拆除爆破数值模拟与应用
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2.2 拆除爆破技术的现状

2.2.1 钢筋混凝土框架结构的爆破拆除

使固体介质破碎已不难做到,许多学者已进行了大量的研究,特别是积累了丰富的经验[37]。高大建筑物拆除的关键在于建筑物拆除倒塌过程和机理的研究。

冯叔瑜等学者、铁科院和工程兵学院依据结构稳定理论对钢筋混凝土框架和厂房拆除进行的工程研究得到了立柱应爆破的最小高度[23]。卢文波(1992年)提出了小型钢架失稳模型,将承重立柱爆破后的裸露钢筋骨架部分视作一个小型钢结构,提出基于结构力学的钢架失稳计算方法,以此确定立柱的最小破坏高度[38]。另外,对一些工程进行了结构倾倒过程的录像和高速摄影,记录了坍塌过程。贾金河(1999年)对杆系结构的爆破倾倒过程进行了计算机模拟分析[39]。铁道部第四设计院提出折叠式原地坍塌的爆破作业拆除方式,这种爆破拆除方式通过微差爆破来实现,从而降低了对拆除场地范围的要求[40]

中国科学院力学研究所根据结构构件内力分析确定破坏框架结点的数量、位置和解体的跨度,并建立解体塑性铰模型,计算了爆后构件运动,逐段解体的延期时间,并且成功地应用在高28m的混凝土框架结构的拆除上[41]

20世纪80年代以来,被拆除高度和规模不断创下新高[42],1995年2月在武汉市采用定向倾倒控制爆破拆除一座正在倾倒的高56m的18层框架大楼;2001年5月在周围环境狭窄而复杂的条件下,广州市成功拆除占地11000m2、总建筑面积43215m2的大型体育馆。

国外对拆除爆破作业研究也做了大量的工作[43][44],日本虽然由于国民和政府抵制拆除爆破,拆除爆破起步较晚,但学者们(1987年)对一幢六层钢筋混凝土结构住宅楼进行了比较全面的爆破拆除研究和详细分析。此外,木下雅敬做了壁、梁、柱构件的爆破拆除实验和倒塌实验;小林茂雄根据实验研究对钢筋混凝土爆破设计和实验的整个过程进行了详细分析。

2.2.2 砌体结构的爆破拆除

学者们认为:对于砌体结构,除破坏砌体中的钢筋混凝土立柱外,还应破坏砖柱和砖墙。铁道科学院根据房屋定向倾倒要求,计算出两堵承重墙必需的破坏高度,根据上部结构冲击解体所必需的重力势能,求得结构解体所需最小破坏高度。以此为依据,将原理运用于砌体砖房的拆除,取得了好的效果。

何广沂(1988年)提出,为了减小结构刚度、减少爆破钻孔和药量而在爆破前采用预处理,即对砌体结构在保证安全、结构稳定而不至倒塌的前提下,对结构某些部位外纵墙和横墙作预拆除处理;对粗大钢筋混凝土柱可采取预切割部分钢筋的措施。这些措施可以大大减少起爆雷管数量、起爆网络的复杂性,同时,减少装药量,达到减少爆破公害的目的[45]

2.2.3 高耸筒形结构的爆破拆除

烟囱、水塔等高耸形结构的拆除,一直是研究的热点,就国内情况来看,除非场地特别狭小而搭脚手架拆除外,城市绝大部分高耸结构采用爆破方法拆除,这种方法不但安全性好、成本低,而且速度快,显示出极大优势[46]

高耸筒形结构爆破拆除方法即在底部炸开一个切口,使其失去平衡,上部筒体在重力矩作用下定向倾倒,触地破碎解体。原地坍塌方式难度大,国外的失败教训十分深刻,一般少用。

许连坡(1985年)在对多个烟囱拆除实践基础上,对烟囱倾倒过程进行了力学分析,他认为烟囱不论是砌体结构还是钢筋混凝土结构均可简化为刚体,爆破切口形成后,上部筒体失去平衡而绕切口与预留筒壁交界处连线为轴作定轴转动,烟囱倾倒条件取决于质心对支点连线的倾角,可忽略初始角速度的影响。烟囱倾倒的转动导致内部出现剪力和弯矩,建立起折断前后运动方程和内应力计算公式,当应力超过材料强度时,筒体即被折断[47][48]

陈华腾(1998年)也将筒体视为刚体绕定轴倾倒而不区分是砌体结构还是钢筋混凝土结构[49]。林吉元等(1988年)对砖砌体爆破拆除烟囱的定向倾倒过程进行高速摄影观测研究,认为对于砖砌烟囱作为刚体绕切口与预留壁两端相交处连线为轴作定轴转动不符合实际[50]。Huang等(1995年)利用传感器对烟囱倾倒过程中,预留壁的复杂变形情况进行了实验研究[51]。李巨守(1996年)对定向爆破拆除冷却塔的过程作了研究[52]。何军(1998年)也对筒形结构定向爆破拆除倾倒力学模型进行了探索,已抛弃了绕切口和预留壁两端相交处连线为轴作定轴转动的观点,但未区分砖砌筒形结构和钢筋混凝土筒形结构倾倒力学模型[53]。费鸿禄(2000年)研究了风载对筒形结构定向爆破倾倒过程的影响[54]。叶国庄(1998年)在刚体作定轴转动假使下,对爆后筒体倾倒过程作了计算机模拟,这是国内期刊最早的计算机模拟拆除爆破结构倾倒过程的论文之一[55]

国内已对很多筒形结构实施爆破拆除[56],最高的成都热电厂的烟囱高达216m,另外已拆除180m、150m、120m高的烟囱多座,广东茂名石油化学公司一次拆除两座120m高钢筋混凝土烟囱。

国外对筒形结构的拆除也做了大量工作,为了构建烟囱爆破拆除专家系统,德国鲁尔大学的Stangenberg[57]进行了钢筋混凝土烟囱的爆破拆除实验和数值计算的研究。该研究是为了建造一个有关烟囱爆破拆除专家系统而作准备的。该研究从三个方面进行:①全规模现场测试;②小规模的实验室详细研究;③数值计算模拟。英国人(1981年)利用控制爆破技术在南非拆除了一座直径24m,高36m以下壁厚为0.96m,36m以上部分壁厚0.36m,全高270m的烟囱。