傘形水塔拆除爆破關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算與數(shù)值模擬*

葉家明，戴春陽，李洪偉,3，劉 偉,3

(1.安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 淮南 232001；2.安徽天明爆破工程有限公司，滁州 239000;3.安徽省爆破器材與技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，淮南 232001)

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，科技的不斷更新迭代，城市中的水塔也失去了其應(yīng)有的價(jià)值。這些水塔多為年久失修，存在較大安全隱患。為了消除安全隱患并且使城市有限的土地資源得到更好的利用，水塔的拆除成為必然趨勢(shì)。大多數(shù)水塔是由一個(gè)儲(chǔ)水裝置和一個(gè)圓形的筒，但因其筒體高度大，重心較高，支撐筒壁較薄，所以通過機(jī)械拆除難度系數(shù)大，爆破因其安全、高效并且經(jīng)濟(jì)所以經(jīng)常用于水塔拆除中。

牛玉學(xué)等通過對(duì)水塔自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及場(chǎng)地條件的分析，根據(jù)同類工程的施工經(jīng)驗(yàn)確定切口圓心角，并沒有進(jìn)行相關(guān)的理論計(jì)算[1]。鄧永興等在水塔拆除過程缺口圓心角的選取中也是通過經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算選取的[2]。周鳳儀分析了一個(gè)按照經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)參數(shù)導(dǎo)致水塔未能倒塌的案例，其主要原因就是未能分析水塔鋼筋布局，直接用經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)參數(shù)[3]。謝先啟等通過一般工程經(jīng)驗(yàn)，得出爆破切口高度和缺口大小，精細(xì)化設(shè)計(jì)，成功拆除了38 m的倒錐形鋼筋砼水塔[4]。謝瑞峰等通過經(jīng)驗(yàn)公式，壁厚與切口高度的一定關(guān)系及切口長(zhǎng)度與筒體周長(zhǎng)的關(guān)系得出相應(yīng)的切口高度和切口長(zhǎng)度，成功拆除水塔[5]。張松峰等人通過水塔的結(jié)構(gòu)和實(shí)際受力情況及鋼筋的失穩(wěn)情況及經(jīng)驗(yàn)公式得出爆破切口長(zhǎng)度和高度，成功拆除水塔[6-8]。

國(guó)內(nèi)有些爆破拆除城市復(fù)雜環(huán)境下的水塔的案例中，主要的相關(guān)參數(shù)大多是通過經(jīng)驗(yàn)公式得到的，并沒有通過理論計(jì)算來進(jìn)行分析，有些能夠一次性成功爆破拆除水塔，而有些因?yàn)楸脐P(guān)鍵參數(shù)選擇不合理，不能安全拆除水塔，帶來安全隱患。故選擇合理的切口圓心角大小、切口高度是水塔拆除的關(guān)鍵，它對(duì)爆破效果和爆破安全起到直接的影響，所以本文將通過對(duì)切口形成時(shí)鋼筋混凝土的應(yīng)力相關(guān)力學(xué)計(jì)算來確定切口圓心角的大小，通過剛度條件來確定切口的高度，并運(yùn)用到水塔拆除中。

1 爆破切口相關(guān)參數(shù)的計(jì)算

1.1 爆破切口圓心角的計(jì)算

水塔拆除方案中最常見的就是定向傾倒，拆除施工方便，倒塌效果也比較好。在水塔拆除過程中，對(duì)于切口的選擇一般是使用正梯形或倒梯形切口。在拆除爆破水塔時(shí)，由于梯形切口的底部界面會(huì)相對(duì)薄弱，在切口形成后最先遭到破壞，所以對(duì)切口底部截面處進(jìn)行著重分析。假設(shè)爆破切口圓心角為α，其圓心角對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)為L(zhǎng)，剩余截面的圓心角為β，如下圖1所示[9]。

(1)爆破切口生成后，剩余支撐體截面面積為

(1)

(2)剩余支撐截面的偏心距計(jì)算

(2)

考慮到水塔拆除的鋼筋因素，用下式計(jì)算e

[3(R1+r1)(π-α+μW)]

(3)

(3)剩余支撐部分截面對(duì)形心主軸的慣性矩

(4)

式中：r1為鋼筋到水塔筒心的距離；R1筒體外壁到水塔筒心的距離。

(4)在水塔傾倒初始時(shí)，傾倒力矩等于偏心距e與重力mg的乘積

(5)

式中：M為傾倒力矩；m為水塔爆破切口以上部分的質(zhì)量。

(5)取水塔切口截面受拉區(qū)端點(diǎn)F所受到的拉應(yīng)力與混凝土的極限抗拉強(qiáng)度相等的階段，即為極限平衡狀態(tài)。根據(jù)材料力學(xué)理論，結(jié)構(gòu)偏心受壓，F(xiàn)點(diǎn)應(yīng)力為[10，11]

(6)

F點(diǎn)處1個(gè)壁厚材料的面積為[12]

(7)

該處1個(gè)壁厚材料的最大抗拉能力為

Fmax=Sfct+Sμ0fst

(8)

式中：fct為混凝土的極限抗拉強(qiáng)度；fst為鋼筋極限抗拉強(qiáng)度；μ0為該點(diǎn)處的配筋率。

所以

(9)

在這種極限平衡狀態(tài)下，應(yīng)力條件為

(10)

同時(shí)，受壓區(qū)的最大壓應(yīng)力也應(yīng)該滿足

(11)

式中，fbc為混凝土的抗壓強(qiáng)度。

通過應(yīng)力條件對(duì)上面式(1)到式(11)的式中綜合運(yùn)用計(jì)算，可以計(jì)算出爆破切口圓心角α的值。

1.2 水塔爆破切口的高度設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)剛度要求計(jì)算切口高度，鋼筋混凝土爆破時(shí)，一般只使鋼筋周圍的混凝土脫離鋼筋，切口處的鋼筋還支撐著建筑上部結(jié)構(gòu)的重量。如果爆破切口的高度不夠，而鋼筋支撐力足夠大時(shí)，依然可以使鋼筋混凝土高聳建筑物炸而不倒。因此，要保證鋼筋混凝土高聳建筑物爆破后倒塌，切口處裸露鋼筋的長(zhǎng)細(xì)比應(yīng)大于規(guī)范規(guī)定的長(zhǎng)細(xì)比，即[13]

λ≥[λ]

(12)

式中：λ為鋼筋的長(zhǎng)細(xì)比；[λ]是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定的長(zhǎng)細(xì)比，一般取[λ]=150。根據(jù)材料截面的幾何特性的計(jì)算公式，鋼筋的長(zhǎng)細(xì)比為

λ=μh/i

(13)

式中：μ是軸心壓桿計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，剛性固定時(shí)μ=0.5；h是爆破切口高度，mm；i是鋼筋截面回轉(zhuǎn)半徑，i=d/4，而d為鋼筋直徑，mm。

將式(13)帶入式(12)中得

h≥d[λ]/(4μ)

(14)

綜上式(1)到式(14)，可以計(jì)算得到水塔拆除中的關(guān)鍵參數(shù)切口圓心角和切口高度的數(shù)值，對(duì)拆除方案設(shè)計(jì)中起到理論支撐。

2 水塔拆除的數(shù)值模擬

2.1 工程概況

擬拆除水塔的主體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地面以上至水塔傘蓋底端高度為27 m，建筑高度33 m，水塔重量為132.5 t，重心高度為16.5 m，水塔底部外半徑為1.26 m，內(nèi)半徑1.04 m，壁厚0.22 m，底部配置單層間距為10 cm的φ22Ⅱ級(jí)鋼筋為主筋，配筋率為0.2%。見圖2、圖3。

2.2 建模過程

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境，選擇在水塔下端0.5 m以上布置炮孔，形成爆破缺口。缺口上部自重為1298.5 kN，混凝土的極限抗拉強(qiáng)度2 MPa，混凝土極限抗壓強(qiáng)度為20 MPa，鋼筋極限抗拉強(qiáng)度為360 MPa。根據(jù)上述式(1)到式(14)，計(jì)算可得缺口對(duì)應(yīng)的圓心角為235°，切口高度為1.65 m。切口下部長(zhǎng)度為5.17 m，切口上部取切口截面周長(zhǎng)的1/2，為3.96 m。

本次建模使用ANSYS/LS-DYNA軟件，采用整體式模型對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，水塔整體使用SOLID164實(shí)體單元，*MAT BILINEAR ISOTROPIC材料模型。因?yàn)椴槐販y(cè)量地面的震動(dòng)速度，減少計(jì)算的時(shí)間和工作，所以選用剛體作為地面材料。水塔和地面的界面采取LS-DYNA里面存在的主動(dòng)單面觸碰演算模型。通過設(shè)置模型中缺口材質(zhì)的失效時(shí)長(zhǎng)，缺口材料在1 s時(shí)失效，模擬水塔的拆除爆破。

水塔傾倒的時(shí)間歷程模擬如圖4所示。

水塔的倒塌長(zhǎng)度和水塔倒塌方向是否發(fā)生偏移可以從水塔頂部的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移得出。取水塔頂部的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其位移如圖5～圖7。

通過圖5得出，水塔頂部節(jié)點(diǎn)最大水平位移(X軸)為35 m，水塔實(shí)際高度為33 m，水塔倒塌向前移動(dòng)了2 m。通過圖6得出，水塔頂部節(jié)點(diǎn)豎直方向(Y軸)最大位移為33 m，與水塔實(shí)際高度一致，倒塌充分。通過圖7得出，水塔頂部節(jié)點(diǎn)側(cè)方向(Z軸)在倒塌觸地前的最大位移為0.09 m，水塔按預(yù)期方向倒塌，未發(fā)生偏移。水塔整體倒塌效果符合預(yù)期，倒塌較好。

2.3 工程實(shí)際操作和模擬

水塔在實(shí)際施工過程中，爆破缺口采用正梯形，通過相關(guān)類似工程的經(jīng)驗(yàn)公式得出爆破圓心角設(shè)計(jì)為220°，切口長(zhǎng)度比為L(zhǎng)/S=0.61，周長(zhǎng)S為7.93 m，得到梯形大邊爆破切口長(zhǎng)度L為4.83 m，梯形切口短邊長(zhǎng)度L2為3.96 m，梯形切口高度為1.2 m。

根據(jù)工程上述的設(shè)計(jì)進(jìn)行施工，爆破結(jié)果如圖8所示。

如圖8所示，發(fā)現(xiàn)水塔爆破缺口中，鋼筋已經(jīng)發(fā)生大的變形，失去了承載能力，而支撐部分的混凝土未發(fā)生較大形變。剩余支撐部分強(qiáng)度仍能滿足要求，水塔未能倒塌。

由于在爆破方案設(shè)計(jì)時(shí)，爆破缺口的圓心角為220°，開口角度較小，預(yù)留支撐部分過多，爆破后，水塔的傾覆力矩小于水塔的支撐力矩，未能發(fā)生傾倒。

根據(jù)其設(shè)計(jì)方案給定的參數(shù)，對(duì)水塔也進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖9所示。

如圖9所示，水塔在2 s時(shí)發(fā)生了及其微小的傾斜，但是在8 s時(shí)還是沒有發(fā)生傾倒。與實(shí)際工程中的情形相符合。

而后在其在進(jìn)行二次爆破時(shí)，在保證對(duì)稱性的前提下，在定向窗的頂部外覆炸藥，爆破后，水塔發(fā)生傾倒，效果達(dá)到預(yù)期。爆破后效果如圖10所示。

3 結(jié)論

通過使用ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)水塔倒塌過程進(jìn)行模擬，運(yùn)用應(yīng)力條件和剛度條件計(jì)算得出的相關(guān)參數(shù)模擬的水塔順利按預(yù)期倒塌，其倒塌效果比較好，與實(shí)際工程中二次爆破后水塔的倒塌效果相符。而運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式得出的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行模擬的水塔未發(fā)生倒塌，與其實(shí)際施工中的實(shí)際情況是相符的。

在水塔拆除過程中，選用合適的計(jì)算方法得出的相關(guān)參數(shù)對(duì)水塔的成功拆除是至關(guān)重要的，運(yùn)用應(yīng)力條件和剛度條件計(jì)算水塔缺口圓心角大小及缺口高度等關(guān)鍵參數(shù)是可行有效的。利用ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)水塔拆除的模擬是行之有效的，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際施工具有指導(dǎo)意義。