川渝拆除17713551981拆除爆破的现状
1)工程实践
拆除爆破产生于第二次世界大战后期,主要用于战后的城市重建和工厂的恢复生产。在世界上,开展拆除爆破较早的国家有美国、英国、瑞典、德国等,这些国家都有专门的爆破拆除公司,例如
①美国马里兰州的控制拆除集团公司(ControlledDemolitionIncorporated,MarylandUSA)1947年开始进行建筑物的拆除爆破,是世界上最早进行拆除爆破的公司。除在美国以外,还在世界各地承担过数千次建(构)筑物的拆除爆破任务
②英国的奥格登家族拆除公司(Ogden8.Sonsdemolitionltd.,YorkshireUK),该公司在建筑物拆除方面积累了几代人的经验,是父子相传的公司。
③意大利的Italesplosivi公司;瑞典首都斯德哥尔摩的NitroconsultaB公司和德国柏林的Vebautofahnbaukominat公司等
20世纪60年代,美国、瑞典、瑞士、丹麦和日本等国都已将此项技术用于城市废旧建(构)筑物的拆除。例如:瑞典哥德堡市的一座大楼,面临繁华的大街。由于基础位移,大楼倾斜,采用控制爆破方法拆除(钻凿炮孔800个,使用炸药200kg),结果使大楼离开街道向里边倾倒,周围街道和建筑物未受到任何影响。
20世纪70年代,随着延时爆破技术的推广、新爆破器材的出现爆破安全技术和施工技术的不断提高拆除爆破理论和技术都有了长足的发展。例如:
(1)1975年美国一家爆破公司在巴西圣保罗市的繁华商业区内,采用控制爆破在5.5s时间内就炸塌了一座32层的钢筋混凝土大楼,而周围建筑、人员安然无恙。
(2)1976年在丹麦的Frederikshavn,用爆破方法成功地拆除了一座高40m,蓄水量达1700t的水塔,炮孔1000个,总装药量90kg。
20世纪80年代以来在发达国家都用爆破方法拆除了大量的各类高大建(构)筑物。
(1)1981年英国一家爆破公司在南非爆破拆除了一座高达270m的烟囱,其底部直径24m,壁厚分别为0.96m(36m以下部分)和0.36m(36m以上部分)。
(2)1985年日本用爆破方法拆除了筑波万国博览会联合馆。
(3)1986年在瑞典的Gothenburg使用80kg炸药,钻孔3000个,爆破拆除了一座10层宿舍楼。
(4)1987年日本开始对高岛煤矿的一个6层钢筋混凝土住宅楼进行了拆除爆破论证和研究,其后完成了日本第一例钢筋混凝土建筑物的爆破拆除。在捷克某化工厂内的敏感地带,采用2648kg炸药,18830个雷管,拆除了一总方量为73000m3(其中,钢筋混凝土方量为19000m3)的厂房。1988年5月美国某公司拆除了3座10层高的大楼
1979~1993年英国已爆破拆除了30余座次12~25层的高层建筑物。
刚刚进入21世纪初(2001年),美国一家爆破公司就用爆破法拆除了匹兹堡三条河体育馆。加拿大魁北克市为回收一名飞行员的遗体,也用爆破方法拆除了一座328m高的电视塔。
在国内,拆除爆破始于20世纪50年代,1956年修建武汉长江大桥时曾釆用控制爆破技术对蛇山桥头的基础进行开挖。1958年东北工学院在国内首次用爆破法拆除了高120m的钢筋混凝土烟囱。同年,武汉建材学院爆破教研室也在市内用爆破法拆除了钢筋混凝土烟囱60年代拆除爆破处于逐渐发展的阶毀,1963年山西省水利勘测设计院也在漳泽水库进水塔底部钢筋混凝土墙爆破扩大进水孔。进入70年代以来,随着大规模经济建设的进行拆除爆破蓬勃发展,应用范围不断扩大。例如:1973年北京铁路局采用控制爆破拆除了旧北京饭店总方量约2000m3的钢筋混凝土结构物;1976年南京工程兵工程学院用控制爆破安全地拆除了天安门广场附近总面积达万余平方米的三座大楼;1979年铁道部第四勘测设计院成功地采用水压爆破拆除了一座滤水罐。上述爆破工程的成功实施为我国城市闹市区拆除爆破技术提供了实际经验。随着新型爆破器材的出现,拆除爆破技术也有了长足的进展。80年代以前,国内生产的主要是瞬发电雷管。从70年代末开始逐步发展了秒延时、半秒延时、毫秒延时的电雷管和非电雷管。因此,在1980年以前几乎所有的拆除爆破使用的都是瞬发电雷管。例如:1975年铁道部第四工程局对某新线旧桥涵进行拆除爆破时采用的全是瞬发电雷管;1978年北京矿冶研究总院进行的高度为4m的烟囱拆除爆破使用的也是瞬发电雷管。直到1982年拆除旧北京邮电局时,才使用了分段爆破,第一期爆破药量虽然仅35kg,却分为η段起爆,最大段药量只有14.8kg,全部药量分散在370个炮孔中,大大减少了爆破振动、空气冲击波、爆破噪声等有害效应。
20世纪80年代以来拆除爆破得到了更为广泛的应用,拆除爆破趋向高层化,难度不断加大,各类高层建(构)筑物控制拆除爆破成功的例子枚不胜数。表1-2和表1-3分别列出我国近10年来完成的部分15层以上楼房的拆除爆破和120m以上烟囱的拆除爆破实例
国内部分建筑物拆除爆破(15层以上) 表1-2
国内部分烟囱拆除爆破(120m以上) 表1-3
截至目前,用爆破法拆除的最高建筑物为中国银行温州市分行大厦(简称温州市中银大厦),22层,高度93.05m。拆除的最高烟囱是国电成都热电厂的钢筋混凝土烟囱,高2l0m。
2)国外的理论研究
拆除爆破的理论研究相对于露天深孔台阶爆破而言,时间上要晩一些,公开发表的论文也不多见。但在欧洲有专门的欧洲拆除协会 European Demolition Association,简称EDA)负责为城市建(构)筑物拆除标准化设计提供依据。由法国人 Cormon, Pierre编著的 la demo-lition du beton和英国人 Topliss Colin e编著的 Demolition两本专著(中译名均为拆除)全面阐述了当前建筑物拆除和分解技术的各个方面。它填补了欧洲拆除工业在技术研究方面的空白。
在日本,拆除方法委员会于1970年出版了它的第一本技术专著《混凝土结构拆除方法》1971年日本建筑承包商协会(BCS)成立了钢筋混凝土结构拆除委员会,开发了多项拆除技术例如:结构顶起技术( jacking),控制爆破拆除技术( explosives),高压交、直流电加热钢筋拆除技术( rebar heating methods)等。同时,该委员会又于1978年出版了《钢筋混凝士结构拆除技术》和《地下钢筋混凝土结构拆除技术推荐》两本专著。
(1)对结构进行弹性力学分析
日本的小林茂雄对钢结构建筑物的拆除爆破进行了分析、研究,内容包括:
①在构件破坏时,对主要构件进行结构弹性静力学分析,检查预定形成塑性铰部位的应力,以确定该部位能否达到屈服,并提出了构件屈服的必要条件。根据力学分析的结果,以制铁车间的一座高炉为例进行了倒塌设计和拆除爆破试验,试验结果与设计方案吻合性良好。
②根据构件爆破后形成爆破缺口的位置、大小不同,计算钢结构建筑物所能承受的极限荷载。用自重与极限荷载之比作为建筑物能否倒塌的指标,以此确定适宜的爆破位置和缺口高度。
③该研究运用结构静力学来分析结构整体内力,并以结构中各构件的内力分布为基础,考察各构件是否达到屈服或破坏,建立了单个构件破坏判据但上述计算方法并没有给出结构整体失稳的判据。
(2)利用高速摄影研究倒塌过程
瑞典的 Conny Sjobery利用高速摄影机对位于哥德堡的10层混凝土框架结构的髙层建筑物拆除爆破的倒塌过程进行了硏究。爆破前,在建筑物上设置标志点,用高速摄影机以每秒64幅的速度摄制建筑物的倒塌过程,共摄得500幅照片,将标志点位置信息输人计算机,通过计算杋分析绘制成时间—位置图、时间一速度图,可以计算出结构的势能、动能、总能量、建筑物缺口上部反作用和塌落荷载。
利用高速摄影技术,虽然可以实测爆破破坏过程,但是一般只能拍摄到倒塌过程的开始阶段,由于爆破过程产生的大量烟雾,影响了后续过程拍摄的清晰度。同时,结构倒塌过程中不可避免地会出现结构的解体、分离,当不能在各个构件设置足够的标记点时,利用摄影资料进行能量分析也会产生较大的误差
(3)利用数值模拟研究倒塌过程
日本的 N. Tosaka等人应用结构力学中的直接刚度法和变刚度技术模拟建筑物的倒塌形式和结构倒塌的动态行为,主要研究爆破缺口形成后,建筑物能否按预定的方向倒塌。该模型将爆破部位和变形破坏部位视为抗弯刚度受到削弱的结果。它是通过静力学计算模拟结构的动力学行为,没有考虑结构的惯性力作用,并不能通过控制每一步的位移来保证计算的稳定性,计算结果可靠性较差小林茂雄等人采用不连续变形分析法(DA法)对钢筋混凝土结构的拆除爆破进行了研究。模型中用块体表示钢筋混凝土,用钢棒代表连接块体的裸露钢筋。在仿真硏究过程中,通过改变爆破位置、起爆顺序和延期时间等方法,获得不同的倒塌效果(图1-1)。
图1-1应用不连续变形分析法模拟框架结构的倒塌过程
a)0.25s;b)0.5s;c)0.8s;d)3.10s
日本的G.C.Ma也采用不连续变形分析法(DDA法)模拟一个自由面的爆破,分析裂纹生、扩展的过程,并与高速摄影结果相对比,二者吻合良好。在此基础上,又对一座仓库的倒塌堆积过程进行了模拟,效果良好(图1-2)。
图1-2应用不连续变形分析法模拟仓库的倒塌过程
a)0.05;b)0.5s;c)0.88s;d)1.33;e)1.8s;f)2.58s
瑞士苏黎世建筑静力学和建筑学院从1997年开始对罗特巴赫桥的爆破拆除进行了广泛的理论和实验研究,旨在找出一种优化的拆除爆破方案。该研究采用有限元法模拟桥在爆后坠落的情况。模拟中将桥分为23个单元,该程序可以计算非线性变形状态。同时,借助于应变仪对不同位置的钢筋拉伸变形进行测试,并用高速摄影机对下落过程进行拍摄,与有限元法计算的结果进行比较。
德国鲁尔大学Stangnberg和Friedhelm通过对烟囱倒塌过程有关数据的分析、整理,建立起来的钢筋混凝土烟囱拆除爆破计算机模型,在现场进行1:1试验和试验室的小比例试验,证明该模型可以解决实际工程中的某些具体问题,并在此基础上发展成为能够进行模拟烟
囱倒塌过程的专家系统。整个研究内容包括:现场测试、小规模试验和数值模拟三部分
(4模型实验研究
日本的T.Saito进行了钢筋混凝土桩的模型试验,研究了装药量和炮孔布置形式对爆破
效果的影响,以及爆破噪声、爆破振动的危害。
3)国内的理论研究
在拆除爆破理论方面,国内铁道科学研究院冯叔瑜院士、武汉工业大学刘清荣、北京科技大学龙维祺教授等人为代表的专著对城区建(构)筑物控制爆破拆除理论和实践都有详细而全面的总结,对工程实践起到了重要的指导作用。近年来,一些青年学者和研究生在拆除爆破机理、爆破设计CAD和数值模拟等方面都作出了显著成绩。
(1)基于材料力学的压杆稳定原理确定钢筋混凝土承重立柱的失稳条件
在建筑物承载立柱下端进行爆破,使混凝土脱离钢筋骨架,当钢筋骨架顶部承受的静压荷载超过其抗压强度极限时,钢筋产生塑性变形,立柱失稳、倒塌,满足上述条件的最小立柱破坏高度称为最小爆破高度。计算框架结构承重立柱的爆破高度时,般是将裸露钢筋视为单根主筋压杆失稳在数学上的简单叠加,而不考虑偏心压缩的力学效应。但在具体应用压杆失稳原理时,对主筋压杆失稳模型存在着不同的观点。一般对压杆下端的约束条件认识比较统一,视作固定端。分歧主要是对压杆上端的约束条件认识不一
①认为压杆上端是固定端[图1-3a)];
②认为压杆上端是自由端[图1-3b)];
③认为压杆上端是不能转动但可自由移动的[图1-3]。
在实际应用中普遍釆用的是第二种模型,即将压杆下端视为固定端,将上端看作自由端。应该指出的是,用单个构件的失稳作为结构失稳的判据是不妥当的。
武汉水利水电学院认为:在拆除爆破中框架承重立柱的裸露钢筋骨架失稳,并非单根主筋压杆失稳的简单数学相加,而是侧向弹性约束的小型刚架的失稳(图1-4)。图1-4中的K为裸露钢筋骨架的抗侧移刚度,它与框架的形式尺寸、支座、爆破高度等因素有关。同时,对于承重立柱上的刚架受的轴向力P和力矩M转化为钢筋骨架上拉压两侧主筋的节点力,a1和a2及M1和M2由P、M及承重立柱上配筋位置决定,P。F为刚架失稳时的临界荷载。根据结枃力学中刚架的稳定性原理,推导了裸露钢筋骨架的失稳临界荷载计算公式。
(2)基于能量转换观点研究结构的解体
中科院力学研究所对建筑物解体进行了多方面的研究,将建筑物的解体分为三种方式:布孔施爆、建筑物爆破后不均匀下降中构件弯折拉压破坏、建筑物落地撞击破坏。若从经济和安全的观点出发,后两种形式,即利用重力实现位能转换达到解体的目的,是最好的方式。至于下降过程的解体可以通过计算框架内力来预测
关于建筑物落地撞击解体问题主要介绍了:
图1-3压杆模型
图1-4小型刚架失稳模型
①建筑物落地速度和建筑物解体程度的关系;
②如何估算建筑物的落地速度。
该研究总结了大量工程实践资料,并据此进行了理论探讨,对指导工程实践很有意义,但是该研究所釆用的计算方法可操作性不强,公式中的参数难以确定,在工程实践中很少应用。
(3)利用有限元法进行倒塌过程的数值模拟
南京工程兵学院利用动力有限元法对钢筋框架结构的倒塌过程进行了模拟,如图1-5所示。图1-5a)表示原结构,图1-5b)、c)、d)、e)表示结构的倒塌过程。该数值计算模型要求输入结构参数(几何参数、单元信息、材料特性、荷载分布),爆破参数(爆破单元、破坏长度、单元的起爆时间),计算参数(时间步长、运动方程求解、结构阻尼特性等)。该结构虽然考虑了结构倒塌时动力学特性,但由于有限元法只适合于连续介质力学模型,故该模型无法真实地再现结构解体后的运动行为。同时,由于模型采用了一维杄单元对倒塌过程的模拟,不像二维平面单元那样能较好地再现倒塌堆积状态。模拟结果与预期目标相差较大。
图1-5用动力有限元法模拟钢筋框架结构的倒塌过程
a)原结构;b)0.5s;c)1.0s;d)1.5s;e)2.0s
(4)利用不连续变形分析法(DDA法)进行倒塌过程的数值模拟
北京科技大学进行爆破法拆除框架结构建筑物的力学模型和数值模拟硏究,包括结构失稳的力学机理和结构倒塌过程的数值模拟两部分。采用矩阵位移法和不连续变形分析法(DDA法)这两种数值计算方法相结合的方法来完成力学的数值模拟。其中矩阵位移法主要完成框架结构建筑物的静力计算,分析结构中各构件的内力分布。不连续变形分析法(DDA法)主要用来完成建筑物结构倒塌解体过程的力学计算和计算机仿真,拆除爆破模拟系统。模型运行情况良好,较好地反映了楼房倒塌过程。
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