特大型钢结构建筑物爆炸切割拆除机理及应用研究

摘要

本文对特大型钢结构爆炸切割拆除机理及应用进行了研究。随着国民经济的飞速发展，我国目前已经有越来越多的建筑采用钢结构，例如著名的北京奥运场馆鸟巢、水立方和上海的金茂大厦、环球金融中心，以及大量的厂房、桥梁、航站楼、高铁站、会展中心、体育场馆等。但随着钢结构建筑使用寿命的到来，钢结构建筑的拆除已成为建筑行业的一个新的研究课题。传统的建筑爆破拆除技术不能满足钢结构建筑拆除的需要，而在小型钢结构拆除中被广泛使用的机械切割拆除和化学切割拆除也显然无法完成大型钢结构建筑拆除的要求，因此亟待需要找到一种新的拆除方法来解决这个问题。
　　利用线性聚能切割装药技术对大型钢结构建筑物进行爆炸切割拆除是近十几年中比较常见且行之有效的拆除模式，也是拆除爆破中的一种特殊的拆除模式。但对于特大型钢结构爆炸切割拆除还没有任何的先例，要安全顺利完成这类爆炸切割拆除任务，在技术上要克服不少困难，尤其在关键技术环节上要有所突破，比如说在预处理安全性和倾倒可靠性上、线性聚能切割器设计上和闹市区大量裸露装药爆炸的安全防护措施上等关键技术环节均要有创新性的技术突破。本文从这三项关键技术的研究现状和急需解决的技术难题入手，首先针对特大型钢结构爆炸切割拆除前预处理工作的安全性从整体结构的稳定性的角度考虑，采用理论法和有限元法分别进行了论证研究，并得出了较为恰当的预处理方案，并采用相同的方法对钢结构物定向倾倒的可靠性进行了分析研究，从而得出确定合理炸高的计算方法;其次对适用于特大型钢结构爆炸切割拆除工程的线性聚能切割器的各个设计参数进行深入研究，最终确定切割器结构参数优化的模式和具体方法;再次，分析了大型爆炸切割工程中大量裸露装药的危害效应，针对危害效应创造性地提出了相应的防护措施，并通过理论、数值模拟和试验等手段对防护措施具体效果进行了深入研究;最后，结合沈阳绿岛室内体育馆目前这一世界上最大规模的爆炸切割拆除工程，将研究成果成功应用到这一工程实例中，使爆炸切割拆除技术水平上升到前所未有的高度。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1．研究的目的和意义

1．2．国内外研究现状及进展

1．2．1．钢结构建筑物稳定性和倾倒失稳研究的现状及进展

1．2．2．线性聚能切割理论研究的现状及进展

1．2．3．裸露装药爆炸冲击波削波技术研究的现状及进展

1．3．本文的主要研究内容和研究方法

1．3．1．研究内容

1．3．2．研究方法

2．特大型钢结构建筑物稳定性及倾倒失稳分析

2．1．钢结构稳定性分析方法

2．2．结构稳定性分析的有限元法基本原理

2．2．1．结构有限元分析的步骤

2．2．2．结构弹性屈曲有限元分析

2．2．3．荷载增量法

2．3．钢结构整体稳定性分析

2．3．1．基于钢结构整体稳定性的爆前预处理原则

2．3．2．钢结构物爆前预处理方式

2．3．3．钢结构物爆前预处理对结构稳定性影响分析

2．4．钢结构可靠倾倒失稳分析

2．5．小结

3．线性聚能切割器切割机理与结构参数优化研究

3．1．线性聚能装药射流形成和侵彻机理

3．1．1．概述

3．1．2．线性聚能装药金属射流形成机制

3．1．3．线性聚能装药金属射流侵彻理论

3．2．影响线性聚能聚能装药侵彻能力因素分析

3．2．1．炸药性能

3．2．2．装药形状

3．2．3．药型罩

3．2．4．炸高

3．2．5．壳体

3．2．6．起爆方式

3．3．线性聚能切割器的优化设计

3．3．1．线性聚能切割器的初步设计

3．3．2．线性聚能切割器结构参数的优化设计

3．3．3．结构优化后的切割器射流形成过程数值模拟

3．4．小结

4．钢结构爆炸切割拆除危害效应及防护措施研究

4．1．爆炸冲击波及噪音产生机理、危害效应和防护措施

4．1．1．爆炸冲击波及噪音危害效应

4．1．2．裸露装药爆炸空气冲击波传播特性

4．1．3．冲击波削减技术

4．1．4．爆炸冲击波削减技术试验研究

4．2．爆破震动机理、危害效应及防护措施

4．2．1．爆破震动

4．2．2．塌落触地震动

4．2．3．减震技术研究

4．3．其他危害效应及防护措施

4．4．小结

5．特大型钢结构物爆炸切割拆除工程实例

5．1．工程概况

5．1．1．全钢结构体育馆的结构概况

5．1．2．全钢结构体育馆的周围环境

5．1．3．爆破施工要求及难点

5．2．聚能切割器试验分析及设计定型

5．2．1．切割器靶场切割试验

5．2．2．切割器定型设计

5．2．3．切割器炸断试验和现场验证试验

5．3．预处理方案

5．3．1．立柱结构力学模型的建立

5．3．2．未处理立柱的极限承载力

5．3．3．结构荷载分析与构件允许的弱化度

5．3．4．预处理后立柱极限承载力与屈曲模态

5．3．5．预处理参数校核—结构内力分析

5．3．6．预处理方案拟定

5．4．倾倒失稳分析与倾倒方案设计

5．4．1．采用解析法分析

5．4．2．采用有限元法分析

5．4．3．爆破分区与倒塌方向

5．5．爆破网路设计

5．5．1．国内外大规模起爆网路发展现状及其发展趋势

5．5．2．数码电子雷管及其起爆网路

5．5．3．钢结构爆炸切割拆除爆破网路设计原则

5．5．4．本工程爆破网路设计

5．6．爆破安全校核及防护措施

5．6．1．爆破安全校核

5．6．2．安全防护措施

5．7．爆破效果及其分析

5．7．1．整体爆破效果

5．7．2．爆破振动监测结果分析

5．7．3．爆破空气冲击波监测结果分析

5．7．4．视频监控录像分析

5．8．小结

6．结论与展望

6．1．结论

6．2．进一步工作展望

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢