杜耀志,郭天天

(國防科技大學(xué)指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院野戰(zhàn)工程系, 湖南長沙 410072)

非對稱結(jié)構(gòu)高聳建筑物爆破倒塌方向的實例驗算與分析

杜耀志,郭天天

(國防科技大學(xué)指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院野戰(zhàn)工程系, 湖南長沙 410072)

以某磚混結(jié)構(gòu)水塔為例,就非對稱高聳建筑物定向爆破倒塌方向進行了研究,建立了計算模型,分全塑性力學(xué)條件和彈塑性力學(xué)條件兩種情況進行了倒塌方向角度的計算。計算結(jié)果表明,所建立的模型基本正確,磚混結(jié)構(gòu)高聳建筑物在倒塌過程中確實存在中性軸以及受拉、受壓區(qū),并且彈塑性條件方法更適合于磚混結(jié)構(gòu)高聳建筑物的倒塌過程計算。

定向爆破;高聳建筑物;倒塌方向;計算模型;實例驗算

通常,按照爆破切口的對稱性將高聳建筑物爆破工程分為兩類:一類爆破切口的結(jié)構(gòu)對稱、材料均勻;另一類則存在煙囪排料口和水塔出入門等特殊結(jié)構(gòu),使得爆破切口結(jié)構(gòu)不對稱。針對第一類工程,經(jīng)過長期的實踐,行業(yè)內(nèi)已經(jīng)有了許多成熟且行之有效的處理方法。而在遇到第二類工程時則往往在倒塌方向上容易出現(xiàn)偏差甚至導(dǎo)致事故,為了找到更好的解決此類問題的方法,從理論對定向倒塌過程進行力學(xué)分析和計算則十分必要。

1 計算模型

對高聳圓筒形構(gòu)筑物進行爆破拆除的主要原理是通過在構(gòu)筑物底部某一高度處,采用爆破的方法開一個一定尺寸的切口,利用構(gòu)筑物本身的自重造成偏心受壓失穩(wěn)。

如果將爆破后切口上部部分作為一個獨立整體進行運算,則切口部分將存在一條分割受拉力和受壓力的中性軸。受拉部位的筒體端部材料將被拉斷破壞,而靠近切口處部分在構(gòu)筑物的倒塌運動過程中受壓破壞,切口上部筒體將圍繞切口處中性軸運動,按設(shè)計方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。一般來說,切口的高度與構(gòu)筑物的尺寸、結(jié)構(gòu)和材料等有關(guān),其截面示意如圖1所示。

圖1 爆破切口截面

在構(gòu)筑物爆破后,切口形成的一瞬間,如果對基于爆破切口所在的某一平面內(nèi)的受力情況進行分析,求出暫時起支撐作用的部分墻體各個部分對切口以上部分構(gòu)筑物的力矩的作用,然后與估算出的構(gòu)筑物切口上部自重所產(chǎn)生的傾倒力矩作用結(jié)合,運用理論力學(xué)的空間力矩運算規(guī)則,最后計算出所受的總的力矩的作用,則可以較為精確地判斷出構(gòu)筑物倒塌的方向。

2 幾點假定

煙囪、水塔等高聳結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物的爆破拆除是一個動力作用及破壞坍塌運動過程。從靜力學(xué)上看,這個過程存在壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)等作用效應(yīng);從動力學(xué)上看,還存在爆炸應(yīng)力波作用等效應(yīng)?？偟膩碚f,其作用效應(yīng)的影響因素非常多,內(nèi)在機理非常復(fù)雜,全面深入揭示其機理,需要從結(jié)構(gòu)、材料、動力作用等多方面進行理論研究、數(shù)值模擬以及實驗驗證。為了使計算不至于太過復(fù)雜,而另一方面又能保證計算結(jié)果的合理有效性,作如下假定,簡化坍塌過程中的受力作用。

(1)結(jié)構(gòu)中由同種材料組成的部分為均質(zhì)體;

(2)整個結(jié)構(gòu)處于簡單重力場作用中,不受其它作用載荷影響;

(3)爆破切口與保留部分相接的兩端點在同一水平面上,即支撐面為水平面;

(4)爆破后瞬間,爆破切口保留支撐面為全塑性變形或彈塑性變形。

3 工程實例

被爆破拆除的水塔位于某研究所院內(nèi),高 30 m,外直徑 5.5 m,壁厚 0.5 m,筒體為磚混結(jié)構(gòu),水箱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。水塔底部東南方向開有一個出入口,門框高 1.8 m,寬 1.0 m,材料為鋼筋混凝土,塔體完好無損,如圖2所示。

圖2 水塔結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)現(xiàn)場勘查,預(yù)定該水塔爆破傾倒方向為正北,爆裂口則無可避免的與出入門交匯,考慮到出入門門框的支撐作用,切口中心比原定的向東轉(zhuǎn)動 5.7°。

爆破參數(shù)如表1所示。起爆后,水塔失穩(wěn) 2 s后開始倒塌,水塔下部的磚混筒體以極快的速度解體,水箱重重的落在了地上。水箱破裂且未完全解體,需要進行二次破碎,周圍建筑物無任何影響,未發(fā)現(xiàn)有飛石拋出跡象。爆堆頂部向西偏移了 8 m,約15.5°。

表1 水塔拆除爆破參數(shù)

根據(jù)上述實例可得以下參數(shù):M=m g·R=101.45 ×105N·m,R=2.75 m,t=0.5 m,α=196°,β=164°,γ=101.76°,α1=31.12°,δ=4.2°。

另查表可知:普通磚墻密度ρz=1.8×103kg/m3,混凝土密度ρh=2.5×103kg/m3,受拉區(qū)磚墻抗拉強度 ft=4.0×105N/m3,受壓區(qū)磚墻抗壓強度 fp1=25.0×105N/m3,C20混凝土抗壓強度 fp2=134.0 ×105N/m3。

根據(jù)圖1,bc段內(nèi)除 b點、c點位置的兩塊近似三角形區(qū)域外的陰影部分區(qū)域即為受拉區(qū)。為方便敘述,將 bc,ab,cf,fd段分別設(shè)為ⅠⅡⅢⅣ段,各區(qū)段的受壓受拉情況見表2。

表2 區(qū)段及受壓受拉情況

4 全塑性力學(xué)條件下的實例計算

假定水塔在傾倒的初始時刻,支撐截面的受力狀態(tài)如圖3所示。

圖3 全塑性受力狀態(tài)

支撐部位受拉區(qū)域 (圖1中的 bc段)的磚塊與受壓區(qū)域 (ab、cf、fd)段的砌塊均達到屈服強度,Ⅰ段受拉區(qū)面積:

Ⅱ段磚混結(jié)構(gòu)受壓區(qū)面積:

Ⅲ段磚混結(jié)構(gòu)受壓區(qū)面積:

Ⅳ段磚混結(jié)構(gòu)受壓區(qū)面積:

從而得到各區(qū)對上部結(jié)構(gòu)作用的力矩大小:

進一步計算可得到:

算得偏角為:

5 彈塑性力學(xué)條件下的實例計算

根據(jù)彈塑性理論,以 g點的砌塊達到拉伸屈服強度,以及 a(d)點的砌塊達到壓縮屈服強度作為計算結(jié)構(gòu)極限彎矩的判據(jù)。假設(shè)支撐面與應(yīng)力按圖4分布,結(jié)合圖1,可以看出受壓區(qū)墻體內(nèi)所受力的作用從 g點到 b、c點連線所在的中性軸逐漸線性減小,從 a、d點到 b、c連線,墻體內(nèi)所受的壓力作用也逐漸線性減小。

圖4 彈塑性受力狀態(tài)

Ⅰ段磚混結(jié)構(gòu)受拉區(qū)所受力矩:

Ⅱ段磚混結(jié)構(gòu)受壓區(qū)所受力矩:

Ⅲ段磚混結(jié)構(gòu)受壓區(qū)所受力矩:

Ⅳ段混凝土結(jié)構(gòu)受壓區(qū)所受力矩:

進一步計算可得到:

最終算得偏角為:

6 結(jié)果分析

通過以上運算,得到了在全塑性條件下的倒塌方向偏離角度為ω1=11.913°,在彈塑性條件下的倒塌方向偏離角度為ω2=14.861°,而工程實例中,煙囪偏離預(yù)定倒塌方向的實際角度為ω′=15.5°。從計算結(jié)果來看,可以得到以下幾點結(jié)論:

(1)兩種計算方法所選取的力學(xué)模型基本正確,磚混結(jié)構(gòu)高聳建筑物在倒塌過程中確實存在中性軸以及受拉、受壓區(qū);

(2)在彈塑性條件下的倒塌方向計算方法求出的值誤差為 4.12%,小于全塑性條件下的倒塌方向計算方法求出的值的誤差 (23.14%),因而此方法較適合對磚混結(jié)構(gòu)高聳建筑物倒塌過程進行計算;

(3)計算過程中進行了簡化,忽略了一些因素,因而需要對公式計算的結(jié)果進行修正,由以上參數(shù)可得修正系數(shù)

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2011-06-26)