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爆破切口高度对框架结构后坐影响的数值分析*

更新时间:2016-07-05

对钢筋混凝土框架结构楼房实施定向爆破,楼体向事先确定的方向倾倒时,有时会出现在倒塌过程中整体向后滑移,这种现象称之为后坐[1]。如果附近场地相对宽裕,后坐不会产生大的影响,但在市区内各种建筑相距较近,或与交通要道紧紧相邻,如果楼房爆破倒塌产生后坐,就会对周围建筑物和公共交通造成一定的影响,甚至会造成严重损失或重大事故[2]。对框架结构楼房实施定向爆破拆除的主要技术措施,是对其底部支撑立柱爆出一个三角形或梯形爆破切口,使楼房整体失稳,并绕一定轴转动、倾倒冲击地面而解体破坏[3]。一般而言,爆破切口高度越大,对楼房失稳倾覆倒塌越有利;但切口高度越大,产生的后坐越大;然而切口高度过小,又可能出现楼体仅倾斜而不倒塌的情况,如长沙高桥园林6层办公楼和湖南华天大酒店7层楼定向爆破拆除分别呈17°和19°斜立[4]。因此在场地狭隘处,实施框架结构楼房的定向爆破拆除,选择合理的爆破切口高度、有效控制爆破后坐,是保障爆破成功的关键所在[5]

1 主体结构倒塌“后坐”理论模型

目前研究爆破“后坐”方面的学者认为主体结构倒塌后坐分为两个部分:“机构后坐”和“后滑”。

1.1 机构后坐理论模型

以钢筋混凝土框架结构为例,机构后坐理论可简述为:当框架结构爆破切口完全形成后,重力荷载向支撑柱传递而产生倾覆力矩M,在后支撑柱b点,抗弯能力减弱,使得倾覆力矩M>M2(b处产生的抵抗弯矩),b点形成塑性铰,所以,框架结构上体随着支撑柱柱端“铰”b向前倒塌,如图1所示。

图 1 机构后坐示意图 Fig. 1 Structure recoil schematic diagram

M>M2

M=Pr2sin φ2>M2

(1)

同时,框架对“铰”b产生的转动力矩为

Md2=-M2

(2)

框架产生的向后推动力为

F=psin φ2cos φ2

(3)

Fl1>M1+Md2e时,框架结构的支撑柱向相反方向倒塌,其中柱底“铰”抵抗弯矩为M1,两个自由度的折叠机构运动就随之产生,“铰”b同时发生后坐,因此结构产生整体“机构后坐”[6]

1.2 后滑理论模型

随着结构朝着事先确定的方位倒塌,支撑柱柱底O点在径向压力及切向推力作用下,沿着地面向相反方向滑移,即

F>Nf

(4)

式中:F为上部结构的向后水平推力;N为上部结构对地面产生的垂直压力; f为地面与柱底之间的静摩擦系数。

框架结构倒塌,后坐距离由机构后坐与后滑距离构成,它与爆破切口高度和爆破网路延时设计有关。由于实际爆破的瞬时性、复杂性、不可重复性,使框架结构爆破后坐的实际对比性研究几乎不可实现,而数值模拟方法提供了可能。为对比研究爆破后坐,本文以前述理论为指导,以工程实例为对象,利用ANSYS-LS-DYNA构建框架结构爆破后坐的数值模型。

2 爆破切口的合理高度

工程中钢筋混凝土框架结构楼房爆破,能否按预定方向定向倾倒,爆破切口高度的选取至关重要。计算爆高的常用方法有[7]

(1)采用压杆稳定原理,通过欧拉公式计算最小爆破切口高度Hmin

(5)

对确诊为结核病的病牛全部扑杀处理,严格按照GB16546—1996《畜禽病害肉尸及其产品无害化处理规程》[2]进行无害化处理。

该公式忽视了支撑立柱先后爆炸偏心压力所产生的偏心矩作用和结构在倾倒过程中切口上下相互接触封闭阻碍倒塌的问题。

(2)利用重心偏移失稳,设计爆破切口高度h

(6)

式中:L为楼房倒塌方向的边长;H0为楼房重心高度,

此式表明,爆破切口高度越大,越有利楼体的倾覆倒塌。事实上,切口高度过大,会因切口闭合时间增长,使楼体倾倒所产生的后推作用时间延长、后推力增大,产生的后坐增大;同时,切口高度过大,还会因切口断面增大,使楼体重心不易偏出支撑面,而阻碍楼体的倾覆解体。

项目1:科研项目过程管理现状分析与体系构建,创新之处在于系统地进行国内外现状分析及构思信息化核算体系的搭建方案。

为限制过大爆高、控制爆破后坐,在式(6)基础上给出爆高的合理范围:设框架楼体的重心高度为H0,爆破切口高度为h,爆高对应的倾角为αAO与竖直方向的夹角为β。当楼体绕定轴A转动时,AC转动角度α后与地面闭合,成为新的支撑面;此时若楼体重心偏移至楼体外,即重心O点在新支撑面AC上的投影点在楼体之外,则楼体倾覆倒塌,此即式(6)的楼体倾覆的力学原理(图2所示)。不同的爆破切口,切口面就是楼体倾倒触地的不同新支撑面,重心O在不同缺口支撑面AC上的投影D的变化,如图2所示。可见,重心O初始落在楼体边缘的投影为E点,所对应的h1为最小爆高;随着爆高的增大,D点距楼体的距离增大,楼体倾覆力矩增大,对楼体倾倒越有利;爆高增大到时,D点偏离楼体的距离最大,h2即为最有利爆高;再增大爆高,D点回靠楼体,切口闭合时楼体倾覆力矩,不增反减,甚至D点还会落入楼体内,h3即为最大爆高。其数学表达式

图 2 爆破切口高度简化模型 Fig. 2 Blasting cut height simplified model

肖健还有一个更大的心愿,他希望通过种植有机蔬果,帮助更多的农民。未来,他想把园子做大,让更多的农民走到有机蔬果种植这一健康、良性循环且可持续发展的道路上来。

经数学推导,得出楼房定向爆破倒塌切口高度h的合理范围为

(7)

式中:LH0含义同前。

需考虑爆破后坐影响时,最适宜爆高应除倾覆力矩大外,还应使楼体倒塌产生的后坐要小。对此,需对影响楼房倒塌后坐的爆破切口高度及后排立柱爆高进行定量分析。利用数值模拟精细化研究,为爆破方案的优化和爆破后坐危害预测预报提供更有力的技术手段[8]

3 数值模拟分析

3.1 以工程实例建模

3.1.1 工程概况

一待拆8层钢筋混凝土框架结构楼房,需爆破拆除。楼房有纵向立柱12排,横向立柱5排,长64.2 m、宽20.2 m、高33.2 m,设有2个楼梯间。主要立柱截面尺寸为400 mm×400 mm、600 mm×600 mm、600 mm×1000 mm、700 mm×800 mm、800 mm×800 mm,主梁尺寸为500 mm×250 mm,楼梯部分设有厚度为250 mm的剪力墙,层间楼板是现浇板,板厚200 mm,墙体为填充墙,如图3所示。

图 3 爆破前框架楼后侧示意图 Fig. 3 Rear schematic framework building before blasting

数值模拟中涉及到的钢筋与混凝土分别选用BEAM161单元和SOLID164单元,材料都为塑性随动硬化材料*MAT_PLASTIC_KINEMATIC[9],为各向同性和随动硬化的混合模型,具体材料参数见表1。

3.1.2 建立有限元模型

数值模拟模型尺寸按实际待拆大楼尺寸1∶1建模。为了方便计算,对模型进行了简化,结构由柱、粱、钢筋、楼板、地面五部分构成。待拆大楼的有限元模型与爆破切口高度设计,如图4、图5所示。沿倾倒方向布置三角形爆破切口,各排立柱爆高分别为16.9 m、12.8 m、8.7 m、4.6 m、0 m(最后一排不炸),依次顺序起爆,时间间隔为0.5 s。

3.1.3 模型参数

楚墨不说话了。似乎念蓉的态度跟大吵大闹没有任何区别。悄无声息的吵闹,风声鹤唳的和谐,柔声细语的惩罚。现在,娇小的念蓉有一种居高临下的感觉。

总体爆破方案确定为向北定向倒塌,采用孔内高段位导爆管雷管、孔外低段位导爆管雷管的接力延时起爆网路。

钢筋混凝土框架结构楼房在倒塌过程中,结构之间的相互接触异常复杂,模型定义三个接触,框架主体与地面的接触、结构自身构件间的接触、地面与钢筋的接触[10]。事先无法对接触面进行判断,因此数值模拟采用的是LS-DYNA提供的*ERODING_SINGLE_SURFACE接触方式,对结构与地面、结构自身构件间的接触进行设置;为防止钢筋与地面接触时发生穿透现象,导致模拟结构出现虚假情况,钢筋与地面接触采用*NODES_TO_SURFACE来定义。

目前许多军工科研单位固定资产投资项目的管理还处于初级阶段,计划制定靠头脑风暴、项目调度靠嘴上沟通、评价考核靠个人好恶、资料齐套靠人工核对,缺乏高效、可靠的信息化管理手段,导致管理跟不上影响项目建设。

图 4 待拆大楼模型 Fig. 4 Demolishing building′s finite element model

图 5 爆破切口示意图 Fig. 5 The schematic diagram of a blasting cut

1 材料的物理力学参数

Table 1 Physical and mechanical parameters of materials

项目密度/(kg·m-3)弹性模量/Pa泊松比抗拉强度/Pa抗压强度/Pa钢筋78002.1×10110.273.1×1083.00×1010混凝土25003×10100.25×1071.11×1010

在数值模拟中,钢筋混凝土结构的断裂与破碎,是通过删除单元来实现。开始时,对材料设置一个实效阀值,当单元达到实效阀值时,材料单元失效,就从结构中直接删除。所以,材料失效控制对数值模拟的正确性,产生着直接的影响。模拟中,钢筋与混凝土材料都选择塑性随动材料,材料本身参数项提供了对材料失效的强度和应变控制的阈值。但是由于混凝土材料的抗拉性能远远小于抗压性能,在结构倒塌的过程中肯定存在许多拉应力失效的混凝土单元,所以对于混凝土材料的失效控制要从拉、压状态两种失效情况进行考虑。

亡羊补牢可以说是美国的立法系统如何对待行政道德问题的一幅写照。美国政坛的行政改革大体上就是这样一路走来的。正如作者所述:每当丑闻过后,立法系统才把目光投向道德 (The legislative branch often turns its attention to ethics in the aftermath of scandal)。不但如此,万一有议员涉案其中,同僚们的反应则往往是顾左右而言他,讨论起来不着边际、不得要领。实际上,因丑闻而催生的针对议员行为的有点意义的新规范,几乎是凤毛麟角。

3.1.4 实际效果与模拟结果对比

楼体爆破后,其后排实际情况和模型模拟后排情况,如图6、图7所示。

图 6 结构爆破实际后排示意图 Fig. 6 Blasting actual rear schematic structure

图 7 模拟效果示意图 Fig. 7 Simulation effect diagram

将实际爆破和所建模型模拟的相关结果,对比列于表2。

式中:E为弹性模量;J为主筋截面惯性矩;n为主筋根数;P为承重立柱荷载。

2 实际效果与模拟结果对比

Table 2 Effect compared with simulation result

项目倒塌长度爆堆高度后坐距离实际效果/m13.79.74.1模拟结果/m16.110.53.8绝对误差/m2.40.8-0.3相对误差/%17.528.25-7.32

可见,模拟结果与工程实际的倒塌情况基本一致:数值模拟倒塌长度误差为17.52%,相对较大,其原因是模拟时为了减少计算量,假设地面为刚性地面,有一定前冲,而使后坐减小;实际爆破地面作了减震处理,结构整体性强,没有前冲现象。同时表明,采用本数值模拟方法可以对框架结构楼房爆破可能产生的后坐予以预测,以便根据现场情况确定最适宜爆高。

(1)数值模拟分析得出,框架结构的爆破切口高度在之间的时候后坐距离相对较小且变化平稳,在的后坐距离上升幅度较大,但是为了能够保证结构触地时翻转并解体且后坐距离小,否则会造成炸而不倒反成危楼的情况,因此对于框架结构的爆破切口高度选择在左右。

3.2 不同爆破切口高度对后坐的影响

实际模拟对象为12层框架结构楼房,其楼房结构:横向立柱4排、纵向5排。具体结构尺寸如下:结构长度为48.6 m,宽度为15.3 m,高度为49.6 m;结构柱第1层为0.6 m×0.6 m×4 m,2~10层为0.6 m×0.6 m×3.6 m;结构梁为截面0.4 m×0.5 m的方梁;楼板为48.6 m×15.3 m×0.2 m。采用0.2 m的正方体体单元对结构模型进行网格划分。由于结构在地面上固定,因此在模型中结构与地面之间的单元采用共节点。建立的结构模型与钢筋模型如图8、图9所示。

图 8 12层框架结构模型 Fig. 8 12 Layer frame structure model

选取框架楼房后排支撑立柱爆高为0 m的模型。采用三角形爆破切口,切口高度根据(7)式计算范围为6.4~18.4 m,数值模拟选择爆破切口范围为4.4~22.4 m;为了定量分析,选择相同的爆破网路延时,顺序起爆的时间间隔为0.5 s。模拟不同爆高所对应的倒塌效果图,见图10。后坐距离见表3。根据对应数据做出不同爆高所产生后坐的变化曲线,见图11。

图 9 钢筋单元分布示意图 Fig. 9 Reinforced unit distribution diagram

图 10 模拟不同爆破切口高度对应的倒塌效果图 Fig. 10 Simulate the collapse of blasting cut height corresponding to different rendering

3 不同爆高对应的后坐距离(单位m)

Table 3 Different blasting height corresponding recoil distance(unitm)

爆破切口高度4.46.48.410.412.414.416.418.420.422.4后坐距离不倒1.261.241.371.431.932.353.173.904.76

结果表明爆高在6.4~12.4 m时,随爆高增大,后坐距离缓慢上升,即后坐增量较小;爆高在12.4~22.4 m时,后坐距离上升幅度较大,后坐距离增量较大。爆高12.4 m,对应12层框架楼基本处于其重心高度H0的1/2处。由模拟结果分析可知,为了确保楼体结构定向倒塌,并触地解体,而产生的后坐距离又较小,对于框架结构楼房实施定向倒塌的爆破切口高度,选择在H0/2左右为宜。

3.3 后排立柱不同爆高对后坐的影响

选取爆破切口高度为12.4 m的模型、三角形切口,后排立柱爆高从0 m开始,依次递增0.4 m的爆高至1.6 m(后排立柱爆高可为立柱的长边长,一般不超过1.5 m),故设后排立柱爆高范围为0~1.6 m;其他同前。对应的数值模拟倒塌效果,见图12。后坐距离见表4。不同爆高的后坐变化曲线,见图13。

图 11 爆高与后坐之间的关系 Fig. 11 Relationship between blasting height and recoil

4 后排立柱不同爆高的后坐距离(单位m)

Table 4 The back post to blow high produce different recoil distance(unitm)

后排立柱爆高00.40.81.21.6后坐距离1.431.321.291.271.31

图表说明:后排立柱爆高为0 m的时,后坐距离为1.37 m;爆高在0.4~1.6 m范围内,爆破后坐距离都比爆高为0 m时小,且变化幅度都不大。究其原因:

(1)爆高为0 m,即后排立柱不爆破,后排立柱的倾倒完全靠楼房倒覆弯矩牵引破坏所致,此时立柱抗弯最弱部位不在立柱根部,而在立柱中段。立柱中段某处被结构重载压折,在上部框架转动、向前倾倒所形成的后推力作用下,立柱底部未折断部分将被强力向后推,从根部折断,而形成后排立柱上前、下后的双折运动,从而使框架结构倒塌产生较大的机构后坐。实例中后坐距离大,就是后排立柱不爆,导致后排立柱从二楼根部折断,楼体后推力致使第一层立柱反转,而产生较大后坐。

大功率参量阵定向扬声器声学空间覆盖特性如图5所示。由图5可知,大功率参量阵定向扬声器区别于普通扬声器的特性在于它有着极强的指向性,声音发散角度达到±15°,在其指向区间范围外几乎无声音;且定向扬声器的发声强度超过100 dB,该指标非常先进,目前国内外类似产品均未达到该水平。当定向场声器安装于室内空间通道内时,没有了致命的强近场声音反射,仅仅产生远端反射(见图6)。远端反射通常比直接传播到听者的声强要低2个dB左右,而人耳的定向能力则在0.1 dB范围内即可明确方向,因此在封闭的室内空间,大功率参量阵定向扬声器有着极强的音源方向性。

(2)后排立柱根部形成一定爆高,使楼体优先在后排立柱根部折断,形成一个朝向设计方向的转动铰支,立柱爆破裸露长度不大的钢筋其抗压强度大,抵卸了楼体转动倾倒所产生的后推力,延缓了楼房的下坐、抵抗了后坐的产生,使后坐距离相对减小。

图 12 模拟后排立柱不同爆高对应的倒塌效果图 Fig. 12 Simulate the collapse of rear pillar blasting height corresponding to different rendering

图 13 后排立柱爆高与后坐距离之间的关系 Fig. 13 The relationship between back rear burst height and the recoil distance

可见,楼房定向爆破倒塌要使后坐小,后排立柱要炸,爆高以能保证在立柱根部形成转动铰支即可;若后排立柱不炸,也需将立柱外侧钢筋割断,削弱柱根强度,确保后排立柱优先在此点形成转动铰支。同时表明:若楼体倾倒,所产生的后推力太大,靠楼体自身无法阻止后坐的产生,环境又不允许有后坐发生,可采取对房屋后排立柱根部进行堆渣,以阻止楼房后坐。

4 结论

通过对12层框架楼房的拆除爆破倒塌过程的数值模拟优化分析,得出以下几点结论:

人们都说,相声是语言艺术,愚以为相声是表演艺术,而评书是语言艺术。学者张卫东先生曾说:“说书人和读书人的祖师爷都是孔子。说书的不是艺人,是先生。”作为评书艺术家的单田芳,同样是大众语言大师,他是东北版的老舍。

急性单纯性阑尾炎是外科常见的急腹症,发病率较高,若患者得不到及时有效的治疗,将加重其病情,甚至对生命安全构成威胁[1]。随着医学技术的快速发展,对于急性单纯性阑尾炎的治疗已形成一整套特定的模式,传统常规护理因其护理模式较为单一、灵活性较差等因素,不利患者预的后恢复[2-3]。中医临床护理路径按照对病情的监测、治疗及护理等顺序,保证了护理工作质量,对促进预后恢复、改善其术后状况等具有重要的作用[4]。基于此,本研究对急性单纯性阑尾炎患者给予中医临床护理路径干预,旨在分析其对急性单纯性阑尾炎术后康复的影响。现报告如下。

颈内动脉内膜切除术是将患者的狭窄侧的动脉粥样硬化斑块除去,使其管腔恢复,即狭窄率降低甚至达到正常水平,相应脑血流量增加,进而对脑缺血的症状得到改善[12]。本次研究再次证明CEA对症状性颈动脉狭窄具有明显的改善作用。

(2)要使楼房爆破后坐小,后排立柱要炸,爆高只需在后排立柱根部形成转动铰支即可;若后排立柱不炸,应将立柱外侧钢筋割断,削弱柱根强度,确保楼体后排立柱在此点处优先形成转动铰支。

(3)模拟过程中发现在结构在倒塌完成以后,爆破后坐可以通过设计尽可能降到最小却无法避免,对于要求非常严格的环境,为阻止楼房爆破后坐,可采用在楼房后排立柱根部堆一定高度和强度土渣的方法。

其中,TAi,j、CAi,j分别表示第i年j省的旅游、文化产业集聚度,选用从业人员区位熵指标[28]9来衡量。

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建筑绕水庭布置。余荫山房的布局紧凑灵活,坐北朝南,以庭院为中心组合建筑[3],建筑压边且围绕东西两个几何水庭布置(图1),起着扩大庭园空间的视觉效果。其整体格局遵循空间叙事原则安排景观,使得空间具有起承转合的节奏。在有限的园地中建造体量较大的“玲珑水榭”与“烷红跨绿廊桥”,使人不能一眼望尽东部的庭院,有曲径通幽之感。同时为了避免在视觉上“玲珑水榭”的体量过大,用环水的手法将人与建筑隔开,保持观赏距离,观赏路线的曲折达到对特定景观不同角度的观赏。

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图3 表示反应温度30°C,反应时间8 h,电流0.3 A,引发剂3 g,乳化剂用量变化范围从1~4 g情况下分子量的变化.

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马建军,田水龙,钟冬望,王立锋,李伦
《爆破》 2018年第1期
《爆破》2018年第1期文献

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