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力连接，筒体爆破切口和水箱水压爆破自下而上依次起爆，各切口起爆延期时间如图 2所示。2高速摄影观测与分析2 1摄影观测方案高速摄影观测点设置在水塔南侧80 m 处，设备采用美国 IDT 公司生产的 Y7-S2 型高速摄像机，画幅分辨率为1920 1080，考虑现场实际光线情况，设置采样率为 5000 fps，即每帧采集间隔时间为 0 2 ms。为明显示踪水塔坍塌运动轨迹，在每层爆破切口外包裹红色防护布。2 2观测结果与分析读取高速摄影捕捉的每帧照片，得到水塔筒体各层爆破切口与水箱水压爆破的爆破时刻，如表 2 所示。见图3、图4。表 2水塔坍塌关键时刻表Table 2Key timestamps of water tower collapse爆破部位帧数设计起爆时刻/ms观测起爆时刻/ms起爆误差/ms切口 15810000切口 273403103064切口 37990420436+16切口 47720530382148切口 59240640686+46切口 69360640710+70水箱爆破128201430140228注:观测起爆时刻为能观察到的最先起爆药包的起爆时刻。自第 5810 帧开始，观察到爆破切口 1 有飞石夹杂粉尘冲出。之后，按照切口 1切口 2切口 4切口 3切口 5切口 6水压爆破的顺序依次起爆。由于药包起爆雷管的延时提前了 148 ms，导致切口 4 比切口 3 提前 54 ms 起爆。虽然起爆雷管的延期误差影响了爆破切口起爆的先后顺序，但对水塔整体坍塌运动过程影响不大。第 12820 帧，观察到有水流从倒锥形水箱的顶部和底部溢出;此刻，水塔已经下落 9 1 m。从观察的爆破效果来看，爆破粉尘主要产生在药包起爆瞬间。案例中，水压爆破的装药量偏小，没有充分破碎倒锥形水箱并产生大量爆破水雾;此外，水压爆破的起爆时间稍晚，没有来得及覆盖爆破粉尘。为增强水压爆破兼顾降尘的效果，建议水压爆破先起爆。自爆破切口 1 起爆至倒锥形水箱触地，总历时约 2 4 s;由于爆破粉尘影响，只能看清前 2s 的水塔运动过程。选取水塔顶点作为观测点，读取不同时刻的运动距离。经回归分析，可以发现水塔坍塌运动过程近似自由落体过程，由于钢筋网和渣块的阻尼作用，水塔爆破塌落加速度约为 9 4 m/s2。3有限元数值模拟3 1建立模型计算机数值模拟技术，可以连续地、动态地、重复地再现建筑结构失稳、倾倒、触地、堆积的全过程。为精确地描述对象的几何形状，在 LS-DYNA 动力学有限元程序中建立 11 比例的钢筋混凝土水塔“分离式”模型 15，采用具有显式积分的拉格朗日有限元网格，独立考虑混凝土和钢筋的力学特性。见图5。混凝土采用 SOLID164 实体单元，单元尺寸为0 1 cm 0 1 cm 0 1 cm，材料选用 159 号*MAT_3第 40 卷第 2 期黄小武，谢先启，贾永胜，等钢筋混凝土水塔垂直原地爆破拆除试验研究CSCM_CONCETE 模型16。Continuous surface capmodel(CSCM)材料模型可以捕捉混凝土的非线性行为:在拉伸和压缩时表现出不同行为的非弹性响应，在压缩时表现出软化的塑性变形、在拉伸时表现出裂纹扩展的损伤以及应变率效应。纵筋和箍筋均采用 BEAM161 梁单元，单元长度为 0 1 cm，每一根钢筋都是用 Hughes-Liu 梁单元并位于混凝土网格内的准确位置，在截面上用 2 2 的高斯点积分;材料选用3 号*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 塑形随动硬化模型 17，当有效塑性应变达到极限应变时失效。图 3筒体爆破切口起爆瞬间Fig 3The moments of the detonations of the blasting cuts图 4水箱水压爆破瞬间(第 12820 帧)Fig 4Blasting of water tank(12820 frame)混凝土和钢筋分别使用实体单元和梁单元，54900 个实体单元和 100188 个梁单元的有限元网格重合，在 LS-DYNA 中采用基于罚函数约束的*CONSTAINED_LAGANGE_IN_SOLID 选项来实现两者的变形协调。水塔筒体底部为全固定约束，地面为刚性板(*MAT_IGID)。结构不同部分之间使用自动单面接触;钢筋与地面之间使用自动点面接触。将注水的质量等效到水箱结构混凝土的密度，简化结构模型，并忽略水箱的水压爆破过程。水塔各个爆破切口通过*MAT_ADD_EOSION 控制筒体单元的失效来实现，为平衡初始应力状态，0 3 s 后开始删除筒体单元，失效时间参考高速摄影的观测结果。图 5水塔有限元模型(混凝土和钢筋笼)Fig 5Finite element model of water tower(concrete and steel cage)4爆破2023 年 6 月3 2仿真结果及分析3 2 1塌落运动过程在 LS-PrePost 中读取水塔失稳倒塌运动过程，如图 6 所示。水塔在各个时刻的运动姿态与高速摄影机的观测影像接近。水塔从切口形成、原地塌落到稳定堆积，总历时约30 s。各段碰撞冲击的时刻分别是114 s、134 s、169 s、201 s、226 s 和258 s。图 6水塔失稳塌落运动过程Fig 6Instability and collapse process of the water tower读取水塔顶部 48185 号节点的塌落方向的位移时程曲线，并与观测结果和自由落体运动对比，如图7 所示。在 0 1 2 s 内，仿真结果与观测结果非常吻合;1 2 2 0 s 内，水塔垂直运动的加速度仿真计算结果拟合值为 8 8 m/s2，小于高速摄影观测结果的拟合值(9 4 m/s2)，且两者都小于重力加速度9 8 m/s2。由此可见，塌落堆积的混凝土渣块阻尼作用明显，阻碍了水塔的垂直塌落运动。3 2 2筒壁动力响应分析选取支撑筒体底部 374 号实体单元作为代表性研究对象，读取其竖向动态应变曲线，如图 8(a)所示。在曲线上标记出水塔各段冲击的时刻，可以看出，筒体底部单元受冲击加载瞬间(0 05 s)，压应变陡增;随后应变立即回弹(0 05 s)，趋于一个小幅振荡的塑性应变。前 3 次冲击过程中，由于向下冲击的冲量较小，底部单元的动态应变最大能回弹至零点状态。前 3 次冲击后，仿真计算的竖向最大压应变峰值为1535。经第4 次、第5 次和第6 次冲击后，底部单元的塑性变形不断累积并趋于稳定，最终塑性应变值为 3765。图 7水塔塌落运动轨迹图Fig 7Collapse trajectory of the water tower为监测水塔底部筒壁受上段塌落冲击时的动态应力变化规律，在水塔底部布置了 6 个应变测点，略去爆炸荷载的作用，得到筒壁的动态应变曲线如图8(b)所示。前 3 次冲击过程后，筒壁竖向的最大压应变峰值实测结果的为 1366。应变片在遭受前5第 40 卷第 2 期黄小武，谢先启，贾永胜，等钢筋混凝土水塔垂直原地爆破拆除试验研究3 次冲击后断裂破坏，后续结果超峰失真。前 3 次的动态应变实测数据与仿真结果比较接近，且实测的动应变变化规律与仿真结果基本一致(图 8)。因此可以认为数值仿真的结果比较可信。图 8底部筒体单元竖向动应变时程曲线Fig 8Vertical dynamic strain-time curve of the bottom cylinder element在多段连续塌落冲击作用下，水塔筒体底部筒体结构经历了压实、裂纹致裂、扩展和贯通的过程，总体呈现出累积损伤破坏的特征。3 2 3爆堆效果分析对比水塔失稳倒塌仿真结果与实际爆堆效果，如图 9 所示。其中，筒体部分的仿真效果与实际比较接近;而水箱部分由于没有考虑水压爆炸荷载的作用，倒塌过程中持续受到筒体残渣的缓冲作用，导致触地后依然完整。在实际工程中，水箱部分采用了水压爆破，炸药爆炸的能量通过水体均匀作用于水箱壁，致使水箱解体非常充分。整个水塔的爆堆集中，高 2 4 m、宽 11 8 m，有效缩短了水塔的倒塌距离，减小了对周边环境的影响范围，并有利于后期残渣清运。图 9水塔爆堆效果图Fig 9Diagram of water tower muckpile4塌落触地振动监测与分析为探索高耸水塔爆破拆除原地垂直塌落触地振动效应及其传播规律，在水塔周边总共设置了 7 个振动测点，南侧布置 4 个测点(1#、2#、3#、4#)，西侧布置 3 个测点(5#、6#、7#)，振动监测点具体布置如图 10 所示。其中，南侧的 1#、2#、3#号测点采用的是成都中科测控有限公司生产的 TC-4850 型爆破测振仪，采样率为 16 000 sps;其余 4 个测点采用的是加拿大 Instantel 公司生产的 Instantel Micromate型测振仪，采样率为 1024 sps。两款仪器在工程中应用广泛，其稳定性和精度均能满足测试要求。图 10振动测点布置图(单位:m)Fig 10Layout of vibration measuring points(unit:m)整理监测数据，得到各个测点 X、Y、Z 三个方向的质点振动速度峰值(PPV)和主频，如表 3 所示。从表 3 数据可以看出，X、Y、Z 三个方向的质点振动速度在数值各不相同，单个分量的峰值也在1 05 1 26 cm/s 之间，振动主频为 4 6 15 5 Hz。水塔爆破及塌落触地引发的质点振动典型波形，如图 11 所示。可见，振动信号的高频部分衰减迅速，能量主要集中在低频部分。6爆破2023 年 6 月表 3质点振动速度及主频监测数据Table 3Monitoring data of vibration velocity and dominant frequency测点距离/mX 方向峰值/(cms1)主频/HzY 方向峰值/(cms1)主频/HzZ 方向峰值/(cms1)主频/Hz1#36 01 268 61 2010 01 0512 82#53 50 988 10 879 81 1310 63#69 50 619 50 7210 70 2611 04#85 50 327 40 1411 60 224 65#41 00 5415 50 5113 10 9212 26#57 00 3513 10 2314 60 7212 87#73 00 2812 50 5717 10 5111 6图 11质点振动速度典型时程曲线Fig 11Typical vibration waveforms利用 MATLAB 2014a 软件进行编程，对测得的振动信号进行小波包分析，得到各主振频带能量分布，如表 4 所示。表 4各主振频带占总能量百分比分布表Table 4Percentage distribution table of each main vibration frequency band in total energy测点能量频带/Hz百分比/%能量频带/Hz百分比/%能量频带/Hz百分比/%1#0 31 397 618/2#0 62 560 23778 1 12524 771187 5 234 35 9833#0 62 594 732/4#0 884 0068 2012 047/5#4 1015 29010 1665 69924 3218 0026#0 88 4858 1682 41424 328 5427#0 1014 14110 1662 10624 3223 279由此可见，水塔爆破拆除的振动信号的能量在频域上分布比较广，主振频带主要集中在 5 60 Hz，而在这个范围内还可以细分成 0 10 Hz、10 16 Hz 和 24 32 Hz 几个分振频带。水塔爆破塌落触地振动的频率与建筑物的自振频率比较接近，容易造成结构共振，对建筑物的危害较大。统计各个测点信号的前 200 Hz 的总能量，并绘制总能量随传爆距离的曲线图，如图 12 所示。可见，随着距离水塔塌落中心越来越远，振动信号的总能量显著减小。图 12振动信号总能量衰减曲线Fig 12Attenuation curve of the total energyof the vibration signal7第 40 卷第 2 期黄小武，谢先启，贾永胜，等钢筋混凝土水塔垂直原地爆破拆除试验研究5结论针对受限空间中爆破拆除高耸构筑物的难题，在传统定向爆破拆除技术的基础上，创新提出了高耸构筑物垂直原地坍塌爆破拆除技术。依托某 38m高钢筋混凝土水塔爆破拆除工程，采用高速摄影机观测了水塔爆破拆除失稳倒塌的运动过程，采用动态应变仪测试了底部筒体的动力响应过程，并与数值仿真结果进行了对比分析。此外，还采用爆破测振仪监测了水塔周边区域的振动效应。全方位地研究了水塔类高耸构筑垂直原地爆破拆除倒塌运动规律，筒体破坏特征和触地振动效应，可以得出如下结论:(1)水塔垂直原地爆破拆除的坍塌运动过程近似自由落体运动，回归分析得到水塔向下塌落加速度约为9 4 m/s2，略小于重力加速度;钢筋网和先触地混凝土渣块的阻尼作用，阻碍了水塔向下运动的速度。(2)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。(3)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;每次冲击都呈现明显的应力反弹现象，前 3 次冲击过程后，筒壁竖向的最大压应变峰值为 1366。(4)水塔爆破拆除的振动信号的能量在频域上分布比较广，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。参考文献(eferences)1 谢先启，卢文波 精细爆破 J 工程爆破，2008(3):1-7 1XIE Xian-qi，LU Wen-bo 3P(Precise，Punctilious andPerfect)blastingJ Engineering Blasting，2008(3):1-7(in Chinese)2 L Yong，X Cui，L Hua Demolition technique of high thin-wall hyperbolic reinforced concrete cool tower by direc-tional controlled blastingJ Strategic Study of CAE，2008，6(4):40-45 3 汪旭光，于亚伦 21 世纪的拆除爆破技术J 工程爆破，2000(1):32-35 3WANG Xu-guang，YU Ya-lun Demolition blasting tech-nology faced with the 21 centuryJ Engineering Blas-ting，2000(1):32-35(in Chinese)4 谢先启 精细爆破发展现状及展望J 中国工程科学，2014，16(11):14-19 4 XIE Xian-qi Precision blasting，current status and its pro-spective J Strategic Study of CAE，2014，16(11):14-19(in Chinese)5 WANG Shu-ren，ZHANG Ji-yun，LI Jing-tao，et al Analy-sis of vibration attenuation and energy consumption ofblasting demolition chimney:A case studyJ Tehnickivjesnik-Technical Gazette，2020，27(3):826-834 6 孙金山，谢先启，贾永胜，等 钢筋混凝土烟囱爆破拆除的下坐及早期断裂预测J 爆炸与冲击，2022，42(8):160-174 6SUN 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