钢筋混凝土烟囱拆除切口中脊高度的计算.pdf

第2 9 卷第1 期 爆破Vol29 N o 1 2 0 1 2 年3 月B L A S T I N G M a r ．2 0 1 2 ●- _ _ _ _ ●■●●●●_ _ ●_ - _ _ _ _ _ _ _ _ ■_ _ ●_ I I ■_ ●_ ●■_ _ ■■_ ■●_ ●- _ _ _ _ _ _ _ ■_ _ _ _ ■_ ●_ 一 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 1 ．0 1 8 钢筋混凝土烟囱拆除切口中脊高度的计算 曹启坤1 ，侯丽娜2 1 ．辽宁工程技术大学建筑工程学院，阜新1 2 3 0 0 0 ；2 ．辽宁工程技术大学研究生学院，阜新1 2 3 0 0 0 摘要拆除钢筋混凝土烟囱时，拆除切口中脊高度的合理选择是拆除成功的重要因素。根据钢筋混凝土 烟囱在倒塌至拆除切口闭合时，倾覆力矩大于薄弱面的抵抗力矩的原其I j 来确定钢筋混凝土烟囱定向倒塌的 条件及拆除切口中脊高度对其定向倒塌的影响。在考虑烟囱是变截面筒体的情况下．通过对上述条件的分 析，得到拆除切口中脊高度的计算公式，与烟囱的结构尺寸、拆除切口薄弱面位置、拆除切口所对圆心角、余 留支撑体轴筋承受的拉力有关，不仅仅与烟囱的壁厚有关，与传统的经验公式是有较大差别的。 关键词钢筋混凝土烟囱；拆除切口中脊高度；计算公式；定向倒塌； 拆除 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 2 0 l 一0 0 6 9 一0 4 C a l c u l a t i o no nD e m o l i t i o nC u tH e i g h to fR e i n f o r c e dC o n c r e t eC h i m n e y C A OQ i ．k u n l ，H O U1 2 ．／／, a 2 1 ．C o l l e g eo fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e ，L i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，F u x i n1 2 3 0 0 0 ，C h i n a ； 2 ．G r a d u a t eC o U e g e ，L i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，F u x i n1 2 3 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t D u r i n gt h ed e m o l i t i o no f 陀i n f o r c e dc o n c r e t ec h i m n e y ，c h o o s i n gr a t i o n a ld e m o l i t i o nc u th e i g h ti sc n l c i - a lt ot h es u c c e s so ft h ed e m o l i t i o n ．T h ed e t e r m i n a t i o no nt h ec o n d i t i o n so fd i r e c t i o n a lc o l l a p s eo fr e i n f o w e dc o n c r e t e c h i m n e ya n dt h ee f f e c to nt h ed e m o l i t i o nc u th e i g h tf o rd i r e c t i o n a lc o l l a p s ed e p e n do nt h ep r i n c i p l et h a tt h et o p p l i n g m o m e n to fc h i m n e yi sm o r et h a nt h el i m i t e db e n d i n gm o m e n t0 fs u p p o r t i n ga r e ao ft h er e m a i n e dp a r tw h e nt h ed e m o - l i t i o nc u ti sc l o s e da l o n gw i t ht h er e i n f o r c e dc o n c r e t ec h i m n e yt o p p l i n g ．C o n s i d e r i n gt h ei n c l i n a t i o no fc h i m n e y ，b a s e d o nt h ea n a l y s i so ft h ea b o v ec o n d i t i o n s ，t h ef o r m u l af o rc a l c u l a t i n gt h ed e m o l i t i o nc u th e i g h ti sg i v e n ．W i t ht h ef o r m u - l a ，t h ed e m o l i t i o nc u th e i g l I ti sr e l a t e dt ot h es t r u c t u r es i z e ，t h ew e a ki n t e r f a c ep o s i t i o no ft h ed e m o l i t i o nc u t ，t h ed e m - o l i t i o nc u tc e n t r a l 明d ea n dt h et e n s i o no fs t e e l si ns u p p o r t i n ga r e ao ft h er e m a i n e dp a r t ，n o to n l yt ot h es h e l lt h i c k - I 粥so fc h i m n e y ．I ti sd 瀣e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a le x p e r i e n c ef o r m u l a ． 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 ；d e m o l i t i o nc u th e i g h t ；f o r m u l a ；d i r e c t i o n a lc o l l a p s e ；d e m o l i t i o n 钢筋混凝土烟囱的定向倒塌拆除，拆除切口参 数的选取是安全、可靠拆除的关键。拆除切口参数 取值包括拆除切口所对圆心角、中脊高度、切口类型 等的选择m 引。拆除实践证明拆除切口所对圆心角 和中脊高度是影响钢筋混凝土烟囱能否按预定方向 收稿日期2 0 I l 一0 9 2 9 作者简介曹启坤 1 9 7 4 一 ．男．博￡研究生、副教授．从事结构损伤与 健康监测、岩土工程等方面的研究。 E - m a i l c a o q i k u n l 9 7 4 1 6 3 ．c o r n 。 通讯作者侯丽娜 1 9 8 5 一 ，女，硕士研究生，从事结构损伤与健康监 测、钢筋混凝土方面的研究． E ．m a i l l i n 扣l1 0 s i n a ．c o r n 。 准确倒塌的主要因素，而拆除切口中脊高度的确定 又是其中最为重要的设计计算内容之一J 。拆除 切口中脊高度确定的正确与否关系到钢筋混凝土烟 囱能不能顺利实现定向倒塌，同时也能体现拆除施 工的方便性和经济性。 从目前国内高大型钢筋混凝土烟囱拆除实例来 看，对于拆除切口中脊高度的计算有利用与钢筋混 凝土烟囱壁厚有关的经验公式，其结果或偏小或偏 大；r E 有利用力学分析得到的计算公式，没有考虑烟 囱是变截面简体，具有倾斜度，而是将烟囱考虑为等 万方数据 爆破 2 0 1 2 年3 月 截面筒体，其结果偏大。实践证明拆除切口中脊高 度若偏小则不能使烟囱顺利实现定向倒塌，出现 “似倒非倒”的危险，若偏大则增大了拆除危害控制 的工作量与施工的难度和强度。实现钢筋混凝土烟 囱顺利倒塌的拆除切口中脊高度从本质上讲不仅与 烟囱的壁厚有关，也不仅与烟囱的外半径有关。结 合钢筋混凝土烟囱的拆除实例对此问题进行说明。 1钢筋混凝土烟囱拆除切口中脊高度 的影响分析 1 ．1 拆除切口中脊高度的取值条件 钢筋混凝土烟囱实现定向倒塌的拆除切口中脊 高度应按顺序满足2 个条件 1 拆除切口上下边 缘闭合时，烟囱的重心应偏移出新支点； 2 拆除切 口闭合时烟囱在自重作用下对新支点形成的倾覆力 矩应大于薄弱面 拆除切口所对应圆心角最大处 的抵抗力矩。当拆除切口中脊高度满足条件 2 时，条件 1 就已经得到满足，所以钢筋混凝土烟囱 拆除切口中脊高度只需满足条件 2 即可。 1 ．2 拆除切口中脊高度的计算 当采用抛物线型切口时，由于切口的下截面为 薄弱面，所以烟囱倒塌时将从拆除切口的下截面处 破坏∞J 。设烟囱底部的内、外半径分别为 、R 。，顶 部的内、外半径分别为r 2 、尺，壁厚为6 。烟囱高度 为￡，拆除切口薄弱面距底部距离为z ，拆除切口薄 弱面处的内、外半径分别为r c 、尺。，壁厚为占。。拆除 切口中脊高度为h ，烟囱重心高度 取切口以上部分 的重心到切口薄弱面处的距离1 为z ，烟囱筒体结 构本身的倾斜角为0 ，当钢筋混凝土烟囱倒塌至拆 除切口闭合时，拆除切口闭合角为嘞。拆除切口闭 合后上部简体将以日点为新支点转动。如图l 所 示，以拆除切口最下沿余留支撑体 在烟囱拆除过 程中，当拆除切口形成后，在切口对面保留部分的圆 环筒体 与拆除切口边界为原点建立坐标系【J 7 ，8 【，重 心D 坐标为 ％，y D ，D O 与水平方向的夹角为风。 根据重心偏移条件，烟囱倒塌至拆除切口上下 沿闭合时，烟囱的重心偏移距离应大于薄弱面外半 径，可得 d x ；十圪c o s 风一a o R c 1 整理得 ％ ％ 2 砭 b 2 h 2 2 因为 b S 2 一h t a n0 3 将式 3 带入式 2 ，整理得 [ 如t a n0 一y D 2 一 t a n0 1 ] h 2 2 | s 2 [ 尺；一工； t a n0 x 0 圪] 矗 x 三一n 2 。 s ； 0 4 则 ．| l 墨[ 么塑互亟蔓三雯雯翠 壁墨2 竺翌二墨塾j 如t a n0 一％ 2 一磁 t a n0 1 5 其中 ． X D R cC O S 卢 6 ％ z 坠怒等苷镒簧黑筹等掣 ””早 月。R 。一譬鸟 9 式 5 即为满足拆除切口上下边缘闭合时，烟 囱的重心偏移出新支点的拆除切口中脊高度计算 式。烟囱在起偏、倾倒过程中，紧邻拆除切口处余留 支撑体瞬间产生巨大的压应力集中而压坏，支点在 移动，受拉区在不断变小，比计算公式中的S 偏大， 因此式 5 的计算结果偏小。 图l 拆除切口闭合时烟囱重心的偏移距离 F i g ．1 T h es h i f t i n gd i s t a n c eo ft h eg r a v i t yc e n t e ro f c h i m n e yw h e nt h ec u ti sd o s e d 拆除切口闭合瞬间，烟囱的倾覆力矩与薄弱面 的抵抗力矩的比较计算。尽管拆除切口闭合时，其 重心偏移距离也大于薄弱面外半径，但由于拆除切 万方数据 第2 9 卷第1 期 曹启坤，侯丽娜钢筋混凝土烟囱拆除切口中脊高度的计算 7 l 口在闭合瞬间，薄弱面的受力状态发生了较大变化， 由部分轴筋承受拉力转化为全部轴筋承受拉力，故 若能使烟囱克服薄弱面中钢筋的拉力而继续倒塌， 则应确保拆除切口闭合时，由烟囱自霞引起的倾覆 力矩大于薄弱面的抵抗力矩。对于钢筋混凝土烟囱 来说，这是实现烟囱顺利倒塌的霞要条件。否则，烟 囱就可能在拆除切口闭合时被薄弱面内的钢筋拉 住，出现“似倒非倒”的危险。 如图2 所示，拆除切口闭合时烟囱在重心位置 D 受到重力作用下对新支点B 形成的倾覆力矩应大 于薄弱面内的钢筋拉力作用的抵抗力矩。图3 为力 臂计算示意图。 图2 拆除切口闭合时烟囱的受力状态 F i g ．2 S t r a i n e dc o n d i t i o no ft h ec h i m n e y w h e nt h ec u ti sc l o s e d L 3 l 2 R c - - y 。n弋 ’n 百一＼H N 矿√ ‘＼≤杈力州 胙田 图3 力臂计算示意图 F i g ．3 T h ed i a g r a mo fc a l c u l a t i n ga 珊o ff o r c e 由分析可知，烟囱在拆除切口闭合时能继续倒 塌的条件为 m g L l T L 2C O “o L 3 1 0 式中，r 为余留支撑体内全部轴筋承受的拉力，整理 得 [ Bt a n 口一r a g ％ 2 一A 2 t a n 2 0 1 ] h 2 2 s 2 [ 8 m g ％一 f f A 2 t a nO ] h 铲一A 2 爰 0 1 1 式中 A z R c 一三一T S 2 m g R c 1 2 B m g X D 一邪2 1 3 则 。． 【扣磊再再面c 而开j 再而 B 2 一A 2 t a n0 一B m g Y 。] “’弋瓦而j 函≯j 而i 打可一 1 4 可以看出拆除切口的中脊高度与烟囱的结构 尺寸，拆除切口薄弱面位置，拆除切口所对圆心角， 余留支撑体轴筋承受的拉力有关，不仅仅与烟囱的 壁厚有关，这与传统的计算公式是有较大差别的。 式 1 4 可写成 。K S 24 罚弼■万j 而丁磊葡万 矿一A 2 t a n0 ．B w Y o ] “一 口t a n0 一．，I g k 2 ．A 2 t a n0 I K 1 1 5 式中，K 称为安全系数，为确保烟囱顺利倒塌又不会 有较大的施工量，建议取K 1 ．0 l ～1 ．3 。K 值也不 宜太大，否则增加了施工量和作业难度。 若为了增加烟囱的倒塌速度，或由于烟囱结构 上的原因实现上式计算的拆除切口中脊高度值有较 大的施工难度，则可通过预先切割余留支撑体内的 部分轴筋以减小r ，从而达到减小拆除切口中脊高 度的目的。 必须指出，拆除切口闭合时上部简体倾斜速度 已较高，即已经具有较大动能，上下沿的相互撞击使 部分钢筋混凝土材料在短时间内受到挤压破碎，实 际上也在一定程度上增加了拆除切口的中脊高度。 因此，当式 1 5 中K l 时，计算得到的拆除切口中 脊高度还不是最小值。从另一角度说，这也提高了 应用式 1 5 的可靠性。 2 有关工程实例的计算 拟拆除烟囱为原高2 1 0m 的钢筋混凝土简体结 构，整个筒体布设双层螺纹钢筋网，竖向钢筋为 咖2 2 3 2m i l l ，环向钢筋为咖1 8 ～2 0r a i n ，间距2 0 0 一 1 5 0m m 。经前期高空人工拆除，剩余7 5m 。标高 0 ．0 0m 处烟囱底部外径1 7m ，壁厚0 ．7m ；标高 万方数据 爆破2 0 1 2 年3 月 7 5 ．0 0m 处烟囱顶部外径8 ．6m ，壁厚0 ．5m 。剩 余钢筋混凝土烟囱体积约为l7 6 6m 3 ，质量约 44 1 5t ，考虑隔热层、防火层材料质量故取整体质量 为45 0 0t ，重心距薄弱面高度为3 0n l ，拆除切口所 对圆心角a 2 1 0o 。 2 ．1 根据条件 1 计算拆除切口中脊高度 将已知数据代入式 5 得h 2 ．3I i l ，即拆除切 口中脊高度至少应大于2 ．3n l ，才能保证拆除切口 闭合时烟囱重心的偏移距离大于薄弱面外半径。 2 ．2 根据条件 2 计算拆除切口中脊高度 按已知条件经计算有T 3 1 ．0 2 1 0 6N ，代入 式 1 4 得h 61 1 1 。 若取K 1 ．0 2 ，代人式 1 5 得h 6 ．1i n 。 实际工程中，采取了预先切割余留支撑体的部 分外层轴筋的前处理办法。沿倒塌方向轴线在后部 对称位置对余留支撑体的受拉侧钢筋进行部分切 断，高度在标高1m ，倒塌主轴的后方延长线的圆心 角3 2o 范围内的外侧钢筋切断，减少烟囱倒塌时 余留支撑体的抵抗力矩，有利于烟囱失稳倒塌；同时 形成深1 0 0m i l l ，高4 0 0n 1 I I l 的应力导向槽。余留支撑 体内剩余轴筋承受的拉力为T 2 5 ．4 9 1 0 6N ，取拆 除切口中脊高度为h 5 ．4I n ，烟囱实现定向倒塌。 3结语 ． 1 钢筋混凝土烟囱实现定向倒塌的拆除切口 中脊高度应按顺序满足2 个条件1 拆除切口上下 边缘闭合时，烟囱的重心应偏移出新支点；2 拆除 切口闭合时烟囱在自重作用下对新支点形成的倾覆 力矩应大于薄弱面的抵抗力矩。当拆除切口中脊高 度满足条件2 时，条件1 就已经得到满足，所以钢 筋混凝土烟囱拆除切口中脊高度只需满足条件2 即可。 2 满足上述条件确定的拆除切口中脊高度计 算公式与传统公式仅仅考虑壁厚相比更加精确，更 符合工程实际。 3 拆除切口中脊高度在未考虑烟囱是变截面 筒体的条件下的计算结果偏大，因此，考虑烟囱是变 截面筒体的计算结果有利于减小了拆除危害控制的 工作量与施工的难度和强度。 4 可通过预先切割余留支撑体内的部分轴 筋，达到减小拆除切口中脊高度的目的。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 王斌，梁开水，张建华．高耸建筑物定向爆破中切1 3 长度安全范围的研究[ J ] ．中国安全科学学报，2 0 0 4 ， 1 4 5 1 4 - 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