薄壁式傘形水塔爆破拆除傾倒失穩(wěn)驗(yàn)算與實(shí)踐*

王云茂，羅福友，劉成敏，陶 明，張 鑫，肖國(guó)喜

(1.江西國(guó)泰五洲爆破工程有限公司，南昌 330096；2.江西國(guó)泰集團(tuán)股份有限公司，南昌 330096；3.江西省爆破工程技術(shù)研究中心，南昌 330012)

針對(duì)鋼筋混凝土煙囪、水塔配筋高、剛度大等特性，在爆破拆除時(shí)，若爆破切口圓心角過小，易爆而不倒；切口過大時(shí)，則易產(chǎn)生后坐，且倒塌方向不易控制。因此，國(guó)內(nèi)有關(guān)學(xué)者對(duì)于爆破切口大小和高度等要求，做了以下研究：

焦永斌等按傾覆力矩與余留支撐截面極限抗拉能力來(lái)驗(yàn)算切口高度[1]。畢衛(wèi)國(guó)等通過比較計(jì)算切口處暴露鋼筋的臨界應(yīng)力與鋼筋實(shí)際應(yīng)力值，確定切口高度和切口范圍是否合理，是否滿足傾倒條件[2-5]。張繼春等認(rèn)為[6]，保留截面近切口端受壓最大，其受到煙囪自重應(yīng)力超過其抗壓強(qiáng)度時(shí)，且保留截面的切口最遠(yuǎn)端的偏心傾覆力矩大于其抗拉作用時(shí)，水塔、煙囪能順利倒塌。譚靈等認(rèn)為支反彎矩大于保留筒壁的極限抗彎強(qiáng)度，且切口閉合時(shí)，被爆體重心偏出筒壁之外[7,8]。齊世福通過自重與保留截面支撐能力比較；自重、風(fēng)力等引起的彎矩與保留截面極限抗彎能力的比較驗(yàn)算切口大小是否合理[9]。賈虎等認(rèn)為鋼筋混凝土構(gòu)筑物定向傾倒的條件是上部重力產(chǎn)生的傾覆力矩大于余留截面和爆破切口方位裸露鋼筋的極限抵抗力矩，極限抵抗力矩由四個(gè)部分承擔(dān)，受拉區(qū)鋼筋的極限抗拉力矩、受壓區(qū)鋼筋的極限抗壓力矩、受壓區(qū)混凝土的極限抗壓力矩和切口部位裸露鋼筋的極限抗壓力矩[10]。言志信等[11]，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)原理建立了鋼筋混凝土煙囪在爆破后余留支撐部的應(yīng)力模型，分析了切口中性軸的變化規(guī)律和決定因素，提出用沖壓系數(shù)來(lái)考慮突加載荷的影響。鄭炳旭等[12]，分析了切口爆破后自重突加載荷在支撐部的受壓范圍，認(rèn)為在煙囪傾倒時(shí)支撐部受大偏心受壓脆性破壞而形成“塑性鉸”，其傾倒失穩(wěn)的名義保證率k≥1.5可判斷確保煙囪、水塔傾倒。

本文對(duì)于兩類經(jīng)典傾倒驗(yàn)算模型進(jìn)行分析，并提出了新驗(yàn)算模型。

1 傾倒驗(yàn)算模型

1.1 壓桿驗(yàn)算模型

原有簡(jiǎn)易失穩(wěn)傾倒驗(yàn)算模型主要是針對(duì)爆破高度的驗(yàn)算[1-5]，切口對(duì)應(yīng)的圓心角為 180°～240° 的同時(shí)，可將爆破切口內(nèi)的鋼筋視為細(xì)長(zhǎng)桿件，應(yīng)滿足壓桿的柔度屈服。

切口上部總荷載P，爆破切口處鋼筋直徑d，共n根，鋼筋彈性模量E。

爆破后每根裸露鋼筋(豎筋)的實(shí)際應(yīng)力為

σi=P/nS

(1)

式中：P為切口上部總載荷；N為切口處筒身豎筋根數(shù)，n根；S為豎筋截面積。

根據(jù)力學(xué)公式，壓桿的柔度極限為

(2)

臨界壓桿高度與臨界柔軟度之間存在以下關(guān)系

li=λid/4

(3)

代入相關(guān)參數(shù)計(jì)算可得到臨界壓桿高度li，爆破切口的大于臨界壓桿高度li時(shí)，設(shè)計(jì)符合倒塌要求。

大量實(shí)踐證明[13,14]，在滿足上述切口長(zhǎng)度與高度條件時(shí)，出現(xiàn)了爆而不倒的現(xiàn)象。首先，上述模型在得滿足切口圓心角為 180°～240°時(shí)，切口圓心角越小，對(duì)應(yīng)的裸露鋼筋受壓荷載越大，把煙囪和水塔的總荷載全部加載至爆破切口范圍內(nèi)的鋼筋上是不合理的；其次，未考慮預(yù)留支撐部位的拉力對(duì)倒塌的影響。

1.2 彎矩、應(yīng)力驗(yàn)算模型

言志信等建立了新的失穩(wěn)傾倒驗(yàn)算模型[11]，即：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)煙囪、水塔實(shí)現(xiàn)定向傾倒需滿足以下兩個(gè)條件。

彎矩條件：重力矩Mg必須足以克服支撐區(qū)域混凝土和鋼筋產(chǎn)生的拉力抗矩Ml和支撐抗矩Mz，即必須滿足

Mg≥Ml+Mz

(4)

應(yīng)力條件：在傾倒方向反側(cè)預(yù)留支撐體的最外側(cè)點(diǎn)產(chǎn)生最大拉應(yīng)力σt max必須大于筒體的最大抗拉強(qiáng)度f(wàn)t，而在預(yù)留支撐體的最內(nèi)側(cè)點(diǎn)產(chǎn)生最大壓應(yīng)力須要小于筒體最大抗壓強(qiáng)度f(wàn)c，即必須滿足

σt max>ft,σc max>fc

(5)

煙囪、水塔等薄壁結(jié)構(gòu)爆破拆除時(shí)，若未采取削弱其結(jié)構(gòu)處理，在爆破切口處的混凝土被掏出，但常出現(xiàn)鋼筋未產(chǎn)生變形，仍有較強(qiáng)的支撐作用，該模型彎矩條件未考慮爆破切口內(nèi)鋼筋產(chǎn)生的支撐抗矩。

1.3 新驗(yàn)算模型

為充分考慮預(yù)留支撐體及爆破切口內(nèi)鋼筋對(duì)煙囪、水塔的傾倒作用，建立新型驗(yàn)算模型如下:

彎矩條件：重力矩Mg必須大于支撐體混凝土砼產(chǎn)生的拉力抗矩Ml和支撐抗矩Mz1及爆破切口范圍內(nèi)鋼筋的支撐抗矩Mz2，即必須滿足

Mg≥Ml+Mz1+Mz2

(6)

Ml= 預(yù)留區(qū)受拉區(qū)鋼筋拉力抗矩+受拉區(qū)混凝土

Mz1=預(yù)留區(qū)受壓區(qū)鋼筋支撐抗矩+受壓區(qū)混凝土

Mz2=爆破切口受壓區(qū)鋼筋支撐抗矩=

式中：r0和R0為水塔預(yù)留截面的內(nèi)外半徑；fyt為鋼筋的極限抗拉強(qiáng)度；fyc為鋼筋的極限抗壓強(qiáng)度；ft為混凝土的極限抗拉強(qiáng)度；fc為混凝土的極限抗壓強(qiáng)度；u0為截面配筋率；en為任意時(shí)刻的偏心距；G為切口上部的重力。

一般認(rèn)為Mg/(Ml+Mz1+Mz2)≥1.5，可以保證順利倒塌。見圖1。

應(yīng)力條件：爆破切口形成瞬間，應(yīng)滿足預(yù)留區(qū)域壓應(yīng)力σc小于預(yù)留區(qū)域筒體最大抗壓強(qiáng)度f(wàn)′c，否則，爆破瞬間出現(xiàn)下坐，易影響倒塌方向。即必須滿足

σc

(7)

切口爆破瞬間，還存在突加載荷，切口上方的塔體會(huì)以突加載荷的方式迭加在支撐部上，有可能壓塌支撐部[12,15]。預(yù)留截面的爆破瞬間應(yīng)力和抗壓強(qiáng)度計(jì)算如式(8)和式(9)所示

(8)

f′c=u0fyc+(1-u0)fc

(9)

2 工程案例

2.1 水塔概況

某倒錐殼鋼筋混凝土水塔，支筒高35 m，水箱高5 m，總高40 m，底部外徑2.4 m，壁厚0.18 m，水箱直徑約10 m，水箱傾角45°，設(shè)計(jì)儲(chǔ)水量100 m3，水塔總重約174 t，檢修門洞寬0.6 m，高2.1 m。

支筒混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35，重108 t，水箱混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，重66 t。

支筒配筋：地面標(biāo)高0～6 m，72根φ25 mm螺紋筋，平均間距10 cm；箍筋為φ12 mm，間距30 cm。

φ25 mm螺紋筋：屈服強(qiáng)度335 MPa，抗拉強(qiáng)度為490 MPa，彈性模量E為200 GPa。

2.2 爆破參數(shù)

爆破設(shè)計(jì)參數(shù)：爆破切口圓心角：240°；切口高度：2.0 m；孔、排距：0.25 m；孔深：0.12 m；單孔藥量：30 g。

2.3 新模型驗(yàn)算

2.3.1 傾倒驗(yàn)算

174×103×9.8×1.2×cos 60° Nm=1.02×106Nm

預(yù)留區(qū)受壓區(qū)鋼筋支撐抗矩+受壓區(qū)混凝土支撐抗矩 < 預(yù)留區(qū)受壓區(qū)鋼筋拉力抗矩+受壓區(qū)混凝土拉力抗矩，因此

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，可知滿足式(6)要求。

2.3.2 防下坐驗(yàn)算

根據(jù)應(yīng)力條件要求，預(yù)留截面的極限抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于其所受的實(shí)際應(yīng)力，才能滿足防下坐要求。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(8)和式(9)，計(jì)算得截面應(yīng)力和極限抗壓強(qiáng)度如下

σc

2.4 爆破效果

爆破瞬間未造成下坐，由于爆破切口距地面較近，未形成明顯后坐，爆破按照設(shè)計(jì)方向順利倒塌。

3 結(jié)語(yǔ)

在爆破設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分了解被爆體結(jié)構(gòu)，尤其是配筋情況，對(duì)爆破切口的寬度、高度進(jìn)行驗(yàn)算，充分考慮預(yù)留支撐體及爆破切口內(nèi)鋼筋對(duì)水塔的反傾倒作用；且應(yīng)驗(yàn)算在預(yù)留截面處由于切口爆破瞬間產(chǎn)生的突加載荷，切口上方的塔體會(huì)以突加載荷的方式迭加在支撐部上，有可能壓塌支撐部，因此需要進(jìn)行防下坐驗(yàn)算。在保證預(yù)留截面有足夠的支撐強(qiáng)度的情況下，爆破切口圓心角盡量選取大值，更有利于水塔的順利倒塌。