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全钢结构体育馆聚能切割爆破拆除技术

2016-06-16 16:59:30.0 责任编辑:崔玮娜

易  克1  李高锋1  马海鹏2,3  张迎春1  王俊岩1  张海涛1

(1.河南省现代爆破技术有限公司,河南郑州,450016;

2.中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙,410083;

3.国防科技大学指挥军官基础教育学院,湖南长沙,410073)

摘要:待爆破的沈阳市绿岛体育馆采用钢结构框架形式设计,是亚洲最大的室内体育场,其主厅南北长228m,东西长180m,共有14层,高为53.6m,建筑面积3.8×105m2、体积2.20×106m3。如此巨大的钢结构爆破拆除是一次亚洲最大的线型聚能切割爆破,其复杂程度和难度都很高。本工程通过精心设计,立柱和顶层采取倾斜切割缝形成爆破切口,爆破部位首次采用沙袋作为防护材料对裸露装药进行防护,成功实施了爆破拆除,取得十分理想的效果。

关键词:线性聚能切割器;爆炸切割;钢结构

 

l 工程概况

1.1建筑物概况

沈阳绿岛体育馆建于1999年,该体育馆坐落于沈阳市苏家屯区,沈苏快速干道东侧,浑河市场对面,是集人工草坪足球场、大型演出设备、博览等多功能于一体的现代化室内博览演艺中心,是亚洲最大的室内体育场,建筑面积 3 8×105m2、体积2.20×106m3

1.2周围环境

体育馆北距沈阳体育学院330m,东北125m处为绿岛学校,东南105m处和西南114m处均有变压器,西南780m处是国际会展中心五星级大酒店,以上建筑的外部装饰均为玻璃幕墙,极易受到空气冲击波的危害;体育馆西距车流量较大的南京南路390m,为爆破施工的安全带来较大考验,如图1所示。

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1.3建筑物结构特点

待爆破的主厅南北长228m,东西长180m;主体采用钢结构框架形式设计,H型钢立柱截面尺寸主要有800mm×800mm×35mm、1lOOmm×1100mm×42mm及1lOOmm×1100mm×50mm几种截面形式,屋顶东西两侧高度均为10m,中间桁架高度11m,顶端高出两侧4m,采用大跨度桁架屋顶的结构形式(底部设置40个支点),屋顶相对地面标高为53.6m,建筑面积3.8×105m2,体积2.20×106m3,结构图如图2所示。

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2施工难点

(1)体育馆体积庞大,作业面分散,设备、人员需要来回移动作业,施工效率受到影响。

(2)体育馆四个角点处均各自独立成“L”形,对定向倒塌的影响较大。

(3)H型钢立柱的翼板较厚,大部分均在40mm以上,为爆炸切割增加难度。

(4)大跨度屋顶的爆破施工均为高空作业,给作业安全带来极大的困难;同时屋顶的爆破是否成功,将直接决定整个爆破的成败,是本次爆破施工的关键所在。

(5)体育馆周围的建筑物均有玻璃幕墙装饰,给爆破空气冲击波的防护提出了更高的要求。

(6)爆炸切割拆除如此规模的钢结构建筑物国内是史无前例的,没有经验可以借鉴,这对设计施工带来了压力。

3爆破方案设计

3.1  总体方案

经实地勘察、理论计算及专家论证,基于金属材料爆炸切割理论和建筑物爆破拆除创新设计理念,决定采用聚能切割爆破技术使H型钢立柱形成斜断缝(控制角度α=30°~75°),整个体育馆在屋顶和上部结构的倾覆重力矩作用下实现体育馆四周向外、屋顶向下倒塌的总体方案,如图3所示;使用数码电子雷管分段延时控制和减少空气冲击波的强度;采用沙包、三防布、钢丝网、建筑密目网四位立体交互式防护措施控制金属破片飞散、冲击波及噪声等危害。

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3.2爆破切口设计

3.2.1切口参数设计

3.2.1.1  屋顶架爆破切口

为达到既定的爆破效果,采用在屋顶横梁关键受力杆件和其基座底部的立柱上设置斜切口,用聚能切割器沿基座外边缘下倾斜向内切割,在整体上形成类似倒锥形的切缝,使屋顶架与立柱及基座脱离,屋顶在其自身重力作用下下落,同时又对四周建筑主体形成下压及外张作用,并且通过起爆网路设计,达到顶网起爆后东、南、西、北侧各爆区依次起爆,实现建筑物的倒塌。

3.2.1.2  主体建筑爆破切口

钢结构爆破倒塌机理与一般建筑相同,其本质均要有足够的倒塌倾覆力矩,满足的必要条件是切口闭合后建筑物重心偏移出支点边界线,计算得出1~3爆区最低切口高度为20.7m,4~12爆区最低切口高度为3.8m。采取弱化处理后实际取为:1~3爆区最低切口高度为三层16m,4~12爆区最低切口高度为两层12m,如图4所示。

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3.2.1.3  爆破切口实现形式

钢筋混凝土结构建筑物爆破时形成切口的必要条件是用炸药将切口内部的结构构件炸碎,在力学特征上形成一个按照设计实现的空区,而钢结构因其特殊性不能采用此种方法,对此,根据力学分析提出了如图5所示的实现形式。

图5所示切缝既节省了炸药,又可以使切口内钢立柱自然滑落进而形成爆破切口,是一种较好的实现形式。

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为了使得上述过程顺利实现,切缝角度α的大小应加以详细分析,对图5(a)做简单力学分析[1],以切缝上部为研究对象(如图5(b)所示),重力G在切缝面上进行分解:

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则切缝面上的摩擦力Fs

式中fs——动摩擦因数,可现场实测得到。

当Fs=G″时为临界状态,此时α=αmin,则由平衡关系Fs=G″得出:

Gsinαmin=fsGcosαmin

=>αmin=arctanfs

可以看出αmin即为其摩擦角,也就是说,当切缝倾角α大于摩擦角时,不管G有多么小,切缝上部钢柱总能自然滑出;当α小于摩擦角时,不管G有多么大,切缝上部钢柱总不能自然滑出。

3.2.2计算机辅助校核

3.2.2.1  装药位置预处理后稳定性校核

在上述对立柱的切口形式中,我们采取的足“翼板装药,腹板预切割”的方法,即在装药前需对腹板在装药位置切割一条水平缝,则在处理后对立柱的承载能力我们运用计算机进行了模拟计算,采用双线性随动硬化材料模型模拟实际材料在常温下的力学性能,弹性模量为2.06×105MPa;根据立柱的结构特点选用shell 63壳单元进行建模、分析;将屋架与面板的荷载施加在柱端,在计算时考虑立住结构自重,在柱根部施加全部约束。计算结果如图6所示。

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从图6所示云图来看,切口处的应力较大,大部分还在材料的弹性范围内,但在边角处出现应力集中,个别地方应力达到444MPa,已超过材料的屈服极限[2],发生塑性变形,为了防止此类局部应力集中带来的不利影响,腹板切割外形为椭圆形或圆形最为有利,但此种切割形式会大大增加预处理的难度和工作量,考虑到在平口切割时集中应力仅出现在切口腹板与翼板连接处的很小的范围以内,在短时间内不会给结构的稳定安全带来影响,因此仍可采用平口切割。

3.2.2.2 4~12爆区缺口高度校核

在保证屋顶爆炸切割效果的前提下,4~12区顺利倒塌是整个365体育成功的关键,我们对体育馆4~12区进行建模分析,体育馆立柱和横梁尺寸均采用实际结构尺寸建模,立柱和横梁之间采用共节点刚接连接处理,地面设为刚体,切开角度为30°,切开高度外立柱取8m,中间立柱取1m,内侧立柱底部与刚性地面设置接触,约束地面的上下运动自由度。计算结果如图7所示。

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从模拟结果可以看到,模型在4.64s后在重力作用下开始向一侧倒塌运动,同时底部由于未设置约束,出现后坐运动,在10.24s外部立柱触底,在结构自重力偏心作用和框架结构运动惯性的共同作用下,框架继续向右侧倒塌,在13.9s以后整个框架结构侧面触地,整个倒塌过程完成。模拟过程说明结构的切口角度与切口形式设计是合理可取的,可以确保框架结构按照预想形式倒塌,为了增大成功率,确保爆破的成功,4~12区实际切口高度取值为12m。

3.3线性聚能切割器设计

聚能罩外布炸药构成的线性切割器形状有多种。这类聚能装药切割效果与聚能罩顶角、聚能罩边长、聚能罩厚度、炸药爆速vd、布药形状、炸高、聚能罩的材料等因素有关,其结构参数包括顶角θ、母线长L、罩厚t、装药高度H和爆炸高度h。

(1)药罩选择:紫铜的密度大、塑性好、破深效果好,是药罩材料的首选。

(2)依据定常、理想、不可压缩流体理论,射流速度和质量分别为:

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所以当θ=90°时,动量△mv=mjvj=mvosinθ变化为最大,这有利于破深提高。同时θ=90°,罩角也有利于加工。

(3)罩厚选择:考虑到加工的方便和便于装药固定,本工程聚能切割器采用大多数工程采用的等壁厚的药罩。罩厚度根据切割厚度确定,并结合破深试验进行适当的调整。

(4)炸高选择:为了获得理想的切断效果和生产出的切割器便于工程上的安装施工,结合本工程实际情况和有关模拟结果,选取金属射流尾部杵体已经对钢板进行二次侵彻和开坑作用,并使开坑半径达到最大为最佳炸高。经过数值模拟和理论计算最终确定,大号切割器炸高为30mm,小号切割器为20mm。

(5)炸药选择:切割器需要选择高猛度高爆速的炸药,一般选择T50/H50作为爆炸切割主装药。本工程也做出了该选择。

(6)爆破模拟:为了检验切割器各项参数,我们通过建模模拟,其中炸药、药型罩和空气三种材料采用欧拉网格建模,单元使用多物质ALE算法,靶板采用拉格朗日网格建模,并且靶板与空气和药型罩材料间采用耦合算法,由于聚能装药是线性的,可以将模型简化成平面对称问题。模拟参数为切割器的实际工作参数,黄铜罩厚0.15mm,T50/H50炸药炸高3cm,顶角90°,靶板为50mm厚钢板,模拟结果如图8所示。

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模拟结果显示:在第21µs时,金属射流开始侵彻靶板,第67µs时靶板底面在射流作用下开始产生变形,第74µs时靶板底面开始出现裂纹,最终在88µs时靶板被彻底射穿。从整个模拟过程来看,靶板的击穿以67µs为界分为两个阶段:第一阶段属于射流的侵彻阶段;第二阶段靶板在高速射流的作用下被撕裂。结果表明切割器的设计可以满足本工程需要。

(7)现场试验:为了进一步验证切割器的切割能力,在现场进行了两组“现场试验”,结果显示,第一组的50mm厚钢板被顺利切断;第二组的H型钢立柱被完全切断,同时被切断的立柱在炸药作用下滑离原位,顺利倒地,实验效果如图9所示。

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3.4网路设计[3]

为防止空气冲击波的叠加,并精确控制延期时间和防止起爆后网路被损坏,特采用邦杰一号电子雷管控制,相邻炸点间的延期时间为13ms,爆区间延期时间为50ms.总段别1076段,总延期时间为7120ms。

起爆次序为:屋顶自东北角点先爆,然后沿北至西、东至南两条线路依次向西南角点传递;屋顶爆完后,9爆区自北向南起爆,传爆至7区南段中止;然后10爆区自东向西、6爆区自东向西两区同时起爆,传爆至12及4区西段中止;最后西区(1、2、3爆区)由两端向中间起爆,以2区的中心线为终爆点结束本次爆破,如图10所示,箭头表示传爆方向,内侧箭头为屋顶传爆方向,外侧箭头为建筑主体传爆方向;旗子为止爆点,总延期时间7120ms。

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每200发数码雷管用数据线汇集于一台依波表,然后连接于计算机控制终端,由控制软件对每发雷管进行搜索、定位、延期参数输入及起爆信息输入等操作。

4安全校核和安全防护

4.1爆破安全校核[4]

4.1.1  爆破振动安全校核

根据距爆破建筑物不同距离地面质点的振动峰值速度公式v=K(Q1/3/R)α计算出不同距离的地面质点振动速度的理论预测值。

本次爆破K值取150,α值取1.54,且由于各个炸点的延期时间为13ms,为此,两根立柱并立的炸点药量最大,最大齐爆药量为10.6kg。爆破振动校核结果见表1。

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依据《爆破安全规程》,一般砖房、非抗震性建筑物的最大安全允许振速为2.0cm/s,因此,根据计算即便考虑有一部分振动波会有叠加效应,对于在100m开外的建筑物也是安全的。

4.1.2倒塌振动安全校核

根据周家汉教授提出的高大建筑物倒塌落地振动计算公式校核塌落振动效应:

 vt=kt[R/(MgH/σ)1/3

式中,vt为塌落引起的地表振速,cm/s;M为下落构件质量,t;g为重力加速度,g=9.8m/s2;H为下落高度,m;σ为地面介质的破坏强度,一般取10MPa;R为观测点至冲击地面中心的距离,m;kt、β为衰减参数,分别取kt=3.37、β=-1.66。

(1)屋顶重量M=5400t;下落高度H=53m,计算出不同距离的地面质点振动速度的理论预测值见表2。

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(2)建筑物主体2爆区最大重量M=13879t,下落高度H=23m,计算出不同距离的地面质点振动速度的理论预测值见表3。

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由于本次爆破距离最近被保护建筑为105m,因此,对照上述计算结果,本次爆破所产生的触地振动不会对周围建筑造成危害。

4.1.3  空气冲击波安全校核

根据裸露装药爆破超压计算公式:

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式中  △p——空气冲击波超压值,计算结果是105Pa;

Q——等效药量,kg,由于梯黑炸药比例为1:1,为此10.6kg的等效药量为10.0kg;

R——等效距离,m。

可以计算不同距离的空气冲击波,结果见表4。

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根据《爆破安全规程》,对建筑物最小安全超压值为0.02MPa,通过上述数据分析可知,本次爆破对125m范围外的学校及博览中心玻璃幕墙没有影响,但对125m范围内变压器房的玻璃门窗则可能造成损坏,因此需要对其加大防护力度(详见下节)。

4.2安全防护措施

由于体育场馆爆破采用的全部是外部装药,为此,如何更好地控制好冲击波和噪声是爆破安全防护的重中之重。根据大量工程实践,采用以下措施有效控制爆炸冲击波和噪声,并防止了意外金属破片的危害。

(1)根据实际情况制定合理的爆破方案,精心施工,最大程度提高爆破时爆炸能量的利用率,减少形成空气冲击波的能量。

(2)严格控制单段起爆药量。

(3)采取先进的电子雷管微差起爆技术,选择合理的微差起爆方案和微差间隔时间,消除夹制作用。

(4)选择周末学生放假时作为爆破时间,并提前告知,人员撤离到400m以外,并对相邻最近的绿岛学校建筑物的所有门窗打开,起到泄压作用。

(5)对装药进行三道外层直接防护、对爆破区进行一道空中隔离防护、对保护建筑物一道外层直接防护,具体为:首先对装药位置采用惰性介质(如沙、黄土等)直接防护,然后在其外侧一层三防布及钢丝网包裹严实并用铁丝捆扎牢固;其次在体育馆的整体爆破缺口外侧悬挂两层建筑用密目网,并在缺口上沿及地面固定牢固;再次对玻璃幕墙装饰用胶带粘贴,防止其碎后伤人。

5爆破效果及体会

5.1  爆破效果

体育场馆于2012年6月3日10时爆破,起爆一瞬间,体育场馆按照爆破设计的倒塌顺序和方向彻底解体倾倒,炮声低沉,振动微弱,没有碎块飞出,周围建筑无损坏,爆破非常成功,如图11所示。

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5.2几点体会

(1)针对线性聚能装药采用沙袋直接防护起到了很好的降低冲击波和噪声的作用。

(2)良好的线性聚能切割器设计对钢板的切割效果举足轻重,为了保证良好的切割效果,还应对切割器进行多次试验,如破深试验(侵彻试验)、炸断试验等。

(3)先进的电子雷管起爆系统对于建筑物严格按照设计顺序倾倒和减少爆炸冲击波作用等方便起到了关键作用,但应提高起爆网路的防水性能,特别要对接线连接头进行防水处理。

(4)立柱倾斜切口是爆破拆除钢结构建筑物的一种有效的、合理的切口形式,对其倾斜角度的分析指导了本工程的实践,并可为类似工程提供指导。

(5)屋顶倒锥形的切缝设计合理,既减少了工作量,又保证了良好的倒塌效果,可为类似结构的拆除提供经验。

参考文献

[1]王铎,程靳.理论力学[M].北京:高等教育出版社,2007.

[2]孙训方,方孝淑,关来泰.材料力学[M].北京:高等教育出版社,2002.

[3]吴腾芳.爆破材料与起爆技术[M].北京:国防工业出版社,2008.

[4]中国工程爆破协会.GB 6722一2003.爆破安全规程[S].北京:中国标准出版社,2004.

摘自《中国爆破新进展》


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