高耸建筑物倒塌过程分析

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1、高耸建筑物倒塌过程分析精仪系机25班陈博翁020791摘要：本文应用所学过的力学知识，对高耸建筑物（以烟囱为例）爆破拆除的倒塌过程进行分析，并结合工程实际给出结论。关键词：爆破拆除，倒塌过程，烟囱引言：在烟囱等高耸建筑物的拆除中，由于人工拆除需要工人高空作业，因此一般不采用；实际常采用的拆除方法是定向爆破拆除。这种方法经过几十年的工程实践，已经积累了不少经验。近年来，国内也多次采用该方法来拆除烟囱等高耸建筑物。本文从力学原理出发，结合工程实际，对烟囱爆破拆除的全过程进行分析，得出与实际观察结果大致

2、相似的结论。一．烟囱的倾倒原因1．分析：在烟囱的拆除过程中，人们通常是在烟囱倾倒方向的下部利用爆破形成一个缺口，并以保留部分作为支撑，这样，缺口就相当于一个铰链，缺口以上部分就在重力矩作用下绕缺口作定轴转动，落地撞击解体粉碎。下面就对烟囱的倾倒原因作定量说明。hcCGDOABLαrCGODA(B)图1图22．简化模型：烟囱是筒形物体，有一定的壁厚d=外半径r外-内半径r内。在目前所学的知识范围内，作为简化模型（I），①不考虑壁厚d，而设想烟囱为一半径为R=（r外+r内）/2的薄壁圆筒；②设烟囱是刚

3、体。3．定量说明：设烟囱重心高度hc，爆破后形成缺口形状如图。1）．形成缺口后，重力对点O的矩为MG=GrOD部分可提供的约束力偶设为MOD若MG>MOD，烟囱将绕O点作定轴转动。实际上，由于烟囱所受的重力很大，这个条件极易满足。2）在转过一个小角度α后，A、B点重合，此时若G的作用线在A点右侧，则在重力矩作用下烟囱将绕A（B）点作定轴转动直到落地。由图1tanα=L/(R+r)………………①由于一般L<

4、x>R代入①②，有L>R(R+r)/hc4．结论：根据③式，欲使烟囱顺利倾倒，缺口高度L不可以太小。二．烟囱倾倒的过程1．简化模型：在烟囱绕A点转动后，作为简化模型（II），烟囱可视为一匀质杆。2．分析：从烟囱截取长为x的一段EF为研究对象，EF受力情况分析如下：重力xG/L，EF切向加速度引起的惯性力F1，EF法向加速度引起的惯性力F2，F截面上的约束力F3，F4，约束力偶Mx。使烟囱从F面断裂的主要原因是Mx，分析如下：研究F截面，可见Mx是由压力T1，拉力T2提供的。若T2超过材料所能承受的

5、最大拉力，则F面处将断裂。xG/LAFEθFT1T23．定量说明：图3中，以F点为矩心（F2、F3、F4对F点的力矩为零），由动静法，列EF部分的力矩平衡方程：-MG-MF1+Mx=0而MG=xGsinθ*x/2LMf1=m(L-x)ξ*x*x/2L+m[L-(L-x)]*x*x*ξ/3L以整体为研究对象求ξ：mgLsinθ=mL2*ξ/3ξ=3gsinθ/2L代入，整理得：Mx=0.25WLsinθ(x/L)2(1-x/L)求Mx的极值，有dMx/dx=0x=2L/3匀质烟囱各处所能承受的最大拉

6、力均相同，那么如果烟囱发生断裂的话，断裂面将在2L/3处。4．结论：由以上的计算可知，在烟囱的匀质杆简化模型中，距顶部2L/3处最可能发生断裂。但是，这只是个理论结果。在实际工程问题中，本简化模型的一个重要假设无法得到满足：烟囱各处所能承受的最大拉力往往不相同。实际上，人们所要拆除的烟囱通常都是使用多年、有严重老化现象的。一般情况下，在烟囱的某些部位已经有一些裂纹，这些地方所能承受的最大拉力显著减小，因此，最可能发生断裂的将是这些部位而不是2L/3处/。三．烟囱落地后飞散石块的估算1．分析：当烟囱

7、落地时，其末端部分的速度可以非常大，与地面碰撞后反弹起的石块，这就形成了所谓的“飞石问题”。2．简化模型：仍使用三中的简化模型（II）。3．定量说明：ξ=dω/dt=dω*ω/dθ=3gsinθ/2L积分得：ω=(3g(1-cosθ)/L)0.5θ=90。时ω=（3g/L）0.5v末端=ωL=（3gL）0.5而L通常是很大的，所以v末端通常也很大。若地面较硬，设恢复系数为e=0.5，则末端反弹的石块速度为v石=v末端/2=（3gL）0.5/2由于碰撞过程的复杂性（石块与地面、石块与石块间），反弹石

8、块的速度方向可能各个方向均有。4．结论：“飞石问题”是拆除烟囱等高耸建筑物时所必须小心防范的，如果处理不当就可能造成事故。目前常采用的一些防护措施有：（1）使地面松软——减小e；（2）在烟囱表面上遮盖上防护层。（3）在倒塌方向即飞石的主要方向建多道土坎。四．参考书目1．张云鹏,甘德清,郑瑞春编著拆除爆破北京:冶金工业出版社,20022．黄绍钧编著工程爆破设计北京:兵器工业出版社,19963.姜彦忠JiangYanZhong编著爆破技术基础北京:中国铁道出版社,19944.傅志峰.李