伞形水塔拆除爆破关键参数计算与数值模拟*

叶家明，戴春阳，李洪伟,3，刘 伟,3

(1.安徽理工大学 化学工程学院， 淮南 232001；2.安徽天明爆破工程有限公司，滁州 239000;3.安徽省爆破器材与技术工程实验室，淮南 232001)

随着时代的不断发展，科技的不断更新迭代，城市中的水塔也失去了其应有的价值。这些水塔多为年久失修，存在较大安全隐患。为了消除安全隐患并且使城市有限的土地资源得到更好的利用，水塔的拆除成为必然趋势。大多数水塔是由一个储水装置和一个圆形的筒，但因其筒体高度大，重心较高，支撑筒壁较薄，所以通过机械拆除难度系数大，爆破因其安全、高效并且经济所以经常用于水塔拆除中。

牛玉学等通过对水塔自身结构的特点及场地条件的分析，根据同类工程的施工经验确定切口圆心角，并没有进行相关的理论计算[1]。邓永兴等在水塔拆除过程缺口圆心角的选取中也是通过经验公式进行计算选取的[2]。周凤仪分析了一个按照经验公式设计参数导致水塔未能倒塌的案例，其主要原因就是未能分析水塔钢筋布局，直接用经验公式设计参数[3]。谢先启等通过一般工程经验，得出爆破切口高度和缺口大小，精细化设计，成功拆除了38 m的倒锥形钢筋砼水塔[4]。谢瑞峰等通过经验公式，壁厚与切口高度的一定关系及切口长度与筒体周长的关系得出相应的切口高度和切口长度，成功拆除水塔[5]。张松峰等人通过水塔的结构和实际受力情况及钢筋的失稳情况及经验公式得出爆破切口长度和高度，成功拆除水塔[6-8]。

国内有些爆破拆除城市复杂环境下的水塔的案例中，主要的相关参数大多是通过经验公式得到的，并没有通过理论计算来进行分析，有些能够一次性成功爆破拆除水塔，而有些因为爆破关键参数选择不合理，不能安全拆除水塔，带来安全隐患。故选择合理的切口圆心角大小、切口高度是水塔拆除的关键，它对爆破效果和爆破安全起到直接的影响，所以本文将通过对切口形成时钢筋混凝土的应力相关力学计算来确定切口圆心角的大小，通过刚度条件来确定切口的高度，并运用到水塔拆除中。

1 爆破切口相关参数的计算

1.1 爆破切口圆心角的计算

水塔拆除方案中最常见的就是定向倾倒，拆除施工方便，倒塌效果也比较好。在水塔拆除过程中，对于切口的选择一般是使用正梯形或倒梯形切口。在拆除爆破水塔时，由于梯形切口的底部界面会相对薄弱，在切口形成后最先遭到破坏，所以对切口底部截面处进行着重分析。假设爆破切口圆心角为α，其圆心角对应的弧长为L，剩余截面的圆心角为β，如下图1所示[9]。

(1)爆破切口生成后，剩余支撑体截面面积为

(1)

(2)剩余支撑截面的偏心距计算

(2)

考虑到水塔拆除的钢筋因素，用下式计算e

[3(R1+r1)(π-α+μW)]

(3)

(3)剩余支撑部分截面对形心主轴的惯性矩

(4)

式中：r1为钢筋到水塔筒心的距离；R1筒体外壁到水塔筒心的距离。

(4)在水塔倾倒初始时，倾倒力矩等于偏心距e与重力mg的乘积

(5)

式中：M为倾倒力矩；m为水塔爆破切口以上部分的质量。

(5)取水塔切口截面受拉区端点F所受到的拉应力与混凝土的极限抗拉强度相等的阶段，即为极限平衡状态。根据材料力学理论，结构偏心受压，F点应力为[10，11]

(6)

F点处1个壁厚材料的面积为[12]

(7)

该处1个壁厚材料的最大抗拉能力为

Fmax=Sfct+Sμ0fst

(8)

式中：fct为混凝土的极限抗拉强度；fst为钢筋极限抗拉强度；μ0为该点处的配筋率。

所以

(9)

在这种极限平衡状态下，应力条件为

(10)

同时，受压区的最大压应力也应该满足

(11)

式中，fbc为混凝土的抗压强度。

通过应力条件对上面式(1)到式(11)的式中综合运用计算，可以计算出爆破切口圆心角α的值。

1.2 水塔爆破切口的高度设计计算

根据刚度要求计算切口高度，钢筋混凝土爆破时，一般只使钢筋周围的混凝土脱离钢筋，切口处的钢筋还支撑着建筑上部结构的重量。如果爆破切口的高度不够，而钢筋支撑力足够大时，依然可以使钢筋混凝土高耸建筑物炸而不倒。因此，要保证钢筋混凝土高耸建筑物爆破后倒塌，切口处裸露钢筋的长细比应大于规范规定的长细比，即[13]

λ≥[λ]

(12)

式中：λ为钢筋的长细比；[λ]是钢结构设计规范所规定的长细比，一般取[λ]=150。根据材料截面的几何特性的计算公式，钢筋的长细比为

λ=μh/i

(13)

式中：μ是轴心压杆计算长度系数，刚性固定时μ=0.5；h是爆破切口高度，mm；i是钢筋截面回转半径，i=d/4，而d为钢筋直径，mm。

将式(13)带入式(12)中得

h≥d[λ]/(4μ)

(14)

综上式(1)到式(14)，可以计算得到水塔拆除中的关键参数切口圆心角和切口高度的数值，对拆除方案设计中起到理论支撑。

2 水塔拆除的数值模拟

2.1 工程概况

拟拆除水塔的主体为钢筋混凝土结构，地面以上至水塔伞盖底端高度为27 m，建筑高度33 m，水塔重量为132.5 t，重心高度为16.5 m，水塔底部外半径为1.26 m，内半径1.04 m，壁厚0.22 m，底部配置单层间距为10 cm的φ22Ⅱ级钢筋为主筋，配筋率为0.2%。见图2、图3。

2.2 建模过程

根据现场的实际环境，选择在水塔下端0.5 m以上布置炮孔，形成爆破缺口。缺口上部自重为1298.5 kN，混凝土的极限抗拉强度2 MPa，混凝土极限抗压强度为20 MPa，钢筋极限抗拉强度为360 MPa。根据上述式(1)到式(14)，计算可得缺口对应的圆心角为235°，切口高度为1.65 m。切口下部长度为5.17 m，切口上部取切口截面周长的1/2，为3.96 m。

本次建模使用ANSYS/LS-DYNA软件，采用整体式模型对钢筋混凝土结构进行分析，水塔整体使用SOLID164实体单元，*MAT BILINEAR ISOTROPIC材料模型。因为不必测量地面的震动速度，减少计算的时间和工作，所以选用刚体作为地面材料。水塔和地面的界面采取LS-DYNA里面存在的主动单面触碰演算模型。通过设置模型中缺口材质的失效时长，缺口材料在1 s时失效，模拟水塔的拆除爆破。

水塔倾倒的时间历程模拟如图4所示。

水塔的倒塌长度和水塔倒塌方向是否发生偏移可以从水塔顶部的关键节点的位移得出。取水塔顶部的关键节点，其位移如图5～图7。

通过图5得出，水塔顶部节点最大水平位移(X轴)为35 m，水塔实际高度为33 m，水塔倒塌向前移动了2 m。通过图6得出，水塔顶部节点竖直方向(Y轴)最大位移为33 m，与水塔实际高度一致，倒塌充分。通过图7得出，水塔顶部节点侧方向(Z轴)在倒塌触地前的最大位移为0.09 m，水塔按预期方向倒塌，未发生偏移。水塔整体倒塌效果符合预期，倒塌较好。

2.3 工程实际操作和模拟

水塔在实际施工过程中，爆破缺口采用正梯形，通过相关类似工程的经验公式得出爆破圆心角设计为220°，切口长度比为L/S=0.61，周长S为7.93 m，得到梯形大边爆破切口长度L为4.83 m，梯形切口短边长度L2为3.96 m，梯形切口高度为1.2 m。

根据工程上述的设计进行施工，爆破结果如图8所示。

如图8所示，发现水塔爆破缺口中，钢筋已经发生大的变形，失去了承载能力，而支撑部分的混凝土未发生较大形变。剩余支撑部分强度仍能满足要求，水塔未能倒塌。

由于在爆破方案设计时，爆破缺口的圆心角为220°，开口角度较小，预留支撑部分过多，爆破后，水塔的倾覆力矩小于水塔的支撑力矩，未能发生倾倒。

根据其设计方案给定的参数，对水塔也进行数值模拟，如图9所示。

如图9所示，水塔在2 s时发生了及其微小的倾斜，但是在8 s时还是没有发生倾倒。与实际工程中的情形相符合。

而后在其在进行二次爆破时，在保证对称性的前提下，在定向窗的顶部外覆炸药，爆破后，水塔发生倾倒，效果达到预期。爆破后效果如图10所示。

3 结论

通过使用ANSYS/LS-DYNA软件对水塔倒塌过程进行模拟，运用应力条件和刚度条件计算得出的相关参数模拟的水塔顺利按预期倒塌，其倒塌效果比较好，与实际工程中二次爆破后水塔的倒塌效果相符。而运用经验公式得出的相关参数进行模拟的水塔未发生倒塌，与其实际施工中的实际情况是相符的。

在水塔拆除过程中，选用合适的计算方法得出的相关参数对水塔的成功拆除是至关重要的，运用应力条件和刚度条件计算水塔缺口圆心角大小及缺口高度等关键参数是可行有效的。利用ANSYS/LS-DYNA软件对水塔拆除的模拟是行之有效的，对现场的实际施工具有指导意义。