磚混結(jié)構(gòu)樓房逐段向內(nèi)傾倒爆破拆除*

劉昌邦,賈永勝,黃小武，孫金山，姚穎康，伍 岳

(1.江漢大學(xué) 爆破工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430056；2.武漢爆破有限公司，武漢 430056)

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展，許多老舊的磚混結(jié)構(gòu)樓房逐漸被高層框架、剪力墻、框剪和筒體結(jié)構(gòu)樓房取代。目前，城市中磚混結(jié)構(gòu)樓房拆除改造項(xiàng)目比較普遍。其中，大部分磚混結(jié)構(gòu)樓房改造項(xiàng)目位于城中村，地理位置敏感、周邊環(huán)境復(fù)雜，對拆除過程中的倒塌效果控制及安全文明施工要求極高。

作為磚混結(jié)構(gòu)樓房拆除的重要手段，爆破拆除技術(shù)正在不斷更新與發(fā)展[1-3]，并被運(yùn)用于實(shí)際工程。近年來，爆破拆除技術(shù)多用于拆除高大、高聳、超長單體建(構(gòu))筑物，以及大規(guī)模群體建(構(gòu))筑物。由于倒塌空間和爆破有害效應(yīng)的限制，磚混結(jié)構(gòu)與低矮框架結(jié)構(gòu)單體建筑拆除市場則經(jīng)常被機(jī)械方式搶占。因此，有必要進(jìn)一步創(chuàng)新發(fā)展城市復(fù)雜環(huán)境下磚混結(jié)構(gòu)爆破拆除技術(shù)，從而提高爆破拆除技術(shù)的安全性與應(yīng)用范圍。楊元兵將一棟“L”型磚混結(jié)構(gòu)樓房分割為兩個(gè)獨(dú)立體，分別采用定向傾倒方式進(jìn)行爆破拆除[4]，達(dá)到預(yù)期效果。謝先啟等采用縱向延時(shí)定向傾倒拆除爆破技術(shù),對異形磚混結(jié)構(gòu)樓房實(shí)施爆破拆除，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)逐步塌落,有效控制了塌落振動(dòng)[5,6]。程良玉等通過ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件，對8層受損磚混樓房進(jìn)行爆破拆除倒塌過程模擬[7]，提出增強(qiáng)預(yù)留支撐體強(qiáng)度設(shè)計(jì)措施。羅福友等提出一種排間、列間和層間分區(qū)三向延時(shí)起爆網(wǎng)路，成功應(yīng)用于一棟8層磚混樓房爆破拆除[8]，解體效果良好,散落距離短。馬世明等基于一棟抗震加固磚混樓房，采用增加爆破切口高度、機(jī)械預(yù)拆除等技術(shù)措施，達(dá)到良好的爆破效果[9]。

磚混結(jié)構(gòu)樓房雖樓層不高，但結(jié)構(gòu)形式多樣，整體剛度和穩(wěn)定性較差，無法進(jìn)行大規(guī)模預(yù)拆除。因此，需要對爆破拆除技術(shù)逐步進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，以滿足城市復(fù)雜環(huán)境下磚混結(jié)構(gòu)樓房拆除工程安全高效、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等高要求。結(jié)合某7層“凹”型磚混結(jié)構(gòu)樓房，提出一種“原地坍塌和定向傾倒相結(jié)合”的逐段向內(nèi)傾倒方法，通過提高爆破切口高度，預(yù)留足夠強(qiáng)度支撐體，合理控制爆破延期時(shí)間，使得中部樓體先觸地，兩側(cè)樓體逐段向內(nèi)傾倒，以達(dá)到減小樓房塌落堆積范圍、降低觸地沖擊振動(dòng)的效果。并采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件，對該樓房倒塌過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證了該爆破拆除技術(shù)的科學(xué)性和實(shí)用性，可供類似磚混結(jié)構(gòu)樓房爆破拆除工程參考借鑒。

1 工程案例

1.1 工程簡介

待拆樓房為7層磚混結(jié)構(gòu)，平面呈“凹”型，長48.6 m，寬32.3 m，高23.1 m，建筑面積為7163.72 m2。其中，一層墻體為240 mm混凝土磚墻，二層及二層以上為蜂窩型240 mm紅磚墻，房屋拐角處有構(gòu)造柱。走廊外側(cè)鋼筋混凝土立柱截面尺寸為400 mm×400 mm，樓板為預(yù)制空心板，板厚120 mm，設(shè)有2個(gè)樓梯。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

樓房東側(cè)距圍墻7 m，距7層住宅樓17.7 m；南側(cè)距圍墻4.5 m，距7層學(xué)生宿舍樓22.1 m；西側(cè)距商鋪13.9 m，距7層待拆教學(xué)樓19.4 m；北側(cè)距7層待拆學(xué)生宿舍樓8.0 m。具體環(huán)境如圖2所示。

圖 2 周邊環(huán)境圖(單位：m)Fig. 2 Schematic diagram of surroundings(unit:m)

1.2 爆破拆除方案

(1)爆破方案

待爆樓房地處城市鬧市區(qū)，周邊環(huán)境較為復(fù)雜，可供定向傾倒的空間有限，且樓房倒塌堆積范圍需嚴(yán)格控制。此外，爆破振動(dòng)、塌落觸地振動(dòng)、個(gè)別飛散物和空氣沖擊波等爆破有害效應(yīng)均需嚴(yán)格控制。根據(jù)待爆樓房的結(jié)構(gòu)特征及周邊環(huán)境情況，可考慮以下兩種爆破方案：(1)整體向北定向倒塌爆破；(2)南側(cè)中間部分向內(nèi)坍塌、東側(cè)部分向西定向倒塌、西側(cè)部分向東定向倒塌的爆破方案。方案1：樓房傾倒時(shí)與北側(cè)待拆宿舍樓會相互碰撞，影響結(jié)構(gòu)塌落運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)而影響樓房破碎解體效果，且樓房東西兩側(cè)高寬比小，預(yù)拆除和鉆孔施工工作量大。方案2：可充分利用樓房內(nèi)部空間，爆堆堆積效果類似原地坍塌，樓房爆破拆除后渣塊堆積范圍集中；且施工工作量較方案1少。綜上，選取方案2，即南側(cè)中間部分向內(nèi)坍塌、東側(cè)部分向西定向倒塌、西側(cè)部分向東定向倒塌的爆破方案，既可以控制樓體構(gòu)件塌落的堆積范圍，又能控制塌落觸地振動(dòng)等有害效應(yīng)。

(2)爆破切口

結(jié)合樓房的結(jié)構(gòu)特征，爆破切口設(shè)置在1～3層、5層和6層，如圖3所示。多個(gè)切口可有效劃分樓房整體的重力勢能，減小觸地沖擊力。爆破切口主要分布在1-2層，3層及3層以上主要破壞構(gòu)造柱。1層?xùn)|西兩側(cè)留有足夠的支撐區(qū)，縱向預(yù)留寬度為2 m，各樓層立柱切口高度見表1。為了降低樓房整體剛度，將樓梯弱化處理，即將上下樓梯第一踏步位置處混凝土破碎，但保留樓梯鋼筋，承重墻處理采用“化墻為柱”，即將墻體處理成孔洞，既不影響結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性，又可以減少爆破鉆孔工作量，原則上預(yù)拆墻體長度不超過該墻體長度的1/3。

圖 3 爆破切口示意圖(單位：mm)Fig. 3 Schematic diagram of Blasting cut(unit:mm)

表 1 爆破切口高度(單位：m)

(3)孔網(wǎng)參數(shù)

待拆樓房爆破切口內(nèi)的立柱截面尺寸均為400 mm×400 mm，設(shè)計(jì)單排炮孔，炮孔間距30 cm，孔深23 cm；構(gòu)造柱尺寸為240 mm×240 mm，設(shè)計(jì)單排炮孔，孔距30 cm，孔深18 cm；墻面采用梅花形布孔，孔距30 cm，孔深15 cm；根據(jù)現(xiàn)場試爆效果，炸藥單耗取1.5 kg/m3，對于配筋較高的區(qū)域，適當(dāng)提高裝藥量。炸藥裝填采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。爆破參數(shù)見表2。

表 2 爆破參數(shù)表

(4)爆破網(wǎng)路

控制各區(qū)間的起爆順序與延期時(shí)間是按設(shè)計(jì)方案爆破拆除樓房的核心，起爆網(wǎng)路采用孔內(nèi)裝MS19(1700 ms)段非電導(dǎo)爆管雷管、孔外MS9(310 ms)段非電導(dǎo)爆管雷管接力延時(shí)起爆網(wǎng)路。中間樓體同縱排各樓層墻體同時(shí)起爆，7、8、9軸墻體最先起爆，依次向東西兩側(cè)區(qū)間對稱同步延期；東西轉(zhuǎn)角兩側(cè)樓體以預(yù)拆除的孔洞為界，將東西向承重墻劃分為不同的爆破區(qū)域，由走廊立柱開始分別向后部墻體方向延期。起爆延期時(shí)間見表3。

表 3 爆破延期時(shí)間(單位：ms)

2 數(shù)值仿真驗(yàn)算

2.1 材料模型及力學(xué)參數(shù)

采用ANSYS/LS-DYNA大型有限元程序，對該磚混樓房向內(nèi)傾倒過程進(jìn)行仿真計(jì)算，驗(yàn)證爆破設(shè)計(jì)方案的可行性，分析樓房在爆破切口形成后的失穩(wěn)倒塌效果。根據(jù)待爆樓房的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，建立7層磚混結(jié)構(gòu)有限元模型。為了提高建模和計(jì)算效率，數(shù)值模擬采用整體式建模[10,11]，在不影響計(jì)算精度的情況下對計(jì)算模型進(jìn)行簡化，不考慮炸藥爆炸的過程，忽略構(gòu)造柱及樓梯間等狹小結(jié)構(gòu)提升樓房整體剛度的影響。

樓房結(jié)構(gòu)的墻體及樓板單元均采用SOLID164單元，結(jié)構(gòu)材料使用動(dòng)態(tài)彈塑性模型[12](*MAT_PLASTIC_KINEMATIC)，地面設(shè)置為剛體(*MAT_RIGID)，并固定其所有的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，剛性地面必須具備足夠的剛度，以保證倒塌散落的結(jié)構(gòu)不致穿透地面。采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，磚塊單元尺寸為18 cm×17 cm×12 cm，整個(gè)模型劃分得到的單元數(shù)為805688，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1342497。接觸形式采用自動(dòng)單面接觸，自動(dòng)識別樓房倒塌時(shí)各部件之間以及樓房與地面之間的碰撞接觸。樓房構(gòu)件材料的物理力學(xué)參數(shù)，如表4所示。

表 4 材料的物理力學(xué)參數(shù)

由于磚混構(gòu)件材料為典型的脆性材料，在爆炸荷載作用下，更多發(fā)生的是受拉破壞，故選用第一強(qiáng)度理論來判斷材料是否失效，使用關(guān)鍵字*MAT_ADD_EROSION來定義材料的失效條件。爆破切口墻體通過時(shí)間參數(shù)控制使之按照設(shè)定的時(shí)刻依次失效；其余主體結(jié)構(gòu)部分發(fā)生斷裂或破碎的閾值，通過定義失效主應(yīng)變控制，本次計(jì)算設(shè)置失效主應(yīng)變值為0.025。最后給整體樓房施加重力加速度荷載，建好的模型如圖4(a)所示。

2.2 樓房倒塌過程分析

樓房倒塌過程模擬結(jié)構(gòu)如圖4所示，0.6 s時(shí)，樓房中部7～9軸各爆破層承重墻體被爆破拆除，中部樓體應(yīng)力重新分布，由于樓板有一定的剛度，中部樓體并未開始解體。0.9 s時(shí)，5～6、10～11軸爆破樓層承重墻體失效，中部樓體跨度變大，各樓層開始向下塌落，兩側(cè)樓梯間平臺薄弱點(diǎn)處被剪切破壞，在樓梯間出現(xiàn)明顯的豎向錯(cuò)位。同時(shí)，兩側(cè)轉(zhuǎn)角走廊處的墻體出現(xiàn)裂縫。1.7 s時(shí)，兩側(cè)樓體爆破切口內(nèi)承重墻逐排失效，開始向內(nèi)傾倒。3 s時(shí)，中部樓體相繼坍塌觸地，兩側(cè)拐角樓體向內(nèi)傾倒并疊加在中部樓體上，倒塌過程中相互碰撞，充分破碎；同時(shí)，兩側(cè)樓體繼續(xù)向中部空地傾倒。6.5 s時(shí)，整個(gè)樓房構(gòu)件完全觸地，解體充分。

計(jì)算結(jié)果表明，該磚混樓房可按照設(shè)計(jì)向內(nèi)倒塌，自中部切口開始爆破至完全觸地總歷時(shí)約6.5 s。爆堆效果如圖5所示，爆堆高7.15 m?？梢园l(fā)現(xiàn)，中部樓體原地坍塌后會向四周擠壓，圖5(a)中擠壓區(qū)域1、2、3，爆堆較樓房原址擠壓距離最大位置主要在兩側(cè)拐角處(區(qū)域2和區(qū)域3)；兩側(cè)樓體向內(nèi)傾倒觸地，無后坐現(xiàn)象，但兩側(cè)樓體頂層在中間空地區(qū)域相互接觸碰撞后，爆堆向北側(cè)擠壓，且范圍較遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)距離達(dá)4.64 m，見擠壓區(qū)域4。因此，需重點(diǎn)考慮這幾處區(qū)域的倒塌空間的富余量。

圖 4 樓房倒塌過程數(shù)值仿真Fig. 4 Collapse process of building by numerical simulation

圖 5 樓房模擬爆堆形態(tài)及尺寸(單位：m)Fig. 5 Shape and size of building blasting pile(unit:m)

圖 6 樓房爆破拆除失穩(wěn)倒塌過程Fig. 6 Collapse process of building due to blasting demolition

3 實(shí)際爆破效果

起爆后，樓房中部5～10軸樓體原地向內(nèi)坍塌，坍塌過程中呈現(xiàn)明顯的“M”形，隨后東西兩側(cè)樓體同時(shí)向內(nèi)傾倒，樓房按照設(shè)計(jì)方案向內(nèi)倒塌，解體充分，整個(gè)倒塌解體過程歷時(shí)約6 s。

對爆破拆除后的樓體進(jìn)行航拍和實(shí)測，得到樓房的爆堆形態(tài)如圖7所示。樓房爆破拆除后的主體都堆積在原址范圍內(nèi)，僅中部樓體南側(cè)及兩側(cè)轉(zhuǎn)角處有渣塊溢出，未擠壓到后方墻體。爆堆整體呈現(xiàn)中間低、兩頭高的形態(tài)，最大高度約6.5 m。

圖 7 樓房爆堆效果圖Fig. 7 Effect picture of blasting pile

樓房實(shí)際爆破效果與數(shù)值模擬效果的對比結(jié)果見表5，可以表明，該磚混樓房爆破切口的形成和閉合、大樓的倒塌過程等與數(shù)值模擬預(yù)測結(jié)果基本一致，塌落范圍以及破壞特征較吻合，證明了磚混結(jié)構(gòu)樓房逐段向內(nèi)傾倒爆破拆除方法的合理性與可行性。

表 5 爆破效果對比

4 結(jié)論

基于某7層“凹”型磚混結(jié)構(gòu)樓房爆破拆除工程實(shí)踐，提出一種“原地坍塌和定向傾倒相結(jié)合”的逐段向內(nèi)傾倒爆破拆除方法。通過合理地控制爆破延期時(shí)間，使得中部樓體先觸地，兩側(cè)樓體向內(nèi)傾倒，大大減小了樓房塌落堆積范圍，降低了觸地沖擊振動(dòng)，為復(fù)雜環(huán)境下異型結(jié)構(gòu)磚混樓房爆破拆除提供了新的設(shè)計(jì)思路。

(1)運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件，采用合理的材料模型及物理力學(xué)參數(shù)，較好的模擬了磚混結(jié)構(gòu)樓房爆破拆除失穩(wěn)倒塌過程，驗(yàn)證了該技術(shù)方案的可行性，實(shí)現(xiàn)了爆破方案可視化設(shè)計(jì)。

(2)樓房倒塌后在其轉(zhuǎn)角及南北兩側(cè)中部位置，渣塊會溢出樓房原址范圍，在實(shí)際爆破施工時(shí)，需重點(diǎn)考慮該位置的倒塌空間大小，并采取有效的安全防護(hù)措施。

(3)通過提高爆破切口高度，預(yù)留足夠強(qiáng)度支撐體，樓房爆破拆除后未發(fā)生明顯的后坐現(xiàn)象，且破碎解體充分。