大型钢结构物聚能切割爆破技术研究.pdf

2 0 0 7 年4 月大型钢结构物聚能切割爆破技术研究蔡立艮等 大型钢结构物聚能切割爆破技术研究 蔡立艮王耀华周春华 史长根唐献述 解放军理工大学工程兵工程学院 江苏南京，2 1 0 0 0 7 [ 摘要] 上钢一厂钢结构厂房拆除工程是我国首次采用聚能切割爆破技术进行的大型钢结构物的爆破拆除。爆 破拆除的钢结构厂房总面积3 ．8 7 万平方米。爆破拆除工程解决了线性聚能切割器的设计与定型、爆破预处理设计 与施工、钢结构聚能切割爆破的方案设计、爆破安全防护等多项关键技术。工程爆破效果良好，爆破危害效应得到 了很好的控制。 [ 关键词] 钢结构爆破预处理线型聚能切割器 [ 分类号] T D 2 3 5 1 引言 上钢一厂不锈钢工程是国家重点工程之一，工 程是在上钢一厂原址上建设，原址上的厂房、设备不 能适应新的生产工艺，都需要拆除重建，拆除工程量 特别巨大，总拆除面积在1 0 万平方米以上，爆破拆 除钢结构厂房3 ．8 7 万平方米。上钢一厂钢结构厂 房的周边环境比较复杂东南侧吴淞煤气制气厂最 近距离1 0 0m ；南侧上钢一厂修理车间最近距离8 0 m ；南侧距办公大楼3 5 0m ；北侧为车间、锅炉间、配 电间、水处理厂、氮气包等，最近距离6 0m ；西侧距 最近的保护目标4 5 0m ，安全问题比较突出。 2 厂房结构特点 厂房布局如图1 所示。厂房西段三排立柱形成 二连跨结构；东段四排立柱形成三连跨结构。从纵向 看，厂房有三条沉降缝，这三条沉降缝将厂房分为五 个部分。 图1爆破总体方案示意 厂房横向平面结构如图2 、图3 所示。从横向 看，二连跨厂房为高低跨结构，其它部分为三连跨结 构。三连跨结构中间的过渡跨不是一个独立的结构， 它连接了两侧的主跨，起到增加厂房总体刚度和稳 定性的作用。 厂房在屋架上有大量纵向连接，使屋架成为一 个超静定的刚性结构；另外在纵向上有大量的管线 固定在立柱上，而且在爆破前厂房纵向吊车梁依然 图2 高低跨结构爆破方案示意 倒向 _ 图3 三连跨结构爆破方案示意 保留，这样厂房的纵向连接很牢固。 厂房有三种类型的钢立柱，分别为一阶格构式 钢立柱、二阶格构式钢立柱、一阶实腹式钢立柱。阶 梯式立柱的上部皆为实腹式，下部为框架柱，柱截面 在吊车梁平台处产生变化。A 排立柱高低跨部分7 根立柱为钢筋混凝土柱，中间有6 根立柱为实腹式 钢立柱，其余为双肢格构式立柱；B 排立柱全部为双 肢格构式立柱。A 、B 两排钢立柱主要材料为2 0 M n 。C ，D 两排立柱全部为格构式钢立柱，主要材料 为A 3 钢。厂房西端设置三根挡风立柱，A 、C 两排之 间的两根挡风立柱为砼立柱，C 、D 之间的一根挡风 立柱为实腹式钢立柱。格构式立柱承重肢上钢板厚 度有1 6m m 和2 0m m 两种，缀条主要为1 0 0 m m 1 0 0 m m 、厚度1 0m m 的角钢。 3关键技术研究 这项工程解决了线型聚能切割器的设计与定 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第3 6 卷第2 期 型、爆破预处理设计与施工、钢结构聚能切割爆破的 方案设计、大型钢结构聚能切割爆破安全防护等几 个关键的技术问题。 3 ．1 线型聚能切割器设计 在钢结构的爆破拆除中，首选的基本爆破器材 是聚能切割器。在此项工程中针对钢结构物组成构 件的材料和尺寸，将数值计算方法应用于线性聚能 切割器的初步设计，确定了合理的参数，然后进行定 型实验进一步优化。通过数值模拟大大减少了试验 的次数，降低了设计定型的成本，提高了设计效率。 3 ．1 ．1线型聚能装药的射流形成与侵彻能力的数 值模拟 在线型聚能切割器设计过程中采用欧拉型的流 体代码进行模拟[ 1 ] 。但针对本问题的特点，即线型聚 能装药在装药结构上具有对称的特性，经合理简化 后可将三维结构问题转化为二维结构问题进行分析 和求解。因此，在计算中选取交互式非线性动力分析 软件A U T O D Y N 一2 D 对射流形成、拉伸、侵彻等过 程进行全程模拟。 数值模拟采用的基本算法为欧拉型算法，主装 药、药型罩 含壳体 以及钢构件靶板均为欧拉型材 料。模型中使用的基本材料参数及材料模型如表1 。 装药采用与R 8 2 5 炸药相近的奥克托儿炸药，爆速 为8 4 8 0m ／s 。药型罩和壳体材料为铅合金，壳体厚 度为2 ．0 5m m ，药型罩厚度为1 ．7 6m m ，药型罩顶 角9 0 。。靶板为钢板，其弹性模量E 为2 0 4G P a 。炸 高设置为1 0m m 。 表1 数值模拟中采用的材料模型及基本参数 图4 为装药结构的计算网格及材料填充图，计 算采用的网格均为欧拉网格。图4 a 表示计算空间 的网格分布图，图4 b 为线型聚能装药与钢构件靶 板的相对位置图。图5 、图6 为射流形成过程的模拟 结果。图7 为射流侵彻靶板过程的模拟结果。 3 ．1 ．2 线性聚能切割器的定型 数值计算结果对于指导聚能装药爆炸切割钢构 件的实验研究以及在实际工程应用有重要作用。研 究采取的计算一调整实验参数一实验研究一调整计 算模型和相关参数一实验一定型一加工一工程应用 的思路。这种方法较好地整合了理论、实验和工程应 用的关系。 3 ．2 爆破方案设计 a 模型初始网格； b 切割器与靶板相对位置 图4 装药结构模型 图5￡一8 ．o p s 时刻切割器变形 图6 t 1 2 ．o 胂时刻射流与靶板相对位置 3 ．2 ．1 总体方案设计 采用外部装药一次爆破拆除近四万平方米的钢 结构物，对环境的影响太大，因此，根据厂房的结构 特点采取分块、多次爆破。整个钢结构厂房分三次爆 破拆除 图1 ，高低跨部分第一次爆破，三连跨部分 分两次爆破，东段 图1 ④、⑧部分 第二次爆破，中 间部分第三次爆破。 万方数据 2 0 0 7 年4 月大型钢结构物聚能切割爆破技术研究蔡立艮等 2 7 图7 射流侵彻靶板过程 3 ．2 ．2 高低跨结构爆破方案 高低跨排架结构物爆破时控制厂房向高跨一侧 倾倒 以下称向控制方向倾倒为向前倾倒 。倾倒方 向通过各排立柱起爆时差和高度差进行控制，主要 利用时间差进行控制，方案中利用半秒延期雷管进 行控制。高低跨面积不大，装药较少，在纵向上不再 进行延期。在装药设置上，在钢立柱的上中下三处设 置装药，这样既可以可靠地形成切口，又可以保证立 柱达到较好的破碎程度 图2 。 3 ．2 ．3 连跨结构爆破方案[ 2 ’3 ] 如图3 所示，在爆破前将过渡跨分开，形成两个 独立的单跨排架结构，向两外侧倾倒。倾倒方向通过 各排立柱起爆时差和切口高度差进行控制，主要利 用时间差进行控制。本方案中利用毫秒和半秒延期 雷管向上，前排采用瞬发雷管、毫秒雷管或半秒雷 管，后排用半秒雷管。由于爆破拆除的面积较大，装 药量较大，在纵向上必须分段。在纵向上，前排立柱 采用毫秒与半秒雷管延期，后排立柱采用半秒延期。 相邻段延期，纵向延期小于横向延期。 在装药设置上，在钢立柱的上中下三处设置装 药，上层装药设置在屋架以下吊车梁以上；中下层装 药都设置在吊车梁以下，这样既可以可靠地形成切 口，又可以保证立柱达到较好的破碎程度。 3 ．3 预处理技术研究[ 4 3 利用结构屈曲分析的有限元理论，实现了对复 杂结构、不规则构件的屈曲荷载与屈曲模态的分析， 提出了钢结构物爆破预处理设计的方法。 3 ．3 ．1 分析模型的建立 二肢未处理立柱结构和切除一肢后的三肢立柱 的基本结构如图8 所示。预处理之后立柱结构如图 9 所示。 图8未处理立柱的结构 图9预处理后立柱的结构 预处理后立柱形成上中下三处切口，中下切口 的处理方式相同，上切口位于上柱实腹式部分，处理 方式不同于下面的切口。在保证结构不发生屈曲的 情况下，不会改变结构的外力作用，因此结构的受力 方式与未处理的情况相同 图1 0 、1 1 。各个部分的 切口一般都设计成相同的高度。 图1 0 未处理立柱结构屈曲模态 图1 1处理后结构屈曲模态 3 ．3 ．2 结构稳定性分析的结果[ 5 1 表2 表示不同切口间距与切口高度的立柱屈曲 荷载。从表2 可以看出，在一定范围内 小切口的情 况 切口高度 对屈曲荷载的影响较小；切口的多少 和切口间距的大小对结构屈曲荷载影响较大。未处 理立柱的屈曲荷载为7 4t ；中下切口间距H 2 。5 m 时，屈曲荷载为3 3t ，屈曲荷载降低了5 6 ％；中下切 口间距日 5 ．o m 时，屈曲荷载为3 0t ，屈曲荷载降 低了6 0 ％；5 ．Om 间距的屈曲荷载比2 ．5 间距的屈 曲荷载降低了约9 ％。由此可见缀条切割对屈曲荷 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第3 6 卷第2 期 载的影响较大。 表2不同切口间距与切口 高度的立柱屈曲荷载 t 为了进一步说明缀条切割对屈曲荷载的影响， 计算了在日 5 ．o m ，保留中部切口处的两根缀条的 情况下结构的屈曲荷载，发现仅仅保留两根缀条，结 构屈曲荷载却增大了2 ％。 3 ．4 爆破危害效应研究及控制 在钢结构物聚能切割爆破中，由于采用外部装 药，爆破的冲击波、噪声和破片的危害特别突出。必 须采取防护措施。 3 ．4 ．1 冲击波和噪声的防护 爆破产生的噪声与爆炸冲击波实际上是一脉相 承的，当爆炸冲击波超压降到o ．0 2M P a 以后，就蜕 变为噪声，因此，只要采取措施将冲击波超压降下 来，噪声也自然会降低。 爆破安全规程规定，露天裸露爆破时一次爆破 的炸药量不得大予2 0k g ，并应按公式 1 确定空气 冲击波对掩体内避炮作业人员的安全距离。 风一2 5y 万 1 式中Q 一次爆破的炸药量，k g 。 秒延期爆破时，Q 按最大段药量计算；毫秒延期 时，Q 掺一次爆破的总药量计算。 根据防护最小安全距离，利用公式 2 [ 2 ’6 ] 提供 的冲击波超压计算方法，并结合相应的破坏等级标 准[ 6 ] 计算一次起爆的最大段药量。 地表裸露药包爆破超压计算公式 超压单位 P a 却 1 ．1 譬 4 。3 譬 1 4 等 1 0 5 2 爆破主要采取半秒延期雷管进行延期控制，将 最大段药量控制在1 8k g 以内，同时对每个装药用 木箱防护，如图1 2 所示。 箱体参数通过实验确定。 3 ．4 ．2 破片防护 线型聚能切割器爆炸 切割钢材，会产生两类破 图1 2 破片、冲击波、 片，切割器壳体生成的破 噪声防护示意图 片和切割爆炸时的震落破 片。 试验发现第一种破片颗粒很小，飞散距离在几 十米以内，携带的破坏动能很小，利用冲击波防护的 箱体就足以防护。第二类破片块度很大，一般在2 0 ～2 0 0 9 之间，携带的动能较大，飞散距离可达几百 米，甚至在千米以上，破坏严重。采取在切割器对面 设置厚木板进行防护，如图1 2 所示。具体的参数要 通过实验确定。 4 爆破效果 厂房按照预计的倒塌方式倒塌在设计的范围 内，爆破飞片控制在5 0m 范围以内，爆破噪声控制 在安全范围以内，爆破取得了圆满的成功。大大降低 了拆除成本、缩短了工期，取得了良好的经济效益。 中央电视台、上海电视台、东方电视台、解放军报等 新闻媒体以及几个影响较大的互联网站等进行了报 道。 参考文献 1 J o s e fH e n r y c h ，T h eD y n a m i c so fE x p l o s i o na n dI t sU s e [ M ] ．E l s e v i e rs c i e n t i f i cP u b l i s h i n gC o m p a n y ，1 9 7 9 2 冯叔瑜，吕毅，杨杰昌，等．城市控制爆破[ M ] ．北京中国 铁道出版社，1 9 8 5 3 陈骥．钢结构稳定理论与应用[ M ] ．北京科学技术文献 出版社，1 9 9 4 4P e t e rK o h n k e ，P h 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s e a r c h e da 1 1t h ek e yt e c h n i q u e s ，i n c l u d i n gt h ed e s i g na n dm a k i n go ft h e1 i n e a rf o c u s i n gb l a s t i n gc u t t e r ，t h es t r u c t u r ep r e t r e a t m e n t ，t h eb l a s t i n gp a t t e r nd e s i g na n d s a f e t yp r o t e c t i o n ．G o o dr e s u l t sh a v eb e e na c h i e v e da n dt h eh a r m f u le f f e c t so fb l a s t i n ga r eu n d e rc o n t r o l I e dw e l l ． [ K E Yw 0 R D s ]s t e e ls t r u c t u r e ，b l a s t i n g ，p r e t r e a t m e n t ，l i n e a rj e tc u t t e r 万方数据