低沖擊原地解體框架建筑物的爆破方式研究

汪龍，李藝，文繼敏

（1安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽淮南，232001；2重慶市爆破工程建設(shè)有限責(zé)任公司，重慶400200）

低沖擊原地解體框架建筑物的爆破方式研究

汪龍1，2，李藝2，文繼敏2

（1安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽淮南，232001；2重慶市爆破工程建設(shè)有限責(zé)任公司，重慶400200）

該文介紹一種對建筑物實施拆除過程中采用的新型爆破方法——低沖擊原地解體框架建筑物，通過采用特殊的爆破方式，使下層立柱起到阻尼器的作用，緩解爆破沖擊，并建立計算模型，對樓體底層立柱的承載力進(jìn)行了比較計算，爆破結(jié)果與計算數(shù)據(jù)均得到反映，該方式具有較好的應(yīng)用前景。

爆破；低沖擊；承載力

引言

對于建筑物的爆破拆除，其設(shè)計原理在于破壞建筑物承重結(jié)構(gòu)，通過爆破手段破壞它的受力構(gòu)件或受力節(jié)點，使其結(jié)構(gòu)在自重作用下變形破壞塌落或沖擊地面，達(dá)到解體拆除的目的。但在城市復(fù)雜的建筑環(huán)境中，樓房的拆除爆破通常會有諸多限制條件，而有些條件會使樓房采用常規(guī)爆破方式拆除無法實現(xiàn)。某樓房的拆除過程中，針對現(xiàn)場實際情況，采用了一種低沖擊原地解體框架建筑物的爆破方式。

1 工程概況

為了配合城市改造，提升城市形象，某樓房需拆除改造，該樓房地上六層加地下二層，均為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，總長43.8m，總寬為20.3m，地面高度21.6m，平均每層3.6m，地下兩層每層3.9m。

待拆樓體周邊環(huán)境復(fù)雜，無定向倒塌空間，且按業(yè)主要求，原地下兩層需保留。

2 工程特點

2.1 待拆樓體為框架結(jié)構(gòu)，十分堅固，根據(jù)業(yè)主要求，負(fù)一層、負(fù)二層為保護(hù)范圍，均需保留，且各功能要保證正常運轉(zhuǎn)。

2.2 而該工程為保護(hù)地下兩層不受破壞，恰恰不能利用樓體自重塌落解體，更不能使其沖擊一層樓板。

3 拆除方案的確定

3.1 爆破方案

此次拆除任務(wù)，采用一次性爆破拆除法，爆破高度為2-6層。爆破時，先爆除第6層的立柱，使第6層的樓板平順的疊放在第5層樓頂上，其重量由第5層樓頂及立柱承載，待該疊放動作完成靜止后，再爆下一層的柱子，以減少下一層的樓頂和立柱承受的沖擊載荷。如上，依次爆除6-2層的立柱，1層不炸，以1層的樓頂和柱子承擔(dān)上部5層的爆后重量，以確保負(fù)一層的樓頂不受損壞。

通過控制爆破藥量和單耗，使2層立柱先減弱松動一下，僅使其混凝土強(qiáng)度降低，但不使其碎塊脫離鋼筋籠，如此，該層立柱在后續(xù)樓層依次爆破下墜的過程中，可起到一個阻尼器的作用，即每承受一次沖擊，其混凝土（已強(qiáng)度弱化）會加劇一次破壞，立柱會變形，同時吸收上部樓體下墜的能量，從而保護(hù)1層以下的立柱不受強(qiáng)沖擊荷載。

3.2 安全防護(hù)總體方案

該拆除工程樓房所處位置和環(huán)境相對復(fù)雜，但為了確保萬無一失，在爆破過程中除合理地選用各類爆破技術(shù)參數(shù)，控制一次齊爆的總藥量，減少爆破振動和爆破沖擊波及飛石外，還應(yīng)重點抓好被爆部位的覆蓋防護(hù)工作[1]，并在一樓地面鋪設(shè)沙袋，地下兩層均滿搭腳手架。

4 爆破參數(shù)的確定

本次爆破只炸毀樓體2-6層的立柱。

4.1 爆高確定

先爆碎立柱一定高度范圍內(nèi)的混凝土，使其脫出鋼筋籠，失去混凝土的支撐，鋼筋必然塑變，立柱失穩(wěn)，樓體倒塌。

依據(jù)該工程特點，為保證每層樓板下落過程中能最大限度重疊，2-6F立柱均實行滿打孔。

4.2 爆破參數(shù)

（1）炮孔直徑D=42mm

（2）最小抵抗線W=Bd/2，(Bd為立柱截面短邊長度或墻厚，m)。

（3）孔間距a=(1.0～1.5)W(cm)。

（4）孔深L=3/5Bd

（5）炸藥單耗（q）

設(shè)計炸藥單耗：依據(jù)本樓立柱布筋情況及最小抵抗線數(shù)值，6-3層炸藥單耗取0.46kg/m3，即可達(dá)到混凝土粉碎、疏松、脫離鋼筋籠、箍筋拉斷、主筋膨脹的效果，2F立柱單耗取0.20kg/ m3，僅使混凝土不完全破壞，柱頂和柱底各一孔正常裝藥（最后響）[2,3]。

5 爆破器材選擇和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

5.1 爆破器材選擇

本次爆破采用2號巖石乳化炸藥。

為實現(xiàn)爆破方案中“待上層樓板疊放動作完成靜止后，再爆下一層的柱子”的設(shè)計[4]，經(jīng)下列公式計算：

式中：h表示每層樓高，3.6m；g表示重力加速度，9.8m/s2；t表示每層樓板下落時間，s。

計算得理論上每層樓板下落至下層樓板的時間t=0.86s，所以該工程采用電子雷管，延期100ms。

5.2 起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

該工程根據(jù)現(xiàn)場實際情況，爆破范圍2-6層，爆破范圍及雷管分布如圖1。

圖1 待爆大樓雷管段別分布及爆破范圍示意圖

5.3 網(wǎng)路連接

起爆網(wǎng)路采用大并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，電子雷管專用起爆器材（圖2）。

圖2 起爆網(wǎng)路圖

6 底層立柱的承載能力計算

6.1 校核方法及公式

6.1.1 計算模型的建立

為校核一層立柱在上部五層結(jié)構(gòu)沖擊載荷作用下的承載能力，將模型簡化為：總質(zhì)量為M總的上部五層結(jié)構(gòu)，從靜止開始（自二層）以近似的自由落體方式落至一層樓板；上部結(jié)構(gòu)的總重量及下落產(chǎn)生的沖擊載荷由一層各個立柱均分（各柱截面積基本相同，分布基本均勻），設(shè)單個立柱承擔(dān)的載荷為M。問題即簡化為重量為M的混凝土塊從靜止開始以近似自由落體方式落到立柱上，校核立柱的承載能力，如圖3所示。

群柱間的相互作用使得群柱的軸壓穩(wěn)定承載能力比單柱要高，若經(jīng)校核單個立柱滿足承載能力要求，則立柱群的總承載能力也必定能滿足要求。

圖3 樓體下落模型

由于混凝土存在應(yīng)變率敏感效應(yīng)，在動載作用下混凝土材料將表現(xiàn)出與靜載不同的力學(xué)性能。有利的一面，動載的軸心承載能力與靜載相比有所增加；不利的一面，動載的一部分動能最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，以額外的沖擊力F沖的形式加載到混凝土立柱上，即在相同質(zhì)量物體的作用下，動載對混凝土的破壞能力要比靜載大。

動載作用下立柱承載能力校核的主要步驟：（1）計算沖擊力F沖，然后將沖擊力與結(jié)構(gòu)自重W進(jìn)行疊加，得到總體載荷F總；（2）計算動載作用下混凝土柱的軸心承載能力N動；（3）校核在動載的作用下混凝土柱的承載力是否大于F總。

6.1.2 總體荷載F總的計算

（1）沖擊力F沖的計算

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》未涉及動載作用的沖擊力F沖的計算方法，但是該工程的沖擊力F沖可類比于輪船對橋墩的撞擊：

式中：F為撞擊力，kN，此處近似等效為上部結(jié)構(gòu)對立柱的沖擊力F沖；γ為動能折減系數(shù)，當(dāng)船只斜向撞擊墩臺時取0.2，當(dāng)正向撞擊時取0.3。該工程按照實際情況應(yīng)類比取0.3；v為船只撞擊墩臺時的速度，m/s。此處可近似等效于上部結(jié)構(gòu)近似自由落體下落的速度;W為漂流物自重，kN。此處可近似等效于上部結(jié)構(gòu)的自重W；α：船只駛近方向與墩臺撞擊點處切線所成的夾角，此處根據(jù)具體情況取α=90°；c1、c2為船只的彈性變形系數(shù)和墩臺的彈件變形系數(shù)，缺乏資料時可假定c1+c2=0.0005 m/ kN。

（2）總體載荷F總的計算

將計算的沖擊力F沖與結(jié)構(gòu)自重W進(jìn)行疊加，即得到混凝土立柱上部結(jié)構(gòu)的全部柱端載荷F總，即：

F總=W+F沖

6.1.3 動載作用下立柱的軸心承載能力N動的計算

（1）靜載作用下的軸心承載能力

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》：

式中：φ為穩(wěn)定系數(shù)，按照《規(guī)范》要求選??；f'y為鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計值，N/mm2；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值，N/mm2；As'為全部縱向受壓鋼筋面，mm2；A為構(gòu)件截面面積，按照《規(guī)范》要求選取，mm2。

（2）動載作用下的軸心承載能力

根據(jù)歐洲規(guī)范的建議（CEB），材料動態(tài)強(qiáng)度的計算采用歐洲規(guī)范推薦的經(jīng)驗公式，混凝土柱的動態(tài)抗壓強(qiáng)度如下所示：

式中：σc,d為與動態(tài)應(yīng)變率ε對應(yīng)的混凝土動態(tài)抗壓強(qiáng)度，σc,s為εc,s=3.0x10-5下混凝土準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度，α為α=1/(5+0.9fcu),fcu為混凝土立方體試樣的準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度設(shè)計值，γ為lgγ= 6.156α-0.492，？表示有待進(jìn)一步改進(jìn)。

對于上式的動載應(yīng)變率ε，計算方式如下：

式中：v表示加載速度，D為立柱高度。

混凝土立柱動載軸心抗壓強(qiáng)度σc,d與靜載軸心抗壓強(qiáng)度σc,s的比值，等于動載軸心承載能力N動與靜載軸心承載能力N靜的比值，即：N動/N靜=σc,d/σc,s。由此可計算出動載軸心承載能力N動的大小。

6.1.4 動載作用下混凝土立柱承載能力的校核

將上述計算出的柱端載荷F總與立柱動載軸心承載能力N動進(jìn)行比較，即可校核混凝土立柱在上部沖擊載荷作用下的承載能力，進(jìn)而得出一層全部柱群在上部全部沖擊載荷作用下的承載能力。

經(jīng)計算：該混凝土立柱在上述沖擊載荷作用下的動載軸心抗壓強(qiáng)度與靜態(tài)軸心抗壓強(qiáng)度的比值為1.61，也即動載軸心承載能力N動與靜載軸心承載能力N靜的比值N動/N靜=1.61，由此可計算動載軸心承載能力：

6.1.5 動載作用下混凝土立柱承載能力的校核及結(jié)論

由上述計算可知，該結(jié)構(gòu)一層單個混凝土立柱所分擔(dān)的上部結(jié)構(gòu)的總荷載F總=F沖+M=2136.7kN（比靜載荷作用下提高22%），單個混凝土立柱動載承載能力N動=15710.62kN（比靜載作用下提高60%），軸心承載能力是所承擔(dān)載荷的7.35倍，單個立柱在該沖擊載荷作用下能夠保證安全。

因上述校核是針對一層的單個立柱，且多個立柱共同作用時軸壓穩(wěn)定承載能力比單柱要高，則一層柱群能承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)墜落的動載荷，該爆破方式能確保一層柱群及下部結(jié)構(gòu)的安全[5]。

7 結(jié)語

該新型爆破方法通過控制爆破藥量和單耗，使下層立柱混凝土松動破碎而不脫籠，減弱混凝土強(qiáng)度，使其在上層結(jié)構(gòu)下墜解體過程中起到阻尼器的作用，緩解爆破沖擊，使爆破產(chǎn)生的震動和沖擊效應(yīng)小，實現(xiàn)原地解體框架建筑物?？蓱?yīng)用于保護(hù)性拆除、地下工程上部結(jié)構(gòu)拆除等爆破工程。

[1]趙紅宇，王守祥，劉云劍，等.高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)樓房的控制爆破拆除[J].爆破，2008，25(2)：53-56.

[2]李新建，董業(yè)峰，張惠聚.帶獨立電梯井的五層框架樓爆破拆除[J].爆破，2004，2（1）：29-31.

[3]朱朝祥，吳巖，崔允武.十四層框架結(jié)構(gòu)辦公樓的爆破拆除[J].爆破，2007，13（3）：59-61.

[4]公文新.二十六層樓房爆破拆除[J].爆破，2004，21（3）：40-44.

[5]劉殿中.爆破工程實用手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1999：118-130.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

tudy on Blasting Method for Frame Disaggregation with Low Impact

This paper introduces a new blasting method in building demolition--frame structure disaggregation with low impact,adopting a special blasting method to make the stand column work as a damper to reduce blasting impact.A calculation model is established to calculate and compare the bearing capacity of ground floor stand columns,with blasting results and calculation data obtained.It's proved that this method has quite good application prospects.

blasting;low impact;bearing capacity

TD235.1

A

1671-9107（2016）12-0041-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2016.12.041

2015-11-23

汪龍（1982-），男，重慶人，碩士研究生，高級工程師，主要從事爆破器材研究和爆破設(shè)計施工、安全監(jiān)理和安全評估。