑动能量比数 如，分别小于保证 或安全 系数k 。 1 ．5 ，以及上体翻倒再翻滚能量比数民。 x z 1 0 上下体共同翻倒 当戈。≤z n ，但 ％1 ％／{ [ ■ m l m 2 g 1 一C 0 8g ，1 E 。1 ] K ；} ≥k 。 1 1 上下体可能共同翻倒，但也可能上体沿下体顶 前角五翻倒，但下体不翻倒。式中k 。为翻倒保证 率，取1 ．5 。k f 为上下体或下体与地面的接触阻尼 系数，取1 ．1 5 。E n ，E 吐分别为下、上切口支撑部钢 筋拉断所需做的功，见文献[ 2 ] 中7 ．4 ．1 ．2 节。 若要判断下体也跟随翻倒，在下切口闭合后，由 于式 1 1 成立，上体必定向下翻倒，并可能形成双 体运动，这只能通过数值求解双体动力学方程组，才 能精确判断下体是否同时翻倒。由于上下体都翻倒 的爆堆前沿较宽，满足式 1 1 时均判断为上下体翻 倒的爆堆，留有了充分的爆堆分布较宽的余地，因此 在工程上是安全的。 若 ‰。≤1 1 2 下体不能翻倒，但还应判断上体是否翻倒。 当上体质心C 的茹坐标 疋2 。 妇 1 3 上体翻倒 当疋2 c ≤‰且 、 r f 2 r 2 ／{ [ r 2 ，，n 2 9 1 一C O Sq 2 ， 如] 后，} k 。 1 4 上体不一定能翻倒 式中次1 2 和y 『2 分别为下切口闭合时，上切口闭合点 五的疋和Y 坐标值；上体质心C 到五。的距离， C 疵连线的与铅垂线夹角和C Z 连线的与铅垂线 夹角分别为r 2 ，、嘶、q 2 f 、q 矾，和主惯量L ，见文献[ 2 ] 中7 ．4 ．1 ．2 节。上体质心C 2 在下切口闭合后的速 度水平分量口。和速度竖直分量‰为 口2 e x2 锄勘C O S 锄 1 5 秒研5r w 和s i ng 狮 上体在下切口闭合后的动能 疋 厶爵／2 t n 2 t ，乞 口≥ ／2 1 6 而当菇2 c ≤锄，且 ％≥k 。 1 7 满足式 1 7 和式 1 2 ，上体仍保证翻倒，而下 体不能翻倒。 从以上分析可见，增大下、上切口角／3 ，和卢，都 可以增大憋，但以增大p ；最为显著，更能满足 式 1 0 ；同理增大p 。使式 1 1 和式 1 7 更易满足， 即或下体不翻倒，从式 1 7 中可见，上体也更易翻 倒。因此增大下切口角p ，，是最主要的促使双切口 剪力墙翻倒的措施。 以上各式判断的上体翻倒，在翻倒过程中，当质 万方数据 爆破 2 0 1 2 年9 月 心c 2 越过五竖直线后，都可能沿五点又同时向下 滑动。当上体不能绕下体前顶面翻倒，但也有可能 沿下体顶面，向前下方滑动。上切口闭合后，下切口 闭合产生冲击，其上体滑动模型，见图3 所示。 ／。 。j心叠 髦阶靠 ，竹 l 僵i { 、怨 卢。 ．|‘ 。漶≮， 动 D 工 工k ，。 一x12 ‘ 图3 下切口闭合上体沿下体顶面滑动 F i g ．3 G l i d eo fu pb o d yO i lt o pf a c eo fd o w nb o d yw h i l e d o w nc u t t i n gc l o s e d 下切口闭合后，上体沿下体顶面动量为 ／a l m 2 甄r 扒[ C O S q 卵一卢1 f s i n q 掣一J B l ] 1 8 式中∥为下体顶面摩擦系数，取0 ．6 ；而动量％引起 滑动的动能 ％1 乓1 ／ 2 m 2 m 2 卧‘2r 狮2 [ c o s q 矾一卢1 f s i n 9 2 n 一卢1 ] 2 ／2 1 9 上体沿下体顶面滑动，其质心C 2 滑出施所需 的动能 ％l m 2 9 ，C O S 卢l - s i n 卢1 石『2 一菇2 c ／C O S 卢1 E 2 ， 2 0 式中E ，为滑动拉断上切口支撑部钢筋所需作的 功，见文献[ 2 ] 中7 ．4 ．1 ．2 节。 ‰ ％／％，≥k 。 2 1 式中七。为滑动保证系数，取1 ．5 。满足上式时，上 ．体质心C 将滑出下体顶面。而后上体又同时绕五 下旋转动，而迭落在下体前方。如果式 1 1 、 式 1 7 和式 2 1 式均满足，则上体翻倒并同时沿下 体顶面下滑。如果式 2 1 不满足，则上体质心c 2 不会或不一定会滑出下体顶面。 上体沿下体顶面前滑，下体顶面前角点五多会 嵌入上体，下切口闭合引发的上体冲量，将不能抵抗 剪力和弯矩的上体纵墙破坏，上体的重载将全部转 移到所剩其他支撑构件上，而引发进一步压碎破坏。 三切口同向倾倒剪力墙拆除，当中切口上方的中体， 沿下体顶面前滑时，中体破坏也最为严重。 当式 1 2 和式 1 7 、式 2 1 满足，上体将翻倒 而下体不翻倒。上体翻倒而下体没有翻倒的爆堆形 态如图4 所示。将倾倒楼房原前柱之前的爆堆宽， 简称为爆堆前沿宽，即 ￡，2 B a 1 ／C 0 8 卢l 一1 H l h 。l h 胡 s i n 卢1 y ，2t a n 皮 哦一 。以 2 2 式中卢。、日。、h 。。和芦、H 2 、矗。以分别是下、上体的切口 闭合角 尺o 、体高 m 、切口高 m ；h 胡为下切口 闭合时，前墙破碎高，m ；风为下切口闭合时，前墙倾 斜角，风 芦。；8 为楼宽，m 。 爆堆最大高度 h 虚 m a x [ B ， 日l h 。l h 。1 C O S p l ] 2 3 当楼房整体质心c 满足式 1 2 ，而上体质心c 又满足式 1 4 ，不满足式 2 1 时，上体和下体都不 能或不一定能翻倒，且上体也不能或不一定能滑落。 爆堆形态如图1 b 所示。 图4 上体翻倒下体不翻倒爆堆 F i g ．4B l a s t i n gh e a po fu pb o d yd u m p e d a n dd o w nb o d yn op u r l e d 爆堆前沿宽 ￡佑 曰一口 1 ／C 0 8 口1 一I 日1 一h 。“一 h c n s i n 卢l ％一h 。1 1 2 s i n f l l 岛 B 1 ／C O S 伤一1 C O S p l 2 4 爆堆高度 h 如 H l h d h 。1 C O S 卢1 吼C O S 卢l 尻 2 5 当楼房整体质心满足式 1 0 和式 1 1 ，上体将 翻倒，大多下体也将翻倒。当上体翻倒，下体也翻倒 时，爆堆形态如图5 。爆堆前沿宽 k B 一口 1 ／C O S 卢l 一1 H 1 一h 。l h 胡一九。皿 2 6 爆堆最大高 h d l B 2 k 2 7 式中 n ，九岔分别为下、上切口前堆积高，m 。 上体从下体上翻倒时，由于上体自重促使下体 前顶角向上体内的嵌入，上体楼房切口层多已破坏， 万方数据 第2 9 卷第3 期 魏晓林多切口爆破拆除楼房爆堆的研究 1 9 实际爆堆％比式 2 6 值偏小，实际爆堆k 比 式 2 2 值偏小。 ， ●-堡E 烈驴惑 7 7 ／地面 0 d● ，、L | 、 一 f工 一 一B 一 图5 上下体都翻倒爆堆 F i g ．5B l a s t i n gh e a po fu pa n dd o w nb o d i e sd u m p e da l l 上体下体同时翻倒着地后，还应验算上体楼房， 是否可能再向前翻转而楼顶着地，如图6 所示。 图6 上下体同时翻倒后上体再翻转 F i g ．6D u m p e da g a i nu pb o d ys i n c ep u r lo fu p a n dd o w nb o d i e s 同理，上体对t 点的再翻倒动能为疋。，见文献 [ 2 ] 中7 ．4 ．1 ．2 节式 7 ．7 6 。当 k 咒。／[ r 2 。m 2 9 1 一C O Sq 2 。 ] 1 ／k 。 2 8 保证上体不可能向前再翻倒。式中安全系数 露。 1 ．5 ；r 2 I 、g 。和厶分别为上体C 对t 点的距离、 C t 的与铅垂线夹角和对t 的转动惯量；上体再翻倒 的爆堆前沿宽 L 。 丑一口 1 ／C O Sp l 一1 日1 一h 。。l h c ，l 一危。1 ．2 ，2 B 2 9 爆堆最大高度 h 出 m a x 丑2 ，B 2 h ，1 3 0 双切口同向折叠倾倒后滑的爆堆后沿宽B W ，可根 据文献[ 2 ] 的7 ．4 ．1 ．1 节剪力墙后墙后滑距离鼠计算。 剪力墙和框剪结构楼房，当欲尽可能缩小倒塌 前沿宽L ，可采用上下切口反向倾倒，爆堆尺寸可见 文献[ 2 ] 7 ．4 ．1 ．2 节计算。 剪力墙和框剪结构楼房，当采用切口爆破拆除 时，工程上多重视最下两切口的状态，而其他切口实 际多先闭合，或对爆堆判断影响不大。其运动各体 着地位置，倒塌姿态判断和爆堆形态计算，可参照上 述双体剪力墙楼房对其判断原理和计算方法进行。 框架楼房，多切口爆破拆除时，其爆堆形态，可 按剪力墙双切口爆破拆除时，各体位置、倒塌姿态的 力学条件，判断框架楼房各体着地位置，再以文献 [ 2 ] 中7 ．5 ．3 节“框架爆堆及判断”所述，计算框架 各个单体着地时，各体破坏状况，和爆堆最终形态。 本节的爆堆范围，是指建筑结构坍塌着地的范 围，坍塌时构件运动和破坏所产生的个别飞石范围， 还要在计算结构倒塌爆堆范围外推5 ～1 0m ，并视 构件着地速度和前冲速度而选取。 1 ．3 实例和讨论 以青岛远洋宾馆的爆破拆除参数为例，参数见 文献[ 2 ] 中7 ．4 ．1 ．2 节，计算现浇剪力墙楼房双切 口同向倒塌并姿态判断。 双切口同向倾倒，采用上行起爆，时差小于0 ．5S 时。上切口炸2 层，下切口分别炸2 、3 、4 层，即分别 下切口高h 砌 6 ．5m 、9 ．8m 、1 3 ．1m ；分别对应的下 切1 3 角伤 O ．1 8 5 1 、0 ．3 5 8 4 、0 ．5 1 1 9 ；以及分别下切1 2 I 的前墙堆积物高 n O ．8I n 、1 ．6m 、2 ．4m ；上切1 1 高 h 。以 5 ．9m ；上切口角芦2 O ．1 8 5 1 ；各切口都下坐一 层，‰。，‰，％的计算结果如图7 。图中，当下切口 炸到4 层时，％为负，表明上体无需做功将自行下落。 而下切口炸层数为2 层，上切口炸层数分别为 2 、3 、4 层时，即分别下切口高h 。。。 6 ．5m ，h 0 ．8m ，对应的卢。 0 ．1 8 5 1 ，分别上切口高 础 5 ．9m 、9 ．2m 、1 2 ．5m ；分别上切口角岛 0 ．1 8 5 1 、 0 ．3 5 8 4 、0 ．5 1 1 9 ；分别上切口的前墙堆积物高 ，2 0 ．8m 、1 ．6m 、2 ．4m ；‰。，‰，％计算结果如图8 。 从图7 和图8 可见，上下切口炸2 层，但如果上下切 口下坐一层，楼房虽可翻倒，但难以保证。因此下切 口应炸3 层，可保证楼房翻倒。如计算结果均为负 值，表明上体不可能向前再翻倒。以上实例‰为正 时，静力学条件式 1 0 和式 1 3 都不满足，表明动 力学条件是必要的。图8 中小数表明双体模型叼。 接近能量界限模型的 叼。 。 增大伤时，都能不同程度增大翻倒率K 加。， ％，如从而增强楼房翻倒；K w 。虽然也增大，但是一 般未到楼房上体再翻倒程度。另外，增大下切口角 p ，，比增大上切口角p ，形成增大翻倒率K 加。，‰， 如更显著；并且下切口角p ，增大，引起‰增加更 快和耽．为负，致使上体质心已在五之前，表明上体 既翻倒又下滑。倒塌姿态判断后，爆堆尺寸可按本 文公式自行计算。 下转第5 7 页 万方数据 第2 9 卷第3 期施云峰，冯旭东，魏金山硬岩立井井筒钻眼爆破施工新技术5 7 上接第1 9 页 0 ．2 00 ．2 50 ．3 00 ．3 50 ．4 00 ．4 50 ．5 00 ．5 5 母，堰。 图7 翻倒率如t ，翰，岛与下切口角卢t 的关系 F i g ．7 R e l a t i o nb e t w e e nd o w nc u t t i n ga n s l e a n dd u m p i n gr a t i o 誊 营 0 ．2 00 ．2 50 ．3 00 ．3 50 ．4 00 ．4 50 ．5 00 ．5 5 ． B O R o 图8 翻倒率‰- ，‰，％与上切口角伤的关系 F i g ．8 R e l a t i o nb e t w e e nu pc u t t i n g n g l e a n dd u m p i n gr a t i o 统观以上计算过程旧J ，可见多体的功能定理是 可以判断爆堆的p 1 。建筑机构单开链数体，一般简 化后由l 一3 个体所组成，在运动过程中易于形成有 根单体，由于多体系统中每个体仅有1 个自由度，只 要在拓扑切换点上，能形成有根单体或有根组合单 体，则在该体碰撞以外又不跨越碰撞的范围内机械 能是守恒的，而在碰撞内冲量 矩 是守恒的，由此可 以计算该体的姿态，从而判断爆堆形态。由于应用 功能定理，不需要解动力学方程，并且计算结果与运 动中间过程无关，仅取决于该拓扑运动前后状态，因 此简化了爆堆计算。 2 结语 应用能量界限模型推断上切口闭合前后机械能 比仇和机械能守恒、冲量 矩 守恒原理，判断了多 切口爆破拆除楼房的倒塌姿态和爆堆，将爆堆的计 算不必数值解算动力方程，而简化为仅用单体的显 式公式就可力学分析，和爆堆前沿及高度计算，并经 工程计算实例证明是可行的、正确的。 [ 1 ] 冯叔瑜，张志毅，戈鹤川．建筑物定向倾倒爆破堆积范 围的探讨[ c ] ∥冯叔瑜爆破论文集．北京北京科学技 术出版社，1 9 9 4 ． [ 1 ] F E N GSY ，Z H A N GZY ，G EHC ．D i s c u s so fb l a s t i n g h e a po fb u i l d i n gi nd i r e c t i o n [ C ] ／／F E N GSY 7 Sb l a s t i n g c o r p u s ．B e i j i n g B e i j i n gp u b l i s h i n gc o m p a n yo f s c i e n c e a n dt e c h n o l o g y ，1 9 9 4 ． i nC h i n e s e [ 2 ] 魏晓林．建筑物倒塌动力学 多体一离散体动力学 及 其爆破拆除控制技术[ M ] ．中山中山大学出版社，2 0 1 1 ． [ 2 ] W E IXL ．D y n a m i c sb r e a k i n gd o w no fb u i l d i n g M a h i - b o d y d i s c r e t e b o d yd y n a m i c s a n dc o n t r o lt e c h n o l o g yo f d e m o l i t i o nb yb l a s t i n g [ M ] ．Z h o n g s h a n Z h o n g s h a nu n i - v e r s i t yp u b l i s h i n gc o m p a n y ，2 0 1 1 ． i nC h i n e s e [ 3 ]魏晓林，傅建秋，李战军．多体一离散体动力学分析及 其在建筑爆破拆除中的应用[ c ] ∥庆祝中国力学学会 成立5 0 周年大会暨中国力学学术大会’2 0 0 7 论文摘 要集 下 ．北京中国力学学会办公室，2 0 0 7 6 9 0 ． [ 3 ] W E IXL ，F UJQ ，L I NZJ ．M a l t i b o d y - d i s c r e t e b o d yd y n a m i c s a n a l y s e sa n da p p l y i n go fc o n s t r u c t i o nd e m o l i s h e db yb l a s t i n g [ c ] ／／C C r A M 2 X 1 7D i s q u i s i t i o nA b s t r a c t s 1 I ．B e i j i n g C C T A MO f f i c e ，2 0 0 7 6 9 0 ． i nC h i n e s e 万方数据