壳体理论在水压爆破中的应用.pdf

第 “ 卷第 期 年 月 爆破 “;,; ’ 8-9-;; ’ J; J; J;’K;-9 J; L’-K’- ’ HR;S’J; NP JPK-9，H ’ B, ’;K - BHLLH ;-9-;;-9 ’ L’RB,H’- ’ LJH9; S;9J ；JPK-9；L’RB,H’- ’ LJH9; S;9J 前言 对于具有壳体结构的建筑， 条件允许时采用水 压爆破是一种既经济又安全的拆除方法。多年的研 究和实践产生了许多可以应用的药量计算公式， 这 些公式大多是根据冲量或能量及两者结合来推导 的， 各种公式适用于不同的条件， 同时受到了限制。 现有的经验公式在实际应用中暴露出许多缺陷， 如 破碎不完全等。针对这一情况， 笔者从水压爆破的 受力分析入手， 利用工程力学中的壳体理论， 对水压 爆破中的药量计算公式进行了推导， 并应用于实践， 验证了它的有效性。 收稿日期 . . 0 作者简介 崔云航 （“1/ . ） ， 男； 南京 解放军理工大学工程 兵工程学院博士生 V 水压爆破机理 炸药水中爆炸过程可分为三个阶段， 即炸药的 爆轰、 冲击波的形成和传播、 气泡的振荡和上浮。水 压爆破时， 炸药在装满水的类似壳体结构中爆炸， 冲 击波迅速作用于内壁， 壳体变形膨胀。第一次冲击 波衰减后， 紧接着第二次冲击波继续作用， 以后的历 次冲击波一般较小， 同时存在着气泡的作用和空化 现象。根据 5HP’ 的壳体破碎理论， 壳体首先在外 壁处出现轴向裂纹， 并随着壳体膨胀， 裂纹逐渐张 大， 直至穿透内壁而导致壳体破碎。 4药量计算公式的推导 4壳体的应力分析 一般情况下， 壳体的通解比较复杂， 这里从比较 简单且理想化的薄壳的分析入手。设想从如图 薄 万方数据 壳面上取一个长方形元素， 其各边与该处的主应力 方向平行。此元素上作用着由主应力所形成的断面 力 和 “ ， 另外还作用有因为壳体两面的压力差 “ 形成的力 ， 它垂直于壳面， 与截面力的合力 平衡， 如图 。 图 “ 壳体面示意图图 壳体理论基本方程的推导示意图 显然有 “ “ ， 则 “ ““ “ 其中 为薄壳厚度。 ’ ’ ““ 根据平衡关系 ， 即 （ ’ “ “ “ ） “ ， 化简得 * ““* “ * ， 这就是静力情况下的应力状态， 其中将垂直于壳面 作用的应力相对于切向应力进行了省略。 爆破中方程的建立 实际上， 水压爆破中的内压不是常量， 这里做必 要的简化， 应用达兰贝尔定理， 化动力问题为静力问 题并列出方程。 同样在壳体上抽取一个长方形元素， 其各边与 该处的主应力方向平行。由于裂纹从外至内， 考察 其处于即将开裂临界状态的情形 （如图 ） 。 图 水压爆破中的元素力学示意图 考虑到爆破时壳壁作用的内压力以冲击波为 主， 薄层处于即将破碎的临界状态， 近似取 “， “ 。假定壳体内壁为壁为球形， 冲击 波为球面波， 弹性模量趋于无穷大，“ 取第一冲击 波的最大压力。应用达兰贝尔定理可得 , -. / ““ -. / 式中 为壳壁的密度，-. 为体内壳壁 0 . 处径 向质点速度。 ’ ’ ““ “ ““ “ 0““ 由 得 ’ 0 -. / （“） 那么控制方程组为’ 0 -. / 。 连续方程 ’ 0 ’/ ’- ’0 ， ’ ’/ - 0 （） 不可压缩方程 0 （） 屈服条件为 0 1 2， 由于 ， 且规 定向内为负， 所以0 2 。 运动方程 ’ 0 ’0 （ 0 ） 0 ’- ’/ （’） 对 （） 式微分得 0 / / （） 将 （） 式代入 （） 式， 则有’- ’0 - 0 ， 变形为 ’ ’0 （-0） 。 对上式积分后成为 - . 0 -.（） 把 （） 式代入 （’） 式可得 ’ 0 ’0 0 0 . 0 -. / （*） 为了简化求解， 上式右边第一项的0近似取为 2 ， 联立 （“） 式和 （*） 式， 消去 -. / 得 ’ 2 ［ . （“ . 0 ） , 0 . ］ . （“ . 0 ） 令膨胀系数 3“ 0 * .， 3 “ . （“ “ 3“） * ， 则 ’ 3 ,3“ 3 2（-） 一般情况下， 压力可以用下述公式 ［“］ ’ 4 5 “*3（ 6“* 0 ） “4“ （.） 式中’为在距离 处水中冲击波的最大压力 （/0） ；6 为 121 装药量 （34） ；3为折减系数。 将 （.） 式代入 （-） 式得 第 “. 卷第 期崔云航等壳体理论在水压爆破中的应用 万方数据 “ （ “ ’ ’“ ） “ （’） 式中 为壁体的屈服极限 （*） ； 为内壁半径 （） ， 若结构不是球形或圆柱形时， 等效半径 “ * ， * 为非圆形爆破体内容积横截面积；为 膨胀系数 “ , ， 据实验值， 壁体为钢筋混凝土 的水压爆破中， 取 ,’ - ,；- 为壳体等壁厚时的 厚 度（ ） ，壁 厚 不 等 时，等 效 壁 厚 - “ （ *- * . ） ， *- 为非圆形爆破体的横截面 积 （“） ；“ （ . ） - ， 为与壳体半径、 壁 厚和膨胀系数有关的系数；“为折减系数。 / . “ ’ 时，““’, - ’,.；/ . “ “ 时，““’,/ - ’,0；/ . “ / 时，““’,0 - ,’。其中 / . “ / ,’ 为相对沉深，/ 为装药沉深 （） ；,’为装药半径， 对 121 球形装药 ,’“ ’’。 工程实例 江苏南京化工厂储水池因改建需要拆除。水池 为钢筋混凝土立方体结构， 总容积为 “,“ ， 为 闭口式， 边长为 , ， 柱、 池壁、 底板和顶盖均采用 /1 号钢筋和 ’’ 号混凝土。水池外壁厚 ’,“’ ， 水池内 “十” 字形结构壁厚为 ’, ， 距此 /’ 处 为厂房。从拆除的各种因素考虑， 本工程采用水压 爆破。采取分散布药的方法， 布设两层药包， 考虑到 水池分为 . 格， 所以每一层可以在每格布设一个药 包， 对于单个药包运用上述公式计算。 取 ’ 3*，取 ,，“取 ’,0，- 取 ’,“’ ， 针对每一格， 4 ’,50 。则 “ （ . ） - “ “5 将各值代入公式 （’） 计算得“’/ 67。 实际单个药量取值为 ’, 67， 两层各为 . 个单 个装药， 共计 0 个药包， 总装药量为 ,/ 67。具体 布药如图 .8。 爆破按预定方案实施， 侧壁绝大部分粉碎破裂 并与钢筋分离， 抛出物距原地约 ， 厂房没有受到 任何破坏， 取得了圆满成功。 图 . 水池平面布药图 （单位 ） 图 水池立面布药图 （单位 ） .结语 初步工程实践表明， 根据壳体理论推导出的药 量公式比较符合薄壁型结构水压爆破实际， 对于水 压爆破的药量确定是一个有益的探索。在理论上对 于轴对称、 壁厚之间差值不大而且壁厚与半径之比 较小的其它结构也具有适用性。鉴于本文推导的公 式为单个装药量， 实际应用中应合理分析处理。 参考文献 ［］ 叶序双 8 爆炸作用理论基础 ［3］ 8 南京 工程兵工程学 院， 558 ［“］ 王礼立 8 应力波基础 ［3］ 8 北京 国防工业出版社， 508 ［］ 陈华腾 8 爆破计算手册 ［3］ 8 沈阳 辽宁科学技术出版 社， 558 ［.］ 范存政 8 工程力学 ［3］ 8 南京 工程兵工程学院， 558 / 爆破“’’“ 年 / 月 万方数据