高層樓房爆破拆除模擬研究與實(shí)踐應(yīng)用

李永強(qiáng)LI Yong-qiang；張英才ZHANG Ying-cai

（①河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，焦作 454000；②新鄉(xiāng)市市場監(jiān)督管理局平原示范區(qū)分局，新鄉(xiāng) 453000）

0 引言

城市用地日益緊張，同時又受城區(qū)狹窄場地、施工進(jìn)度、人員財(cái)產(chǎn)安全等影響，使得爆破拆除技術(shù)在城區(qū)建筑改造重建工程中越來越常見。得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的更新迭代，建（構(gòu)）筑物的爆破拆除技術(shù)有了快速的發(fā)展，到如今已經(jīng)形成較為完備的工程科學(xué)技術(shù)體系[1-2]。

通過數(shù)值仿真模擬建（構(gòu)）筑物的倒塌過程及形態(tài)已經(jīng)有較多的研究[3-7]，本文基于前人的研究，采用雙向微折疊爆破拆除技術(shù)，運(yùn)用底層卸載減振方法，使用ANSYS/LS.DYNA 軟件對高層建筑物破壞過程和觸地振動進(jìn)行了研究，與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，驗(yàn)證雙向微折疊爆破拆除技術(shù)在工程爆破中的效應(yīng)，優(yōu)化施工方案，以期研究成果能夠?qū)︻愃频谋撇鸪こ烫峁┮欢ǖ慕梃b。

1 爆破原理及方法

1.1 拆除原理 一般來說，建（構(gòu)）筑物的爆破拆除是根據(jù)設(shè)計(jì)思路來反向考慮的，即通過破壞柱、梁、樓板等主要稱重支撐構(gòu)件，打破結(jié)構(gòu)的受力穩(wěn)定平衡，使其在重力的作用下失穩(wěn)倒塌解體。爆破切口形成之后，切口處剩余結(jié)構(gòu)要能夠在短時間內(nèi)支撐上部結(jié)構(gòu)；同時，在重力形成的傾覆力矩作用下，支撐上部結(jié)構(gòu)繞切口處支點(diǎn)轉(zhuǎn)動。撐住和轉(zhuǎn)動幾乎是同時發(fā)生的，只有當(dāng)建筑物轉(zhuǎn)動并產(chǎn)生一定的能量之后，才能夠發(fā)生碰撞破碎和觸地解體。所以，爆破切口的形式對于爆破拆除的倒塌方向和效果至關(guān)重要，對爆破切口的形式也有一定的要求[8]。

1.2 雙向微折疊爆破拆除技術(shù) 雙向微折疊爆破拆除技術(shù)屬于折疊倒塌形式的一種特殊形式，主要是根據(jù)某些特殊的拆除爆破工程實(shí)踐所設(shè)計(jì)的一種切口形式。結(jié)構(gòu)開設(shè)上下兩個切口，切口形式可以根據(jù)工程實(shí)際分別設(shè)計(jì)，上部切口開口朝向與主倒塌方向相反，率先起爆，用來控制地面振動、觸地沖擊距離等，降低對狹小場地的要求；下部切口開口朝向?yàn)橹鞯顾较颍Y(jié)合場地環(huán)境設(shè)計(jì)，保證主體結(jié)構(gòu)解體破壞。它的原理基于以下步驟：①結(jié)構(gòu)分析：在進(jìn)行拆除前，對建筑物或結(jié)構(gòu)物進(jìn)行仔細(xì)分析，確定其內(nèi)部的構(gòu)造和強(qiáng)度分布，包括建筑物的材料類型、支撐結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等方面的詳細(xì)信息。②弱化結(jié)構(gòu)：根據(jù)結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果，設(shè)計(jì)出一種使建筑物的結(jié)構(gòu)弱化的方案。這一步驟旨在降低建筑物的整體強(qiáng)度，以便在爆破時能夠更有效地崩塌。③預(yù)置爆破物：在建筑物的關(guān)鍵位置和弱化區(qū)域，預(yù)置爆破物。這些爆破物通常是高度控制的爆破藥物，能夠在引爆后產(chǎn)生所需的爆炸效果。④控制引爆：在預(yù)置爆破物準(zhǔn)備就緒后，采用精確的引爆控制手段，例如電子引爆系統(tǒng)，以確保爆破在特定的時間和位置發(fā)生。通過控制引爆，實(shí)現(xiàn)對建筑物崩塌的方向、速度和程度等參數(shù)的精確控制。⑤崩塌和清理：一旦引爆發(fā)生，建筑物的結(jié)構(gòu)會崩塌并倒塌在預(yù)定的方向和形式中。然后，拆除團(tuán)隊(duì)會進(jìn)行清理和移除殘余的廢墟，以便進(jìn)行后續(xù)的處理或新建項(xiàng)目。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況 聯(lián)通大樓是一幢鋼筋混凝土建筑物，該樓房主體為框架結(jié)構(gòu)，共十四層，呈東西方向布置，西側(cè)為長方形結(jié)構(gòu)，東側(cè)為圓形構(gòu)造。大樓東西長38.5m，南北寬12m，主體高度51.7m，總高度65.2m。承重柱為南北方向3 排，東西方向8 排。

2.2 爆破設(shè)計(jì) 在本工程中對磚墻、剪力墻及步梯進(jìn)行預(yù)處理，主要是切斷相應(yīng)部位的受力鋼筋。在爆破拆除時，對平行于倒塌方向的梁板兩端和中間布置三個爆破切口，以破壞其整體性，從而有效降低建筑物的穩(wěn)定性，保證主體結(jié)構(gòu)充分爆破解體[9]。采用復(fù)合梯形爆破切口，底部6層總高26.8m，底部第1 層高度5.0m，2～6 層高度21.8m，切口高度取2～6 層。蘑菇亭位于標(biāo)高51.7m 至65.2m 位置，總高13.5m；為圓筒形結(jié)構(gòu)，筒壁為鋼筋混凝土，壁厚24cm；蘑菇亭直徑4.2m。蘑菇亭向西側(cè)開設(shè)切口，切口弧長計(jì)算得7.65m，切口高度取1.2m。

考慮到待拆除樓房的結(jié)構(gòu)形狀特性及其周邊環(huán)境情況，決定使待拆除樓房向正東方向倒塌，蘑菇亭向西側(cè)倒塌；蘑菇亭首先起爆，主切口與蘑菇亭間隔1975ms，蘑菇亭孔內(nèi)裝填ms2 雷管，延期時間25ms。采用大段別多段位裝藥，使樓房向空地逐段倒塌，即一區(qū)首先起爆塌落，二區(qū)、三區(qū)、四區(qū)、五區(qū)均半秒延期逐次起爆，使樓房形成設(shè)計(jì)切口，在重力作用下向預(yù)定方向塌落[10]。

2.3 仿真模型 綜合考慮工程要求和單元特性，本文建模使用單位制為g-mm-μs，與實(shí)際結(jié)構(gòu)1:1 建模?？紤]到建立幾何模型的便捷性，在AutoCAD 中創(chuàng)建整體幾何模型，再輸入到ANSYS/LS.DYNA 中創(chuàng)建有限元模型，單元尺寸為40cm，保證計(jì)算的精度及速度。

主體模型均使用Solid164 實(shí)體單元，采用整體式建模，將鋼筋的性能通過度EI 等效原則提高材料的彈性模量來實(shí)現(xiàn)，同時把剪力墻、填充墻、圍墻等換算成相應(yīng)的密度，施加到結(jié)構(gòu)上面，材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

使用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 關(guān)鍵字控制塑形隨動硬化材料來模擬主體結(jié)構(gòu)和地面，對于爆破立柱使用默認(rèn)的材料。

考慮到模型中主體使用*MAT_ADD_EROSION關(guān)鍵字， 在此采用*CONTACT_ERODING_SIN GLE_SURFACE 侵蝕單面接觸，靜摩擦系數(shù)取值0.5，動摩擦系數(shù)取值0.5。數(shù)值仿真模型如圖1 所示。

圖1 數(shù)值模型

3 數(shù)值仿真結(jié)果分析

3.1 倒塌過程分析 聯(lián)通大樓爆破拆除數(shù)值仿真倒塌過程如圖2 所示。0.05s 時，蘑菇亭首先起爆，由于蘑菇亭底部還有一定支撐能力，重心未明顯偏出底部截面抵抗力矩，未發(fā)生明顯傾斜位移。2s 時，一區(qū)爆破立柱起爆，主爆破切口開始形成，結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力重分布，大樓主體仍保持一定的穩(wěn)定性，二層?xùn)|側(cè)樓板產(chǎn)生松動，下沉效果不明顯。3s 時，三區(qū)立柱已經(jīng)起爆，東西側(cè)連接部位開始出現(xiàn)裂縫，樓板受拉破壞斷裂，橫梁與立柱連接處受力較大，東側(cè)結(jié)構(gòu)開始有下沉跡象。4s 時，爆破切口完全形成，底層立柱在上部結(jié)構(gòu)沖擊作用下開始破壞斷裂，西側(cè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯扭曲，大樓整體有明顯東向傾倒跡象。6.4s 時，大樓東向傾倒的趨勢已經(jīng)確定，西側(cè)結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全破壞，東側(cè)結(jié)構(gòu)底部破壞，上部仍在變形破壞；蘑菇亭底部與頂層樓板完全分離，隨著蘑菇亭撞擊頂層框架梁柱，蘑菇亭中間部位斷裂。t=7.64s 時，蘑菇亭完全觸地，由于底層的緩沖作用，蘑菇亭尚有一定的完整度，大樓基本解體破壞，爆堆高度進(jìn)一步壓縮降低。

圖2 倒塌過程數(shù)值模擬結(jié)果

與相同時刻的實(shí)際倒塌過程圖3 進(jìn)行對比，可以看出數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)際過程比較吻合，結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)一致。

圖3 實(shí)際倒塌過程

3.2 結(jié)果分析 ①節(jié)點(diǎn)位移。A 節(jié)點(diǎn)為七層樓頂112174 號節(jié)點(diǎn)，B 節(jié)點(diǎn)為九層樓頂112172 號節(jié)點(diǎn)，C 節(jié)點(diǎn)為十二層樓頂87261 號節(jié)點(diǎn)，D 節(jié)點(diǎn)為蘑菇亭頂部220614號節(jié)點(diǎn)。由圖4 位移時間曲線，可以明顯看出，節(jié)點(diǎn)位移距離最大的是十二層頂部節(jié)點(diǎn)C，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蘑菇亭頂部節(jié)點(diǎn)D 的位移距離，D 點(diǎn)位移距離為10m，證明蘑菇亭反向傾倒切口產(chǎn)生了微折疊效果，有效縮短倒塌距離。②節(jié)點(diǎn)速度。A 節(jié)點(diǎn)為蘑菇亭頂部220631 號節(jié)點(diǎn)，B 節(jié)點(diǎn)為十二層樓頂73813 號節(jié)點(diǎn)，C 節(jié)點(diǎn)為七層樓頂24248 號節(jié)點(diǎn)。如圖5 所示，蘑菇亭頂部節(jié)點(diǎn)A 是豎直方向上最高的節(jié)點(diǎn)，在7.2s 時運(yùn)動速度最快，為22.7m/s，各節(jié)點(diǎn)在8s 時速度趨于穩(wěn)定，從開始運(yùn)動到基本穩(wěn)定，歷時5s，說明大樓倒塌的持續(xù)過程較短，爆破解體過程更加緊湊。③地面振動。選擇地面節(jié)點(diǎn)A 編號961538，節(jié)點(diǎn)B 編號963922。由圖6可知，地面振動發(fā)生于起爆之后4s 左右，即主爆破切口完全形成，切口上部結(jié)構(gòu)開始觸地時，峰值出現(xiàn)在7.4s，此時大樓整體傾倒運(yùn)動速度達(dá)到峰值，由此產(chǎn)生觸地振動效應(yīng)也最大，振動速度峰值為1.27cm/s。圖7 為實(shí)際爆破工程振動波形圖，可以看出，振動產(chǎn)生時間較早，峰值為0.91cm/s，比數(shù)值仿真結(jié)果略小。由于現(xiàn)場炸藥爆炸時會產(chǎn)生振動，通過梁柱等結(jié)構(gòu)傳到到地面，導(dǎo)致振動提前；地面仿真材料類型、地面硬化、現(xiàn)場減振措施等，影響傳導(dǎo)效果，減小了觸地振動。總體來看，地面振動的仿真結(jié)果與實(shí)際工程比較一致，通過仿真計(jì)算，能夠預(yù)先了解觸地振動數(shù)據(jù)，從而更好作出并完善相應(yīng)的減振措施。

圖4 位移-時間曲線

圖5 速度-時間曲線

圖6 地面振動

圖7 振動波形圖

4 結(jié)論

①大樓主體的實(shí)際倒塌過程與形態(tài)和數(shù)值仿真結(jié)果有較高的一致性，均從第五榀框架和第六榀框架之間產(chǎn)生撕裂破壞，東側(cè)結(jié)構(gòu)下沉，西側(cè)結(jié)構(gòu)受拉破壞，整體樓房產(chǎn)生東向傾倒效果，說明通過仿真模型能夠預(yù)測倒塌過程及形態(tài)。②第二層開設(shè)切口，減小了狹窄場地的負(fù)面影響，同時起到了減振緩沖作用，觸地速度和地面振動有效降低，減少二次工程量。③利用雙向微折疊爆破拆除技術(shù)，控制建筑倒塌范圍，縮短爆堆長度，降低飛石距離和振動速度，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。