框架結(jié)構(gòu)樓房定向爆破拆除后坐控制措施及應(yīng)用*

王 威,賈永勝,韓傳偉,黃小武，韓 宇，伍 岳

(1.江漢大學(xué) 湖北(武漢)爆炸與爆破技術(shù)研究院，武漢 430056；2.爆破工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430056；3.武漢爆破有限公司,武漢 430056)

樓房采用定向爆破方式拆除時(shí)，在樓房主體結(jié)構(gòu)向預(yù)定方向倒塌的同時(shí)，通常伴有局部構(gòu)件(梁、柱、板、墻體)向相反方向傾倒或塌落的后坐現(xiàn)象[1]。相對于磚混結(jié)構(gòu)樓房，框架結(jié)構(gòu)樓房在定向爆破拆除時(shí)更容易發(fā)生后坐現(xiàn)象。當(dāng)樓房倒塌相反方向環(huán)境較好，后坐不會(huì)造成不良的后果，并且可以利用樓房的后坐，減少樓房在預(yù)定倒塌方向的堆積距離。當(dāng)樓房倒塌相反方向有保護(hù)目標(biāo)(建筑物、市政設(shè)施或地下設(shè)施等)距離較近時(shí)，則后坐將會(huì)對保護(hù)目標(biāo)構(gòu)成巨大威脅。

隨著我國城市化進(jìn)展的加快，多數(shù)的待拆除建(構(gòu))筑物都是在人口稠密、環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域，一般情況下都不允許樓房在倒塌時(shí)有過多的后坐[2]。通過借鑒機(jī)械方式拆除框架結(jié)構(gòu)樓房實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，對控制框架結(jié)構(gòu)樓房后坐的方法進(jìn)行分析和探討，結(jié)合武漢市洪山區(qū)華中科學(xué)生態(tài)城群樓爆破拆除項(xiàng)目設(shè)計(jì)施工實(shí)踐，并利用數(shù)值模擬方法進(jìn)行驗(yàn)證和對比，探究城市復(fù)雜環(huán)境條件下框架結(jié)構(gòu)樓房爆破拆除后坐控制措施的方法和合理性，為城市復(fù)雜環(huán)境下框架結(jié)構(gòu)樓房爆破拆除設(shè)計(jì)與施工提供新的思路。

1 框架結(jié)構(gòu)樓房爆破后坐分析

框架結(jié)構(gòu)樓房定向爆破時(shí)，通常前幾排立柱爆破高度較大，后排立柱爆破高度較小(或不鉆孔爆破)。在后排立柱爆破之前(或不鉆孔爆破)，前排立柱已爆破并形成缺口，可認(rèn)為此時(shí)樓房后排立柱已經(jīng)從超靜定結(jié)構(gòu)變?yōu)殪o定結(jié)構(gòu)，倒塌方向前側(cè)已形成大懸臂結(jié)構(gòu)，后排立柱除承受巨大的上部重力外，還承受巨大的偏心彎矩作用。

框架結(jié)構(gòu)樓房前幾排立柱爆破后，若后排立柱未鉆孔爆破，后排立柱在彎矩作用下，首先在梁柱結(jié)點(diǎn)下的薄弱處或梁的后端薄弱處斷裂。樓房傾斜一定角度，或倒塌方向爆破切口閉合時(shí)，在水平分力的作用下后排立柱向后倒塌，第一層梁和樓板向后位移，發(fā)生后坐[3]。如圖1所示，為1棟9層框架結(jié)構(gòu)樓房，長60.0 m，寬12.9 m，高29.3 m，三排立柱，該樓采用定向傾倒爆破方案，爆破切口設(shè)置在1～3層，后排立柱未鉆孔爆破。該樓爆破后，后排立柱向后倒塌，后坐距離約4.5 m。

圖 1 框架結(jié)構(gòu)樓房爆破后坐實(shí)例Fig. 1 Example of frame structure building blasting recoil

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)施工時(shí)，更傾向于對框架結(jié)構(gòu)樓房后排立柱采取松動(dòng)爆破方式，認(rèn)為此時(shí)可使后排立柱形成鉸支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，可有效的避免(或減少)后坐[4,5]。但是，大量的工程案例顯示，定向傾倒爆破時(shí)多數(shù)情況下不會(huì)在后排立柱松動(dòng)爆破后形成鉸支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，反而后坐現(xiàn)象都非常嚴(yán)重，容易造成意想不到的后果。某大廈11層框架結(jié)構(gòu)樓房，長42.3 m，寬14.3 m，高40 m，平行于傾倒方向3排立柱，前-中-后排立柱間距分別為7.8 m和6.5 m。立柱截面尺寸為400 mm×600 mm，配筋24φ25，箍筋φ12@100。重點(diǎn)保護(hù)目標(biāo)為樓房后側(cè)地鐵出入口，距離樓房8.1 m。該樓采用定向傾倒爆破方案，后排立柱鉆2個(gè)25 cm孔，松動(dòng)爆破法，目的形成塑性鉸。爆破后，后坐嚴(yán)重，對地鐵出入口造成擠壓破壞。出于安全考慮，地鐵運(yùn)營單位封鎖該出入口近1個(gè)月，修復(fù)后再行開放。費(fèi)鴻祿對10層框架結(jié)構(gòu)樓房縱向定向爆破拆除進(jìn)行數(shù)值模擬[6]，顯示該樓房后坐9.33 m，實(shí)際爆破后坐9.50 m。

2 控制后坐技術(shù)措施

目前高拆機(jī)在樓房拆除工程中應(yīng)用已很普遍，通過分析數(shù)棟框架結(jié)構(gòu)樓房的機(jī)械拆除，其拆除切口并未設(shè)置在樓房一層，而是從二樓開始有序破除承重結(jié)構(gòu)，一樓作為預(yù)留的緩沖層。二樓后排立柱不作處理，前排個(gè)別部位破壞程度不同，最后在安全位置點(diǎn)破承重構(gòu)件，使樓房安全倒塌，且不發(fā)生后坐。

將此理念借鑒到框架結(jié)構(gòu)樓房定向爆破拆除中，為防止樓房后坐，可采用底部樓層不爆破，抬高爆破切口，切口后排立柱不爆破的方案。并將這一理念應(yīng)用到華中科學(xué)生態(tài)城群樓爆破拆除實(shí)踐中，取得了成功。

3 應(yīng)用實(shí)例

華中科學(xué)生態(tài)城項(xiàng)目群樓爆破拆除工程位于武漢市洪山區(qū)，群樓由原武漢光谷職業(yè)學(xué)院教學(xué)樓和宿舍樓組成。一期爆破拆除的四棟樓房為校園北區(qū)的兩棟框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓(A3樓、A13樓)和兩棟磚混結(jié)構(gòu)宿舍樓(A7樓、E1樓)。A3樓西側(cè)距園林場路人行道1.0 m，距PR160中壓天然氣管道5.0 m，北側(cè)距待拆除3層民房2.0 m。A13樓東側(cè)距幼兒園31.7 m，北側(cè)為幼兒園出入道路，距商貿(mào)學(xué)院7層學(xué)生宿舍9.8 m。環(huán)境圖如圖2所示。

圖 2 爆破周圍環(huán)境示意圖(單位：m)Fig. 2 Schematic diagram of surrounding environment of blasting(unit:m)

A3樓為7層框架結(jié)構(gòu)，長56.6 m，寬18.7 m，高25.2 m，共4排立柱，主要立柱截面尺寸為400 mm×600 mm，樓房結(jié)構(gòu)見圖3所示。A13樓為6層框架結(jié)構(gòu)，長55.3 m，寬10.8 m，高24.5 m，主要立柱截面尺寸為400 mm×600 mm，樓房結(jié)構(gòu)見圖4所示。

圖 3 A3樓結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)Fig. 3 Plan of the building A3(unit:mm)

圖 4 A13樓結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)Fig. 4 Plan of the building A13(unit:mm)

由于A3樓西側(cè)為園林場路，A13樓北側(cè)為幼兒園和商貿(mào)學(xué)院宿舍樓出入口，為了避免A3樓和A13樓樓體產(chǎn)生下坐，堵塞進(jìn)出口通道。采取A3樓向東定向倒塌，A13樓向南定向倒塌的方案。A3樓的爆破切口布置在1～4層(1層后兩排立柱未鉆孔爆破)，前后排延期時(shí)間為460 ms。A13樓的爆破切口布置在2～3層[7,8]。爆破切口示意圖分別如圖5、圖6所示。

圖 5 A3樓爆破切口示意圖(單位：mm)Fig. 5 Blasting incision of building A3(unit:mm)

圖 6 A13樓爆破切口示意圖(單位：mm)Fig. 6 Blasting incision of building A13(unit:mm)

圖 7 樓房模擬倒塌過程Fig. 7 Building simulation collapse process

4 數(shù)值模擬分析

為驗(yàn)證爆破參數(shù)的合理性及樓房后坐控制方法的可行性，采用ANSYS/LS-DYNA動(dòng)力學(xué)有限元軟件，對A3樓倒塌過程進(jìn)行數(shù)值仿真驗(yàn)算[9,10]。根據(jù)上述案例中A3樓的實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立7層鋼筋混凝土框架有限元模型，南北走向，3～7樓保留非切口區(qū)域東西向填充墻體。采用整體式建模方法，不單獨(dú)劃分鋼筋單元，以簡化計(jì)算模型，提高運(yùn)算效率。

選用的梁、柱、板、墻單元類型均為SOLID164，鋼筋混凝土計(jì)算模型選用塑形隨動(dòng)硬化材料模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC)，地面設(shè)置為剛體。采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸為30 cm，整個(gè)模型劃分得到的單元數(shù)為230518，節(jié)點(diǎn)數(shù)為418467。各結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of materials

使用關(guān)鍵字*MAT_ADD_EROSION 來控制樓房切口區(qū)域材料的失效，通過控制時(shí)間參數(shù)使各爆破按照設(shè)定的時(shí)刻依次失效。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，A3樓按照設(shè)計(jì)方向定向傾倒，整個(gè)倒塌觸地過程歷時(shí)約8 s，倒塌過程如7所示?？梢钥闯?，切口內(nèi)各排立柱按照設(shè)置的延時(shí)時(shí)間瞬間失效，在1 s時(shí)刻形成完整的爆破切口。在重力作用下，上部樓體在2層后立柱支撐下向前傾覆，2、3樓后排梁柱在壓、彎、剪組合力作用下最先發(fā)生破壞，在交接點(diǎn)處折斷。4 s時(shí)，前部樓體開始觸地，1樓未爆破部分作為緩沖層與上部樓體相互碰撞，增加了破碎效果。8 s時(shí)刻，樓房倒塌完全。

從圖8可以看出，樓房倒塌未發(fā)生后作現(xiàn)象，二樓及以上結(jié)構(gòu)充分解體，樓房爆堆集中，爆堆高度13.6 m，表明上述樓房爆破拆除后作控制方法合理可行。

圖 8 樓房模擬爆堆側(cè)視圖(單位：m)Fig. 8 Side view of building blast-heap(unit:m)

5 爆破拆除實(shí)際效果

經(jīng)過精心的設(shè)計(jì)、施工，樓房均按照預(yù)定方向定向倒塌，爆破沒有對周邊民房和天然氣管道造成破壞。兩棟框架結(jié)構(gòu)樓房爆堆解體較充分，滿足機(jī)械破碎要求。如圖9～圖12所示，兩棟樓房后側(cè)1層立柱均保持完好，在1層和2層連接處折斷，2層以上向前傾覆，A3樓后側(cè)不到1 m處的院墻完好無損，A13樓有部分的小的構(gòu)件散落在樓體后側(cè)3 m范圍內(nèi)，但整體結(jié)構(gòu)均未產(chǎn)生后坐現(xiàn)象，也驗(yàn)證了該方案對于減少樓體后坐是行之有效的。

圖 9 A3樓整體爆破效果Fig. 9 Overall blasting effect of A3 building

圖 10 A3樓后側(cè)效果圖Fig. 10 Back side blasting effect of A3 building

圖 11 A13樓整體爆破效果Fig. 11 Overall blasting effect of A13 building

圖 12 A13樓后側(cè)效果圖Fig. 12 Back side blasting effect of A13 building

6 結(jié)語

(1)框架結(jié)構(gòu)樓房定向傾倒爆破采取底層后排立柱弱爆破的方案，在實(shí)際爆破中基本上不會(huì)形成塑性鉸和繞鉸支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，樓體會(huì)產(chǎn)生后坐現(xiàn)象。

(2)對于10層左右高寬比較大的框架結(jié)構(gòu)樓房，為防止或者減少樓體后坐，采用1層不爆破或者前部分爆破，在2層及以上布設(shè)爆破缺口，2層后排立柱不爆破的方案是可行的。對于15層以上上部重量較大的樓房，可以抬高爆破切口到2層以上。

(3)部分爆破工程技術(shù)人員認(rèn)為：與爆破切口置于1層相比，抬高爆破切口會(huì)導(dǎo)致爆堆太高。但通過對比兩棟樓房爆破效果，爆破后1層前部立柱受樓體塌落沖擊作用折斷破碎，樓體爆堆堆積高度與從1層爆破相比并無明顯差異。

(4)底部未爆樓層可以作為緩沖層大大消耗樓體塌落沖擊的動(dòng)能，削弱觸地振動(dòng)效應(yīng)，減小塌落振動(dòng)對周邊環(huán)境的影響。特別是在待爆樓房后側(cè)臨近建(構(gòu))筑物和地下管線不允許整體后坐的情況下，采用此方法可以減少風(fēng)險(xiǎn)，即使砸落幾個(gè)樓房構(gòu)件或渣塊，也不會(huì)對保護(hù)目標(biāo)造成很大破壞。

(5)為了改善爆破效果，降低爆堆高度，減少樓體后坐，可以對爆破切口內(nèi)沿爆破倒塌方向的梁進(jìn)行鉆孔爆破，使其前端著地時(shí)折斷，減小地面支撐力對后排立柱的作用。