内含解毒塔的不对称框架结构解毒房的定向爆破拆除 .pdf

doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2016. 06. 009 内含解毒塔的不对称框架结构解毒房的 定向爆破拆除 ❋ 费鸿禄① 周健华① 王高山② ①辽宁工程技术大学爆破技术研究院辽宁阜新,123000 ②中油管道建设工程有限公司河北廊坊,065000 [摘 要] 以沈阳铬渣无害化处理厂解毒房爆破拆除为工程实例,研究内含解毒塔的不对称框架结构的解毒房的 定向拆除爆破。 根据实际工程设计模拟方案,针对不同爆高和不同延期时间,采用 LS-DYNA 软件进行 4 种爆破方 案的模拟,经对比分析,得出最佳的爆破方案。 分析解毒塔下落过程可知,最后一排立柱起爆的时间要小于整体形 成有效倾角的时间,同时也要小于解毒塔的落地时间,起爆时间与爆高是解毒房顺利倒塌的关键。 理论计算解毒 房倒塌转角随时间的变化,与模拟较为符合;实际倒塌转角随时间的变化与模拟过程更为接近,采用 LS-DYNA 软 件可以较好地模拟爆破拆除过程。 [关键词] 爆高;延期;特殊结构;数值模拟;方案优化;定向爆破 [分类号] TU746. 5 1 工程概况 结合沈阳市铬渣无害化处理厂解毒房的定向爆 破拆除项目,采用 ANSYS/ LS-DYNA 模拟不同爆高、 不同延期时间时解毒房的倒塌过程[1],依此来指导 解毒房的拆除设计。 解毒房内有相对独立的解毒 塔。 起爆后,解毒塔失去原有立柱的支撑,在重力的 作用下开始下落。 所以,必须在解毒塔落到地面之 前使解毒房发生倾斜并形成有效倾角,最后一排立 柱起爆后,以最后排立柱为轴形成定轴转动[2],解 毒房带着解毒塔一起倒向爆破方向。 研究结果对类 似的爆破拆除工程具有参考价值。 1. 1 工程环境 沈阳市新城子区 30 万 t 堆存铬渣无害化处理 厂由铬渣磨粉系统和铬渣解毒系统两部分组成。 其 中,铬渣磨粉系统主要包括 1 座磨粉房和 7 座混凝 土仓;铬渣解毒系统主要由铬渣解毒房组成。 因场 地的需要,也为了及时消除安全隐患,决定将铬渣处 理厂房及混凝土仓进行爆破拆除,其中施工难度最 大的是解毒房。 铬渣解毒房东侧距厂区围墙 70 m;南侧距厂区 围墙 160 m;北侧距闲置厂房18 m;西侧紧临混凝土 仓,80 m 处上方有11 kV 的高压线通过,300 m 处有 高铁轨道。 爆区现场如图 1 所示。 图 1 爆区现场示意图单位m Fig. 1 Schematic diagram of blasting areaunitm 1. 2 解毒房结构 铬渣解毒房为钢筋混凝土不对称框架结构,如 图 2 所示。 南北方向长 13. 40 m;东西方向宽 12. 35 m;柱号 14为 9 层楼,高 37 m;柱号 45为 10 层楼,高 41 m;第一层高 5 m,其余各层每层高 4 m。 解毒房南北方向布置 3 排立柱、南侧东西方向布置 2 排立柱、北侧东西方向布置 3 排立柱。 南侧和北 侧承重立柱尺寸为 600 mm 600 mm,中间一排立 柱尺寸为 700 mm 700 mm,东北侧立柱尺寸为 400 mm 400 mm,梁尺寸为 200 mm 600 mm。 楼房内 在东南侧有一个由4 根5 m 高的立柱支撑的外径为 3 m 的解毒塔2 9 层,其外壁为15 mm厚的钢板, 44 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 6 期 ❋ 收稿日期2016-01-26 作者简介费鸿禄1963 - ,男,教授,博士,博导,从事工程爆破和地下工程方面的科研与教学工作。 E-mailfeihonglu163. com 通信作者周健华1990 - ,男,硕士研究生,从事工程爆破方面的研究。 E-mail635102956 qq. com 万方数据 a平面结构图 bA 向立面结构图 图 2 解毒房结构示意图单位m Fig. 2 Structure of the detoxification houseunitm 内衬为 600 mm 的耐火砖,总质量 300 t,直达楼顶, 立柱尺寸为 400 mm 400 mm,设有楼梯 1 个。 1. 3 爆破方案 根据解毒房的周围环境条件和结构特点,正东 方和正北方都有保留厂房,正西方向没有倒塌空间, 并且在 300 m 范围内有一条高铁和 80 m 处上方有 高压线通过。 正南方场地开阔,土质松散,对触地波 有良好的衰减作用,且满足倒塌距离。 经过比较多 种方案,最终采用正南向一次定向倾倒的爆破方案。 2 数值模拟 2. 1 模拟方案的预定 根据解毒房的结构形式以及楼层特点,爆高分 别选 9 m 和 13 m 两种,爆破切口为梯形切口图 3,对于 1、4、5柱子的切口高度分别为 9、5、2 m 和 13、9、2 m,解毒塔的 4 根 5 m 高立柱爆破时,爆 高直接选取 5 m,不再另行设置。 在雷管延期方面, 选择毫秒延期和半秒延期 2 种形式。 考虑到被爆结构的特殊性,在确定爆破方向的 基础上,针对不同爆高和不同雷管延期时间做了大 量的模拟试验,选出 4 组具有代表性的爆破方案进 行对比分析。 方案Ⅰ爆高为 9 m;采用 1 段、3 段、5 段半秒 延期导爆管雷管,延期时间分别为 0、1. 00、2. 00 s; 12柱子采用 1 段;34柱子采用 3 段;5柱子 采用 5 段。 方案Ⅱ爆高为 9 m;采用 1 段、3 段、5 段毫秒 延期导爆管雷管,延期时间分别为 0、0. 05、0. 11 s; 12柱子采用 1 段;34柱子采用 3 段;5柱子 采用 5 段。 方案Ⅲ爆高为 13 m;采用 1 段、3 段、5 段毫秒 延期导爆管雷管,延期时间分别为 0、0. 05、0. 11 s; 12柱子采用 1 段;34柱子采用 3 段;5柱子 采用 5 段。 方案Ⅳ爆高为 13 m;采用 1 段、7 段、11 段毫 秒延期导爆管雷管,延期时间分别为 0、0. 20、0. 46 s;12柱子采用 1 段;3 4柱子采用 7 段;5柱 子采用 11 段。 a爆高 9 m b爆高 13 m 图 3 解毒房爆破切口方案单位m Fig. 3 Blasting cut design of the detoxification houseunitm 2. 2 有限元模型的建立 根据工程实际,按照 1︰1 的比例建模,如图 4 所示。 为了简化模型,不考虑墙体对结构的影响,主 要由柱、梁、板以及地面构成整个模型。 图 4 解毒房有限元模型 Fig. 4 LS-DYNA model of the detoxification house 542016 年 12 月 内含解毒塔的不对称框架结构解毒房的定向爆破拆除 费鸿禄,等 万方数据 整个解毒房采用一个单元模型 Solid164[3],地 面采用刚性材料,具体的参数如表 1 所示。 表 1 模型材料参数 Tab. 1 Material parameters 材料名称 密度/ kgm -3 弹性模量/ Pa 泊松比 混凝土3 0002. 8 10100. 2 地面3 0003. 0 10110. 3 定向爆破拆除主要是破坏建筑物的承重立柱, 以达到倒塌的效果。 模拟中,采用在 ANSYS/ LS- DYNA 中添加关键字∗Mat_Add_Erosion 来控制立 柱材料失效[4];通过定义失效应变来控制建筑物各 立柱发生断裂或破碎的界限,从而模拟立柱被爆破 破坏的倒塌过程;当爆破切口形成之后,建筑物发生 倾斜至倒塌,并发生解体。 2. 3 模拟结果的分析 图 5 为方案Ⅰ数值模拟的解毒房倒塌过程。 由 图 5 可以看出,当前面 4 排立柱消失后,最大应力主 要分布在最后一排立柱和最顶层楼板上,解毒房发 生了倾斜;在最后一排立柱消失后,最大的应力分布 主要是在解毒房的上部结构和前排立柱,此时,解毒 房几乎不再发生倾斜,上部楼层在重力作用下下落、 破坏,8 s 时,解毒房仍未完全倒塌。 图 6 为方案Ⅱ模拟的解毒房倒塌过程。 由图 6 可以看出,毫秒延期的爆破切口几乎是瞬间形成,解 毒房在切口形成的瞬间发生了倾斜,切口形成后,楼 a t 1. 42 s b t 2. 36 s c t 6. 46 s d t 8. 02 s 图 5 方案Ⅰ数值模拟结果 Fig. 5 Numerical simulation results of Scheme Ⅰ a t 2. 38 s b t 3. 22 s c t 4. 26 s d t 8. 10 s 图 6 方案Ⅱ数值模拟结果 Fig. 6 Numerical simulation results of Scheme Ⅱ 64 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 6 期 万方数据 体不再继续倾斜,在重力作用下下落,与地面冲击破 坏,但是楼体在 6 s 之后几乎不再下落,直到模拟结 束,楼体依然屹立在原地未倒。 图 7 为方案Ⅲ模拟的解毒房倒塌过程。 由图 7 可以看出,由于是毫秒延期,爆破切口几乎瞬间形 成;此后解毒房几乎不发生倾斜,解毒房与楼板在重 力的作用下迅速下落,堆积在一起;8. 30 s 时,倒塌 基本结束,形成爆堆。 图 8 为方案Ⅳ模拟的解毒房倒塌过程。 同样是 毫秒延期,此时爆破切口形成较快,但比方案Ⅲ稍有 延时,最后一排立柱形成了铰链,解毒房带动解毒塔 倾向倒塌方向;在切口完全形成之后,解毒房已形成 有效倾角,上部楼体在重力作用下层层与地面冲击 解体;7. 80 s 时,倒塌基本结束,形成爆堆。 2. 4 模拟方案的对比 由于方案Ⅱ爆高较小,并且是毫秒延期,没有足 够的时间形成良好的倾角,导致解毒房最终未能倒 塌,以至模拟失败。 从倾斜角度看,虽然方案Ⅰ爆高小于方案Ⅳ,但 是方案Ⅰ是半秒延期,形成倾角时间较长,与方案Ⅳ 同样形成了较好的倾角;方案Ⅲ虽然爆高足够,但是 其延期时间过短,未能形成较好的倾角。 从后座情况看,方案Ⅰ由于是半秒延期,在前部 分立柱消失后,其质量主要集中在最后排立柱上,并 持续了半秒钟,在最后排立柱还没有消失之前,楼体 将后排立柱压断,继而形成部分后座;方案Ⅲ延期时 间较短,倾斜角度小,后排立柱下落触地后稍微出现 了一点后座现象;方案Ⅳ与方案Ⅲ相比,切口形成略 a t 2. 16 s bt 2. 82 s c t 4. 96 s d t 8. 30 s 图 7 方案Ⅲ数值模拟结果 Fig. 7 Numerical simulation results of Scheme Ⅲ a t 2. 62 s b t 3. 76 s c t 6. 34 s d t 7. 80 s 图 8 方案Ⅳ数值模拟结果 Fig. 8 Numerical simulation results of Scheme Ⅳ 742016 年 12 月 内含解毒塔的不对称框架结构解毒房的定向爆破拆除 费鸿禄,等 万方数据 有延时,形成较好的倾角,几乎没有发生后座。 从爆堆大小看,方案Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ的爆堆高度分别 为 8. 2、7. 4、6. 4 m,且方案Ⅰ最后并没有完全解体; 方案Ⅳ的爆堆和解体效果均优于方案Ⅲ。 综上所述,方案Ⅳ中设计的爆高和延时间隔参 数最为合适。 3 爆破方案 3. 1 爆破切口高度的设计 待拆解毒房为框架结构建筑,由于结构内有相 对独立的解毒塔的存在,为定向拆除爆破增加了难 度。 普通框架结构的爆高范围计算公式[5]如下 h≥Hc -H2 c-2l 2 2 。1 式中h 为切口高度,m;Hc为建筑物重心高度,m;l 为切口起点到终点的水平距离,m。 由式1可知建筑物倒塌的最小爆高 h 6. 1 m,爆破切口闭合后,建筑物会继续倒塌。 但考虑此 结构的特殊性,解毒塔的承重立柱为 2、3柱子,爆 破后解除约束的解毒塔在重力的作用下开始下落, 必须在其落地之前使整个结构体也发生倾斜并失 稳,使解毒房的倾斜带动解毒塔同时向设计方向倒 塌。 假设解毒塔下落为自由落体,则其下落时间为 t02h0/ g 1. 02 s,h0为解毒塔支撑立柱高度,单 位 m。 而实际中,由于楼板与解毒塔之间的摩擦以 及解毒塔失稳也要有一定的时间,故实际时间长于 1.02 s。 考虑到解毒房失稳倾倒时要形成较大的倾 覆力矩[6],结合模拟结果,故爆高取 13 m,由南向北 主要承重立柱爆高依次为 13、9、2 m 的梯形缺口。 3. 2 起爆顺序的设计 考虑结构的特殊性,结合数值模拟倒塌过程,采 用毫秒分段延时爆破,由南向北共分 3 段一层立柱 分别为 1、7、11 段,时间分别为 0、0. 20、0. 46 s;二层 立柱分别为 1、7 段;三层立柱采用 1 段。 所有炮孔 用雷管簇连后,再将导爆管、四通连接在同一网路 上,一次起爆。 3. 3 爆破参数的选取 1炮孔直径 d。 d 38 mm。 2最小抵抗线W[7]。横截面为600mm 600 mm 的立柱,最小抵抗线 W 取300 mm;横截面为700 mm 700 mm 的立柱,最小抵抗线 W 取 350 mm;横 截面为 600 mm 200 mm 的横梁,最小抵抗线 W 取 100 mm。 3炮孔布置。 对于解毒房两种截面尺寸的立 柱,均沿立柱横向以梅花型排列布设双排孔。 其中, 600 mm 600 mm 断面立柱,孔深为450 mm,孔距取 300 mm,排距 100 mm;700 mm 700 mm 断面立柱, 孔深为 500 mm,孔距取 400 mm,排距 150 mm。 4单孔装药量[8]。 Q qV。2 式中 Q 为单孔装药量,kg;q 为单位体积耗药量, kg/ m3;V 为炮孔担负的爆破体体积,m3。 根据计算结果,在解毒房一层选取 2 根不同截 面尺寸的立柱进行试爆,试爆采用 2岩石乳化炸 药,试爆效果见图 9,试爆参数见表 2。 a700 mm 700 mm 柱子 b600 mm 600 mm 柱子 图 9 立柱试爆效果图 Fig. 9 Tested blasting of the column 试爆现场图 9中,因立柱配筋复杂,箍筋密度 较高,试爆采用的炸药单耗偏小,未能充分破坏立 柱。 因此,为了达到整柱完全失稳的爆破效果,需要 增大炸药单耗,考虑到立柱根部受固定端约束导致 夹持作用大,立柱下端炮孔单耗要适当提高。 优化 后的爆破参数见表 3。 3. 4 爆破前的预处理 1以人工和机械的方式[9]将爆破缺口范围内 的外墙、隔墙拆除,将解毒塔的最下面两层部分人工 破坏掉。 表 2 试爆参数 Tab. 2 Tested blasting parameters 部位立柱截面/ mm mm 孔深 L/ mm孔距 a/ mm排距 b/ mm炮孔个数炸药单耗/ kgm -3 单孔药量/ g 一层700 70050040015021. 0200 一层600 60045030010021. 0150 84 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 6 期 万方数据 表 3 爆破参数 Tab. 3 Blasting parameters 部位立柱截面/ mm mm孔深 L/ mm孔距 a/ mm排距 b/ mm炸药单耗/ kgm -3 单孔药量/ g 一层 600 600 700 700 400 470 300 400 100 150 1. 2 1. 4 300 350 二层 600 600 700 700 400 470 300 400 100 150 1. 2 1. 4 300 350 三层 600 600 700 700 400 470 300 400 100 150 1. 2 1. 4 300 350 2在倾倒方向的最后一排立柱和前一排梁两 端用风镐破坏混凝土,露出钢筋,并用气焊割断钢 筋,长度为 20 cm,进行弱化处理。 3将解毒房附近的设备预先拆除,保证倾倒空 地足够,并将内部设备进行拆除。 3. 5 解毒房转角与时间关系的计算 解毒房是非对称的特殊框架结构,其倾倒过程 可以简化为定轴转动[10],切口形成后其重心高度 Hc ∑mihi ∑mi m1h1 m2h2 m3h3 m1 m2 m3 18. 84 m; 3 e ∑mixi ∑mi m1x1 m2x2 m3x3 m1 m2 m3 6. 88 m; 4 a e2 H2 c 20. 06 m;5 M ∑mi m1 m2 m34 936 350 kg。6 式中Hc为重心高度,m;e 为偏心距,m;a 为转轴到 冷却塔重心的距离,m;M 为转动部分总质量,kg。 将转动部分近似等效成同等质量的圆柱薄壳, 令其高度为 40 m,壁厚为 0. 6 m。 M πR2- r2lρ;7 R r 0. 6。8 式中l 为圆柱薄壳高度,m;ρ 为圆柱薄壳等效密度, kg/ m3;r 为圆柱薄壳内径,m;R 为外径,m。 解得 r 10. 02 m; R 10. 62 m。 Jr M 12l 2 3r2 782 082 878. 6 kgm2; 9 JR M 12l 2 3R2 797 365 818. 2 kgm2; 10 J JR- Jr15 282 939. 6 kgm2;11 θ0 arctan e Hc 20. 06; 12 t J 2Mgaʃ θ θ0 1 cosθ0- cosθdθ。 13 式中Jr为内圆柱薄壳的转动惯量,kgm2;JR为外 圆柱薄壳的转动惯量,kgm2;J 为整体的转动惯 量,kgm2;θ0为初始角度;θ 为倾斜转角;t 为转角 时间,s。 3. 6 工程实际与模拟方案的对比 结合模拟与实际的倒塌过程,选取 4 个特殊角 度与倾倒时刻进行对比,采用辛普森数值积分求得 转角理论时间,如表 4 所示。 表 4 解毒房倾倒的转角时间 Tab. 4 Collapse time and rotation angle of the detoxification house 计算方式 角度/ 24. 230. 637. 043. 4 理论计算/ s2. 382. 943. 463. 82 模拟结果/ s2. 663. 243. 724. 08 实际结果/ s2. 823. 484. 024. 46 从表 4 中可以看出,无论是在理论计算、模拟计 算还是实际倒塌过程中,解毒房的转速均是逐渐加 快的,理论倒塌的速度最快,其次是模拟结果,实际 的倒塌相比之下最慢。 这是因为,实际过程中,解毒 房在倒塌过程中会有一些阻力,还有楼体本身之间 的相互作用和触地后的减速等因素的影响;而理论 计算则不考虑这些外部因素,因而最快;模拟计算是 模型简化后近似的模拟倒塌过程,比理论接近于实 际,但又不能完全吻合于实际。 理论平均误差为 14. 84;模拟平均误差为 7. 14;由此可见,模拟 楼体的定向爆破拆除的倒塌过程具有较高的近似 性,对爆破施工具有较高的参考价值。 解毒房爆堆情况如图 10 所示,爆堆的大小主要 通过解毒房解体后的长、宽、高 3 个因素来确定。 解 毒房爆堆的实际参数和方案Ⅳ模拟的爆堆尺寸与倒 塌时间进行对比,如表 5 所示。 表5中,模拟结果的爆堆参数和实际结果基本 吻 合;其中,爆堆高度误差相对较大,为10. 71 。 这 是因为,本次模拟采用∗Mat_Plastic_Kinematic 塑性随动硬化模型来近似等效钢混材料模型[11]。 但实际中,由于混凝土配筋不同,楼体各部位的强度 942016 年 12 月 内含解毒塔的不对称框架结构解毒房的定向爆破拆除 费鸿禄,等 万方数据 图 10 解毒房爆堆图 Fig. 10 Blasting muck pile of the detoxification house 表 5 爆堆尺寸及倒塌时间参数对比 Tab. 5 Comparison of blasting heap parameters 项目 南北长/ m 东西宽/ m 爆堆高/ m 时间/ s 模拟结果39. 013. 76. 27. 8 实际结果42. 015. 05. 67. 6 误差/ 7. 148. 6710. 712. 60 也不一样;而模拟中,统一采用模型中的材料来计 算,导致了爆堆高度与实际数值相差 10. 71。 其 次,在实际倒塌中,墙体对解毒塔有一定的冲击作 用,将解毒塔压变形甚至将其压坏;而模拟中,为了 简化模型,没有设置墙体,导致解毒塔的破坏并不完 全,致使爆堆高度有所增加。 综合上述结果,此次模拟与实际的误差均在工 程允许范围内,可以证明此次采用 LS-DYNA 数值模 拟软件进行的模拟具有较高的可信度。 4 结 论 以沈阳铬渣无害化处理厂内含解毒塔的解毒房 爆破拆除为工程实例,通过 LS-DYNA 有限元软件, 模拟不同爆高、不同延期时间下的解毒房倒塌过程, 确定最优方案,并应用于工程中,得出主要结论 1爆破延期时间不同,立柱的失效顺序便有先 后之分,楼体发生倾斜的时间便不同;爆高决定楼体 倾斜的角度,爆高较小,楼体可能会发生倾而不倒; 合理地设置爆高和延期时间对楼房定向爆破拆除至 关重要。 2解毒塔失去承重立柱发生自由下落,最后一 排立柱起爆的时间要小于整体形成有效倾角的时 间,同时也要小于解毒塔落地时间,这样可以保证解 毒塔与解毒房同时倒塌。 3将实际结果与方案Ⅳ的爆破模拟结果进行 对比发现,模拟结果与实际倒塌过程基本相符,且爆 堆参数以及倒塌时间的误差均在工程允许范围内。 参 考 文 献 [1] 杨国梁,杨军,姜琳琳. 框-筒结构建筑物的折叠爆破拆 除[J]. 爆炸与冲击,2009,294380-384. 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