钢筋混凝土水塔垂直原地爆破拆除试验研究_黄小武.pdf

书书书第 40 卷第 2 期2023 年 6 月爆破BLASTINGVol 40No 2Jun 2023doi:10 3963/j issn 1001 487X 2023 02 001钢筋混凝土水塔垂直原地爆破拆除试验研究*黄小武1，2，谢先启1，2，3a，3b，贾永胜2，3a，3b，刘昌邦2，姚颖康3a，3b，孙金山3a，3b，伍岳2(1 武汉科技大学 理学院，武汉 430065;2 武汉爆破有限公司，武汉 430056;3 江汉大学 a 精细爆破国家重点实验室;b 爆破工程湖北省重点实验室;武汉 430056)摘要:为解决受限空间下高耸钢筋混凝土水塔爆破拆除难题，研发了高耸构筑物垂直原地爆破拆除技术。采用高速摄影观测、振动监测手段和数值仿真方法，对水塔垂直原地坍塌冲击破坏机理、垮塌运动过程和触地振动效应进行了全面分析。研究发现:高耸水塔垂直原地爆破拆除的坍塌过程近似自由落体运动，回归分析得到水塔向下塌落的加速度约为 9 4 m/s2，略小于重力加速度;采用“分离式”有限元模型，可以近似还原水塔的塌落运动过程，并精确捕捉每段筒体的冲击碰撞时刻;159 号混凝土材料模型，可以很好地模拟水塔筒体塌落冲击破坏过程;水塔筒体冲击破坏过程复杂，总体呈现多次冲击累积损伤破坏过程;振动主振频带主要集中在 5 60 Hz，振动信号的高频部分衰减迅速，能量主要集中在低频部分，并且振动信号的总能量随着距离的增加而显著减小。试验表明:通过筒体分段依次垂直原地塌落触地，并同步开展顶部水箱水压爆破，不仅可以控制高耸水塔的塌落堆积范围，而且可以减小触地振动效应并控制爆破粉尘危害。关键词:爆破拆除;原地塌落;高速摄影;数值模拟;触地振动中图分类号:TU746 5文献标识码:A文章编号:1001 487X(2023)02 0001 08收稿日期:2023 01 24作者简介:黄小武(1989 )，男，工程师、博士研究生，主要从事工程爆破研究与实践工作，(E-mail)840022742 qq com。通讯作者:谢先启(1960 )，男，教授级高级工程师、中国工程院院士，主要从事工程爆破理论与技术研究，(E-mail)xxqblast163 com。基金项目:湖北省自科基金重点项目(创新群体 2020CFA043);湖北省重点研发计划项目(2020BCA084)Experimental Study on Vertical In-situ BlastingDemolition of einforced Concrete Water TowerHUANG Xiao-wu1，2，XIE Xian-qi1，2，3a，3b，JIA Yong-sheng2，3a，3b，LIU Chang-bang2，YAO Ying-kang3a，3b，SUN Jin-shan3a，3b，WU Yue2(1 College of Science，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065，China;2 Wuhan Explosion Blasting Co，Ltd，Wuhan 430056，China;3 a State Key Laboratory of Precision Blasting;b Hubei Key Laboratory ofBlasting Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，China)Abstract:In order to solve the problem of blasting demolition of tall reinforced concrete water towers in restrict-ed space，a vertical in-situ blasting demolition technology was developed The impact failure mechanism，collapseprocess and touchdown vibration of the water tower were analyzed comprehensively by means of high-speed photogra-phy，vibration monitoring and numerical simulation It was found that the collapse process of the tower by vertical in-situ blasting demolition is similar to free fall motion with an acceleration of 9 4 m/s2calculated by regression analy-sis，which was slightly smaller than the gravity acceleration By using the“separated”finite element model，the col-lapse process of the water tower could be approximately simulated and the impact time of each section cylinder couldbe accurately captured In general，cumulative damage by multiple impacts is the main characteristic of the complexfailure process of the water tower，which can be simulated by the No 159 concrete material model The main frequen-cy band of the vibration is mainly concentrated in the range of 5 60 Hz The high frequency part of the vibration sig-nal attenuates rapidly，and the energy is mainly concentrated in the low frequency part Moreover，the total energy ofthe vibration signal decreases significantly with the increase of distance The test results show that the successive ver-tical collapse of the tower and the simultaneous blasting on the top water tank can control not only the collapse rangeof the tower，but also the touchdown vibration and blasting dustsKey words:blasting demolition;in-situ collapse;high-speed photography;numerical simulation;touchdownvibration爆破拆除作为一种安全、高效的拆除技术，常用来拆除高大建筑物，以及烟囱、冷却塔和水塔等高耸构筑物，在城市建筑更新和工业升级中发挥着不可替代的作用1-3。与多数高耸构筑物爆破拆除的方法类似，水塔爆破拆除的倒塌方式主要有定向倒塌、折叠倒塌和原地坍塌 3 种类型。其中，定向倒塌方式只需要在水塔的底部破坏小范围的支撑部位，使倾覆力矩大于抗倒塌力矩，上部结构绕着塑性铰转动偏出结构外沿实现定向倒塌。而折叠倒塌和原地坍塌方式要破坏 2 个以上的支撑部位，因此，定向倒塌方式相比折叠倒塌和原地坍塌方式具有施工量少、经济成本低等优点，在众多工程中广泛应用，并取得了很好的经济效益和社会效益4-6。然而，水塔定向倒塌方式要求倒塌场地的长度不小于其高度的 1 2 倍7，对倒塌场地的开阔性提出了很高的要求。为缩短水塔的倒塌距离，有关学者在底部切口的基础上提出了提高爆破切口标高(高位切口)的设计方案，例如，张松峰等在距地面1 6 m 处设计爆破切口拆除了35 m 高伞形钢筋混凝土水塔8，倒塌长度约 34 m;谢先启等在距地面 4 0 m 处设计爆破切口拆除了38 m 高倒锥形钢筋混凝土水塔9，倒塌长度约 30 m;任志远等在四周倒塌空间受限的情况下10，在距底部 15 m 处设计爆破切口拆除了28 6 m 高倒锥形水塔的顶部水箱，倒塌长度约12 5 m。为进一步缩短倒塌距离，有关学者探索了单向和双向折叠爆破方式。方桂富等在距地面 5 m和 15 m 设计2 个同向的爆破切口拆除了36 m 高砖砌水塔11，倒塌长度约 14 8 m;史秀志等在距离地面0 5 m、13 5 m 和27 5 m 设计3 个同向的爆破切口拆除了 41 m 高砖混结构水塔12;谢兴博等在距地面1 0 m 和5 8 m 设计2 个双向爆破切口拆除了35 m 高钢筋混凝土水塔13，倒塌长度为 25 5 m。对比定向倒塌和折叠倒塌方式，原地倒塌方式可最大限度地降低倒塌长度，然而由于技术和施工难度大，烟囱、水塔类高耸构筑物原地倒塌爆破拆除的案例非常少见。李砚召等采用上部 29 5 m 定向倒塌与下部 6 5 m 原地塌落相结合的爆破方案14，拆除了 36 m 高砖烟囱，倒塌长度约 24 m;这为高耸类构筑物原地坍塌爆破拆除技术开启了有益的探索。近年来，爆破拆除的环境越来越复杂，可供定向倒塌的场地越来越小。因此，研究受限空间中高耸构筑物爆破拆除技术，对提高爆破拆除技术的安全性，拓展爆破拆除技术的应用范围具有重要意义。以某钢筋混凝土水塔为代表性对象，研究了高耸构筑物垂直原地爆破拆除技术，分析了其设计施工要点及应用实施效果。1水塔垂直原地爆破拆除试验待拆除水塔高38 1 m，其中，塔身高28 6 m，倒锥伞形水箱高 9 5 m。水塔下部支筒为圆筒形，筒体内径为20 m，壁厚 0 18 m，筒内设有 5 个设备检修平台，分别距离地面 4 9 m、9 8 m、14 7 m、19 8 m和247 m。上部水箱为倒锥形结构，伞形水箱最大外径为1064 m。水塔筒体及水箱配有单层钢筋网，主筋 16 mm100 mm，箍筋 8 mm100 mm。水塔筒身北侧有一高 2 0 m，宽 0 6 m 的检修门，塔身东侧和西侧分布直径为 66 cm 的圆形观察窗。见图 1。图 1倒锥形钢筋混凝土水塔Fig 1Inverted conical reinforced concrete water tower根据水塔结构特点与周边环境情况，采用“筒2爆破2023 年 6 月体垂直原地坍塌，水箱水压爆破破碎”的总体爆破拆除方案。为施工便利，爆破切口布设在水塔底部以及各层检修平台处，共计 6 个爆破切口。见图 2、表 1。图 2筒体及水箱爆破拆除示意图Fig 2Diagram of demolition blastingof the tower and water tank表 1爆破切口高度Table 1Heights of blasting cuts爆破切口123456切口高度/m3 01 51 51 51 50 5水塔筒体 6 个爆破切口均采用钻孔爆破，孔距a=25 cm、排距 b=25 cm，炸药单耗 k=3000 g/m3，单孔装药量 q=40 g，总装药量 20 kg。水箱中间水深处布置 5 个药包，单个药包重 1000 g，总装药量5 kg。所有药包都采用 MS19 段导爆管雷管(名义延期时间 1700 150 ms)起爆，孔外通过毫秒导爆管雷管串联接