雙切口同向倒塌拆除廠房的組合單體形成

雙切口同向倒塌拆除廠房的組合單體形成

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，炸藥法迅速拆除建筑物（結(jié)構(gòu)），并被廣泛使用。眾所周知,在人口稠密、環(huán)境復(fù)雜的市區(qū)進(jìn)行拆除,為減小爆堆范圍,多采用多切口爆破拆除。為了確保建筑物可靠倒塌,同時(shí)又必須保護(hù)周圍環(huán)境安全,因此急需研究爆破拆除樓房解體規(guī)律和爆堆形態(tài)。拆除樓房解體規(guī)律和爆堆形態(tài),長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)內(nèi)外很少有這方面的系統(tǒng)理論分析和專項(xiàng)研究。1989年,文獻(xiàn)定性敘述了定向傾倒的拆除建筑運(yùn)動(dòng)解體的過(guò)程和從經(jīng)驗(yàn)計(jì)算了爆堆的寬度。但是直至現(xiàn)今,還沒(méi)有從“建筑物倒塌動(dòng)力學(xué)”定量研究多切口拆除樓房?jī)A倒撞地解體的過(guò)程。因此,為了弄清樓房爆破拆除的解體規(guī)律,試圖從結(jié)構(gòu)傾倒下落的力學(xué)機(jī)理出發(fā),從撞地前后的多體功能原理,探索多切口解體樓房的運(yùn)動(dòng)和爆堆形成過(guò)程。1兩個(gè)切口分別破裂拆除了建筑物的爆炸堆1.1上、后期的組合狀態(tài)剪力墻和剪框結(jié)構(gòu)樓房,當(dāng)采用雙切口同向傾倒時(shí),上切口的高度一般在3層以下,比下切口小;若樓房上體(段)的自重接近或者超過(guò)樓房下體(段)的自重,當(dāng)采用下行起爆順序(先炸上切口)或時(shí)差1.0s內(nèi)的上行起爆(先爆下切口)時(shí),上下切口爆破后,樓房上體的后推力減緩了樓房下體的前傾轉(zhuǎn)動(dòng),卻加快了上切口的閉合,通常在下切口閉合前,上切口已經(jīng)閉合,并且樓房上體在空中沿下體前頂面翻落的可能性減少,上、下體在空中就難于完全離散,而形成上下體迭合的樓房有根組合單體著地狀態(tài),如圖1(b)所示。樓房的這種狀態(tài),已為數(shù)值摸擬所證明。參見(jiàn)文獻(xiàn)中6.3.8.3節(jié)“剪力墻雙體同向傾倒”和第5章“多體—離散體動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬”。只要在下切口閉合撞地前,保持唯一的有根組合單體,而該單體僅有一個(gè)自由度,根據(jù)文獻(xiàn)6.5節(jié)提出的多體的功能原理,則該自由度單體的機(jī)械能略小于多體初始下落的總機(jī)械能,其比值為ηe。由此就可以用ηe的總機(jī)械能,近似作上、下體落地姿態(tài)判斷,并最后確定爆堆尺寸。1.2爆破過(guò)程中的能量平衡設(shè)下切口先爆破he1,剪力墻豎直下落he1,樓房撞地下坐hp1(后支撐破壞hp1),樓房總高降至H-he1-hp1,見(jiàn)圖1(a),參見(jiàn)文獻(xiàn)中7.4.2節(jié)“剪力墻下坐及起爆次序”,則剪力墻樓房撞地后的轉(zhuǎn)速˙qq˙e,見(jiàn)文獻(xiàn)中式(7.28)。上切口爆破,上下體同向傾倒,上切口閉合后,由沖量(矩)守恒得有根組合單體轉(zhuǎn)速˙qe=[(m1v1c+m2v2c)(sinq12cosqco+cosq12sinqco)rco+˙q1Jc1+˙q2Jc2]/Jo(1)q˙e=[(m1v1c+m2v2c)(sinq12cosqco+cosq12sinqco)rco+q˙1Jc1+q˙2Jc2]/Jo(1)式中:m1、Jc1、˙qq˙1、v1c和m2、Jc2、˙q2、v2c分別為樓房下體和上體的質(zhì)量,103kg和轉(zhuǎn)動(dòng)主慣量,103kg·m2;轉(zhuǎn)速,/s;兩體質(zhì)心連線上的速度,m·s-1;q12為質(zhì)心連線與鉛垂線的夾角;yec、qco、rco分別為組合單體質(zhì)心高和對(duì)地中性軸o(x坐標(biāo)a)連線與鉛垂線的夾角和距離;Jo為組合單體對(duì)o的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,103kg·m2;˙q1和˙q2見(jiàn)文獻(xiàn)中式(6.72)動(dòng)力方程和第5章數(shù)值求解。對(duì)應(yīng)機(jī)械能Ue=(m1+m2)yecg+Jo˙q2e/2(2)上切口閉合前的機(jī)械能Uo=y1m1g+(l1+y2)m2g+Jb˙q2/2(3)式中:Jb為下切口爆破時(shí)樓房對(duì)中性軸o的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,103kg·m2;y1、y2、l1分別是樓房下切口爆破下坐時(shí),上下體質(zhì)心和下體高(相應(yīng)切口底部豎向y坐標(biāo)值)。見(jiàn)圖2所示。上切口閉合前后能量比ηe=Ue/Uo(4)本實(shí)例樓ηe在1～0.91之間,上下切口爆破時(shí)差(0.5～1.5s)越大、上切口角越小,ηe也越大。ηe也可以用下體不動(dòng),上體轉(zhuǎn)動(dòng)切口閉合的能量界限模型,計(jì)算出剩余能量界限下值ηec;即式(1)中˙q1=0、v1c=0時(shí)的ηe為ηec,而雙體傾倒模型的ηe=ηec+dη,上行起爆dη為0～0.02,下行起爆dη為0～0.08,上切口越大,爆破時(shí)差越小,dη取大值。界限模型的上體轉(zhuǎn)速˙q2見(jiàn)文獻(xiàn)中6.3.4節(jié)“高聳建筑物的單向傾倒”的顯式公式(6.37)求解。當(dāng)已知ηec再推定近似ηe,就無(wú)需式(1)、式(2)和式(4)。下切口閉合前的機(jī)械能U=Uoηe-yc(m1+m2)g(5)上下切口閉合時(shí)的總質(zhì)心C的位置xc、yc,見(jiàn)文獻(xiàn)中7.4.1.2節(jié)。以下x坐標(biāo),都以中性軸o為原點(diǎn)。而機(jī)械能形成的轉(zhuǎn)速˙q0=√2U/Jo(6)質(zhì)心C水平速度vx=rc˙q0cosq0質(zhì)心C豎直速度vy=-rc˙q0sinq0(7)根據(jù)對(duì)閉合撞地點(diǎn)f1的沖量矩定理,下切口閉合后的轉(zhuǎn)速˙qf1=˙q0Jc/Jf1+(m1+m2)rf1?(vxcosqf1+vysinqf1)/Jf1(8)式中:qf1為質(zhì)心C對(duì)f1連線的與鉛垂線夾角,R°;文獻(xiàn)中式(7.41)應(yīng)修改為式(8)。同理,文獻(xiàn)中式(3.32)、式(7.70)和式(7.109)也應(yīng)相應(yīng)修改。Jc和Jf1分別為組合單體的主慣量和對(duì)f1點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。下切口閉合后的整體動(dòng)能Τf1=Jf1˙q2f1/2(9)當(dāng)總質(zhì)心C和f1的坐標(biāo)滿足xc>xf1(10)上下體共同翻倒當(dāng)xc≤xf1,但Κfw1=Τf1/{[rf1(m1+m2)g(1-cosqf1)+Et1]Κ′f}≥kw(11)上下體可能共同翻倒,但也可能上體沿下體頂前角f2翻倒,但下體不翻倒。式中:kw為翻倒保證率,取1.5。kf為上下體或下體與地面的接觸阻尼系數(shù),取1.15。Et1,Et2分別為下、上切口支撐部鋼筋拉斷所需做的功,見(jiàn)文獻(xiàn)中7.4.1.2節(jié)。若要判斷下體也跟隨翻倒,在下切口閉合后,由于式(11)成立,上體必定向下翻倒,并可能形成雙體運(yùn)動(dòng),這只能通過(guò)數(shù)值求解雙體動(dòng)力學(xué)方程組,才能精確判斷下體是否同時(shí)翻倒。由于上下體都翻倒的爆堆前沿較寬,滿足式(11)時(shí)均判斷為上下體翻倒的爆堆,留有了充分的爆堆分布較寬的余地,因此在工程上是安全的。若Κfw1≤1(12)下體不能翻倒,但還應(yīng)判斷上體是否翻倒。當(dāng)上體質(zhì)心C2的x坐標(biāo)χ2c＞χf2(13)上體翻倒當(dāng)χ2c≤χf2且Κfw2=Τ2/{[r2fm2g(1-cosq2f)+Et2]kf}<kw(14)上體不一定能翻倒式中:χf2和yf2分別為下切口閉合時(shí),上切口閉合點(diǎn)f2的χ和y坐標(biāo)值;上體質(zhì)心C2到f2、f1的距離,C2f2連線的與鉛垂線夾角和C2f1連線的與鉛垂線夾角分別為r2f、r2f1、q2f、q2f1,和主慣量Jc2,見(jiàn)文獻(xiàn)中7.4.1.2節(jié)。上體質(zhì)心C2在下切口閉合后的速度水平分量v2cx和速度豎直分量v2cy為v2cx=r2f1˙qf1cosq2f1v2cy=r2f1˙qf1sinq2f1(15)上體在下切口閉合后的動(dòng)能Τ2=Jc2˙q2f1/2+m2(v22cx+v22cy)/2(16)而當(dāng)x2c≤xf2,且Κfw2≥kw(17)滿足式(17)和式(12),上體仍保證翻倒,而下體不能翻倒。從以上分析可見(jiàn),增大下、上切口角β1和β2,都可以增大χc,但以增大β1最為顯著,更能滿足式(10);同理增大β1使式(11)和式(17)更易滿足,即或下體不翻倒,從式(17)中可見(jiàn),上體也更易翻倒。因此增大下切口角β1,是最主要的促使雙切口剪力墻翻倒的措施。以上各式判斷的上體翻倒,在翻倒過(guò)程中,當(dāng)質(zhì)心C2越過(guò)f2豎直線后,都可能沿f2點(diǎn)又同時(shí)向下滑動(dòng)。當(dāng)上體不能繞下體前頂面翻倒,但也有可能沿下體頂面,向前下方滑動(dòng)。上切口閉合后,下切口閉合產(chǎn)生沖擊,其上體滑動(dòng)模型,見(jiàn)圖3所示。下切口閉合后,上體沿下體頂面動(dòng)量為Ιβ1=m2˙qf1r2f1[cos(q2f1-β1)+fsin(q2f1-β1)](18)式中:f為下體頂面摩擦系數(shù),取0.6;而動(dòng)量Iβ1引起滑動(dòng)的動(dòng)能Τβ1=Ι2β1/(2m2)=m2˙q2f1r22f1[cos(q2f1-β1)+fsin(q2f1-β1)]2/2(19)上體沿下體頂面滑動(dòng),其質(zhì)心C2滑出χf2所需的動(dòng)能Wβ1=m2g(fcosβ1-sinβ1)(xf2-x2c)/cosβ1+E2f(20)式中:E2f為滑動(dòng)拉斷上切口支撐部鋼筋所需作的功,見(jiàn)文獻(xiàn)中7.4.1.2節(jié)。Κfβ=Τβ1/Wβ1≥ksw(21)式中:ksw為滑動(dòng)保證系數(shù),取1.5。滿足上式時(shí),上體質(zhì)心C2將滑出下體頂面。而后上體又同時(shí)繞f2下旋轉(zhuǎn)動(dòng),而迭落在下體前方。如果式(11)、式(17)和式(21)式均滿足,則上體翻倒并同時(shí)沿下體頂面下滑。如果式(21)不滿足,則上體質(zhì)心C2不會(huì)或不一定會(huì)滑出下體頂面。上體沿下體頂面前滑,下體頂面前角點(diǎn)f2多會(huì)嵌入上體,下切口閉合引發(fā)的上體沖量,將不能抵抗剪力和彎矩的上體縱墻破壞,上體的重載將全部轉(zhuǎn)移到所剩其他支撐構(gòu)件上,而引發(fā)進(jìn)一步壓碎破壞。三切口同向傾倒剪力墻拆除,當(dāng)中切口上方的中體,沿下體頂面前滑時(shí),中體破壞也最為嚴(yán)重。當(dāng)式(12)和式(17)、式(21)滿足,上體將翻倒而下體不翻倒。上體翻倒而下體沒(méi)有翻倒的爆堆形態(tài)如圖4所示。將傾倒樓房原前柱之前的爆堆寬,簡(jiǎn)稱為爆堆前沿寬,即Lf2=(B-a)(1/cosβ1-1)+(Η1-hcu1-hcf1)sinβ1+yf2tanβ2+Η2-hcu2(22)式中:β1、H1、hcu1和β2、H2、hcu2分別是下、上體的切口閉合角(R°)、體高(m)、切口高(m);hcf1為下切口閉合時(shí),前墻破碎高,m;βh為下切口閉合時(shí),前墻傾斜角,βh=β1;B為樓寬,m。爆堆最大高度hd2=max[B,(Η1-he1-hp1)cosβ1](23)當(dāng)樓房整體質(zhì)心C滿足式(12),而上體質(zhì)心C2又滿足式(14),不滿足式(21)時(shí),上體和下體都不能或不一定能翻倒,且上體也不能或不一定能滑落。爆堆形態(tài)如圖1(b)所示。爆堆前沿寬Lfo=(B-a)(1/cosβ1-1)+(Η1-hcu1-hcf1)sinβ1+(Η2-hcu2)sin(β1+β2)+B(1/cosβ2-1)cosβ1(24)爆堆高度hdo=(Η1-he1-hp1)cosβ1+Η2cos(β1+β2)(25)當(dāng)樓房整體質(zhì)心滿足式(10)和式(11),上體將翻倒,大多下體也將翻倒。當(dāng)上體翻倒,下體也翻倒時(shí),爆堆形態(tài)如圖5。爆堆前沿寬爆堆最大高h(yuǎn)d1=B+2hf1(27)式中:hf1,hf2分別為下、上切口前堆積高,m。上體從下體上翻倒時(shí),由于上體自重促使下體前頂角向上體內(nèi)的嵌入,上體樓房切口層多已破壞,實(shí)際爆堆Lf1比式(26)值偏小,實(shí)際爆堆Lf2比式(22)值偏小。上體下體同時(shí)翻倒著地后,還應(yīng)驗(yàn)算上體樓房,是否可能再向前翻轉(zhuǎn)而樓頂著地,如圖6所示。同理,上體對(duì)t點(diǎn)的再翻倒動(dòng)能為T2t,見(jiàn)文獻(xiàn)中7.4.1.2節(jié)式(7.76)。當(dāng)Κwt=Τ2t/[r2tm2g(1-cosq2t)]<1/kws(28)保證上體不可能向前再翻倒。式中安全系數(shù)kws=1.5;r2t、q2t和Jt2分別為上體C2對(duì)t點(diǎn)的距離、C2t的與鉛垂線夾角和對(duì)t的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;上體再翻倒的爆堆前沿寬Lt=(B-a)(1/cosβ1-1)+Η1-hcu1-hcf1-hcu2+hf2+B(29)爆堆最大高度hdt=max(Η2,B+2hf1)(30)雙切口同向折疊傾倒后滑的爆堆后沿寬Bbd,可根據(jù)文獻(xiàn)的7.4.1.1節(jié)剪力墻后墻后滑距離Bb計(jì)算。剪力墻和框剪結(jié)構(gòu)樓房,當(dāng)欲盡可能縮小倒塌前沿寬Lf,可采用上下切口反向傾倒,爆堆尺寸可見(jiàn)文獻(xiàn)7.4.1.2節(jié)計(jì)算。剪力墻和框剪結(jié)構(gòu)樓房,當(dāng)采用切口爆破拆除時(shí),工程上多重視最下兩切口的狀態(tài),而其他切口實(shí)際多先閉合,或?qū)Ρ雅袛嘤绊懖淮?。其運(yùn)動(dòng)各體著地位置,倒塌姿態(tài)判斷和爆堆形態(tài)計(jì)算,可參照上述雙體剪力墻樓房對(duì)其判斷原理和計(jì)算方法進(jìn)行。框架樓房,多切口爆破拆除時(shí),其爆堆形態(tài),可按剪力墻雙切口爆破拆除時(shí),各體位置、倒塌姿態(tài)的力學(xué)條件,判斷框架樓房各體著地位置,再以文獻(xiàn)中7.5.3節(jié)“框架爆堆及判斷”所述,計(jì)算框架各個(gè)單體著地時(shí),各體破壞狀況,和爆堆最終形態(tài)。本節(jié)的爆堆范圍,是指建筑結(jié)構(gòu)坍塌著地的范圍,坍塌時(shí)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)和破壞所產(chǎn)生的個(gè)別飛石范圍,還要在計(jì)算結(jié)構(gòu)倒塌爆堆范圍外推5～10m,并視構(gòu)件著地速度和前沖速度而選取。1.3工程模型假設(shè)以青島遠(yuǎn)洋賓館的爆破拆除參數(shù)為例,參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)中7.4.1.2節(jié),計(jì)算現(xiàn)澆剪力墻樓房雙切口同向倒塌并姿態(tài)判斷。雙切口同向傾倒,采用上行起爆,時(shí)差小于0.5s時(shí)。上切口炸2層,下切口分別炸2、3、4層,即分別下切口高h(yuǎn)cu1=6.5m、9.8m、13.1m;分別對(duì)應(yīng)的下切口角β2=0.1851、0.3584、0.5119;以及分別下切口的前墻堆積物高h(yuǎn)f1=0.8m、1.6m、2.4m;上切口高h(yuǎn)cu2=5.9m;上切口角β2=0.1851;各切口都下坐一層,Kfw1,Kfw2,Kfβ的計(jì)算結(jié)果如圖7。圖中,當(dāng)下切口炸到4層時(shí),Kfβ為負(fù),表明上體無(wú)需做功將自行下落。而下切口炸層數(shù)為2層,上切口炸層數(shù)分別為2、3、4層時(shí),即分別下切口高h(yuǎn)cu1=6.5m,hf1=0.8m,對(duì)應(yīng)的β1=0.1851,分別上切口高h(yuǎn)cu2=5.9m、9.2m、12.5m;分別上切口角β2=0.1851、0.3584、0.5119;分別上切口的前墻堆積物高h(yuǎn)f2=0.8m、1.6m、2.4m;Kfw1,Kfw2,Kfβ計(jì)算結(jié)果如圖8。從圖7和圖8可見(jiàn),上下切口炸2層,但如果上下切口下坐一層,樓房雖可翻倒,但難以保證。因此下切口應(yīng)炸3層,可保證樓房翻倒。Kwt計(jì)算結(jié)果均為負(fù)值,表明上體不可能向前再翻倒。以