L型磚混結(jié)構(gòu)樓房異向傾倒爆破拆除*

伍 岳，賈永勝，黃小武，陳德志，劉昌邦，王 威

(1.江漢大學(xué) 省部共建精細(xì)爆破國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430056；2.武漢爆破有限公司，武漢 430056)

為加快城市化建設(shè)步伐，越來越多的城區(qū)樓房因不符合城市發(fā)展要求而被拆除。目前，爆破拆除仍是城市復(fù)雜環(huán)境下建(構(gòu))筑物拆除的有效手段，而樓房結(jié)構(gòu)形式多樣，各種異型結(jié)構(gòu)待拆樓房出現(xiàn)的頻率逐漸增多[1,2]。較之常規(guī)方形平面結(jié)構(gòu)樓房，異形結(jié)構(gòu)樓房拆除需綜合考慮傾倒方式、倒塌范圍和安全、經(jīng)濟(jì)效益等問題，施工難度加大，由此對(duì)控制爆破技術(shù)提出了更高要求。

異形結(jié)構(gòu)樓房平面形狀主要包括“L”型、“H”型、“Y”型、“凸”型、“凹”型等[3-6]，其中“L”型結(jié)構(gòu)較為多見，國內(nèi)有此類樓房的爆破拆除案例。楊元兵等采用預(yù)切割方式將某復(fù)雜環(huán)境下“L”型磚混結(jié)構(gòu)雙面樓分割為兩個(gè)獨(dú)立部分[7]，以5 s的樓間間隔實(shí)現(xiàn)樓房的定向爆破拆除。劉國軍等在某“L”型框架樓房爆破拆除工程中[8]，采用前后上下各設(shè)兩個(gè)爆破切口的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了樓房整體向南傾倒，但爆后樓房爆堆較高。張建平等將一棟“L”型框架結(jié)構(gòu)樓房分割為3個(gè)獨(dú)立單元[9]，采用定向切口承重柱的裝藥量擇向分配的偏炸技術(shù)和延時(shí)起爆技術(shù)，對(duì)樓房各單元實(shí)施定向?qū)ΟB傾倒爆破拆除。可見，在大多數(shù)“L”型結(jié)構(gòu)樓房的爆破拆除實(shí)踐中，設(shè)計(jì)者們會(huì)優(yōu)先選擇將樓房預(yù)切割成多個(gè)結(jié)構(gòu)規(guī)則的樓體單元，分別對(duì)各樓體單元實(shí)施定向爆破拆除；而這種方法大大增加了預(yù)拆除工作量，且對(duì)于承載能力較弱的磚混結(jié)構(gòu)樓房，不合理的預(yù)拆除會(huì)導(dǎo)致樓房失穩(wěn)倒塌事故，增加了安全隱患。目前，數(shù)值模擬在樓房拆除工程中應(yīng)用越來越多，如蒙云琪等利用ANSYS/ LS-DYNA對(duì)鐵四院前大樓多種爆破拆除方案進(jìn)行了模擬分析和參數(shù)優(yōu)化[10]，確定了最優(yōu)方案。劉昌邦等通過動(dòng)力學(xué)有限元數(shù)值模擬計(jì)算[11]，研究了框架結(jié)構(gòu)樓房逐跨向內(nèi)倒塌爆破拆除的技術(shù)要點(diǎn)。葉海旺等在某22層框架結(jié)構(gòu)樓房爆破拆除工程中[12]，利用ANSYS/LS-DYNA對(duì)排間延期時(shí)間300 ms、500 ms和 800 ms三種方案進(jìn)行了模擬，確定了最佳延期時(shí)間。數(shù)值模擬具有可重復(fù)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于樓房拆除爆破方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施具有特別的指導(dǎo)意義[13]。

文章結(jié)合某7層“L”型磚混結(jié)構(gòu)樓房爆破拆除工程，通過設(shè)置合理的爆破切口和起爆網(wǎng)路，采用異向定向傾倒方式，實(shí)現(xiàn)樓房一次性整體爆破拆除，以達(dá)到減小預(yù)拆除工作量、降低爆堆高度的目標(biāo)；并采用ANSYS /LS-DYNA有限元分析軟件對(duì)該樓房倒塌過程進(jìn)行仿真驗(yàn)算，分析樓房失穩(wěn)倒塌機(jī)理，為類似工程提供參考。

1 工程概況

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)，群樓包括原武漢光谷職業(yè)學(xué)院的教學(xué)樓和宿舍樓[14]。該項(xiàng)目二期爆破拆除樓房中的B17樓(如圖1所示)為一棟7層磚混結(jié)構(gòu)樓房，橫截面形狀呈“L”型，長65.1 m、寬39.6 m、高23.1 m，設(shè)有2個(gè)樓梯，建筑面積為7536.99 m2；樓房層高3.3 m，樓板為預(yù)制空心板，板厚120 mm；墻體為240 mm磚墻，樓層走廊構(gòu)造柱尺寸為250 mm×250 mm。樓房平面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 1 待拆除B17樓Fig. 1 B17 building to be demolished

圖 2 B17樓平面結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)Fig. 2 Plane structure diagram of B17 building(unit:mm)

B17樓位于校園南側(cè)，東側(cè)距離待拆6層樓房6.4 m，距離臨街門面板房25 m，距楚平路沿街地下排水管道、電纜線管、天然氣管道的最近距離分別為55.8 m、58.2 m、65 m，距離南湖錦城小區(qū)95.7 m；西側(cè)距待拆A32樓32.9 m；南側(cè)為武漢學(xué)院運(yùn)動(dòng)場(chǎng)；北側(cè)10 m處體育館現(xiàn)已拆除完畢，32.7 m處的1層附屬平房在爆破前擬采用機(jī)械拆除，距待拆B(yǎng)12樓最近距離51.9 m。爆區(qū)周邊環(huán)境如圖3所示。

圖 3 周邊環(huán)境示意圖(單位：m)Fig. 3 Map of the surrounding environment(unit:m)

2 爆破拆除方案設(shè)計(jì)

2.1 爆破方案選擇

根據(jù)B17樓的周邊環(huán)境和結(jié)構(gòu)形式，考慮安全、環(huán)保和工期要求等各種因素，有以下3種爆破拆除方案可供選擇：(1)整體向南定向傾倒爆破拆除。南側(cè)操場(chǎng)方向無保護(hù)對(duì)象，該方法可保證樓房北側(cè)長邊型樓體的拆除效果，但南側(cè)短邊型樓體必須設(shè)計(jì)較高的爆破切口，并進(jìn)行充分的預(yù)拆除，才能達(dá)到較好的倒塌效果，且不能完全避免側(cè)堆對(duì)東側(cè)圍墻及板房造成擠壓破壞。(2)預(yù)切割后分向傾倒爆破拆除。采用人工、機(jī)械方式，從樓房轉(zhuǎn)角處(D～E軸)房間的頂層至底層預(yù)先開一條切割縫，將樓房分割成兩個(gè)相互獨(dú)立的樓體，讓北側(cè)樓體向北傾倒，南側(cè)樓體向西傾倒；該方案可保證樓房的倒塌效果和東側(cè)圍墻及板房的安全，但缺點(diǎn)是人工切縫工作量大、工期長，危險(xiǎn)性較高。(3)異向傾倒一次性爆破拆除。通過合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角處的切口高度和起爆網(wǎng)路，使得樓房以轉(zhuǎn)角為界，北部樓體向北傾倒，南部樓體向西傾倒；該方案預(yù)拆除工作量較小，爆后爆堆較低，可保證工期。綜合比較上述三種拆除方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終采用方案(3)，實(shí)現(xiàn)樓房異向傾倒一次性爆破拆除，以改善爆破效果，控制爆破有害效應(yīng)?？傮w倒塌方案如圖4所示。

圖 4 總體倒塌方案示意圖Fig. 4 Diagram of overall collapse scheme

2.2 爆破切口

為了保證B17樓按預(yù)定的兩個(gè)方向傾倒且降低爆后爆堆高度，以轉(zhuǎn)角走廊西側(cè)墻體的和樓梯間為界，將樓房分為三個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，區(qū)域劃分見圖2。其中，區(qū)域一為樓房北側(cè)長邊部分樓體，設(shè)置三角形爆破切口，布置于1～4層，如圖5(a)所示，四樓僅爆破走廊構(gòu)造柱，底層支撐區(qū)寬度為2.5 m。區(qū)域二為樓房轉(zhuǎn)角處樓體，設(shè)置“類梯形”切口，布置于1～4層，如圖5(b)所示；特別說明，在1～4層樓梯北側(cè)距房門3 m范圍的墻體以及走廊對(duì)側(cè)墻體上也劃分了爆破切口，如圖5(d)所示，以此削弱樓房整體強(qiáng)度，確保區(qū)域二樓體順利向北傾倒。區(qū)域三為樓房南側(cè)短邊部分樓體，爆破切口設(shè)置為三角形，布置于1～4層，如圖5(c)所示，底層支撐區(qū)寬度為2.5 m。各樓層墻柱爆破切口高度見表1。

圖 5 B17樓爆破切口示意圖(單位：mm)Fig. 5 Blasting cut of building B17(unit:mm)

表 1 爆破切口高度(單位：m)

2.3 預(yù)處理

為減少鉆孔工作量，減小爆破器材使用量，并保證爆破效果，在不影響結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性的條件下，將爆破切口范圍內(nèi)的承重墻體處理成孔洞，原則上預(yù)拆墻體長度不超過該墻體長度的1/3，且呈對(duì)稱分布；將兩個(gè)樓梯間的第1層樓梯全部拆除，2～4層樓梯弱化處理，即將上下樓梯第一踏步處的混凝土破碎，但保留樓梯鋼筋。

2.4 孔網(wǎng)參數(shù)

采用梅花形布孔方式，炮孔直徑為φ40 mm，炸藥采用φ32 mm×300 mm的2號(hào)巖石乳化炸藥。樓房主要有構(gòu)造柱和24 cm厚磚墻兩種爆破結(jié)構(gòu)，依據(jù)爆破前的現(xiàn)場(chǎng)試爆，確定最佳的炸藥單耗，具體爆破參數(shù)如表2所示。

表 2 爆破參數(shù)表

2.5 起爆網(wǎng)路

采用孔內(nèi)高段位、孔外低段位非電導(dǎo)爆管雷管接力的分區(qū)延時(shí)起爆網(wǎng)路?？變?nèi)裝填MS19段導(dǎo)爆管雷管，孔外用2發(fā)瞬發(fā)導(dǎo)爆管雷管捆扎接力，每20發(fā)為1捆；樓層間同排立柱、墻體同時(shí)起爆，不設(shè)時(shí)差，前后排間采用310 ms延時(shí)。爆破網(wǎng)路分區(qū)如圖6所示，起爆順序?yàn)棰佟凇邸堋荨蕖?，各分區(qū)延期時(shí)間見表3。

圖 6 起爆網(wǎng)路分區(qū)示意圖Fig. 6 Detonation network partition diagram

表 3 起爆網(wǎng)路延期時(shí)間(單位：ms)

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型建立

為驗(yàn)證上述樓房爆破拆除設(shè)計(jì)方案的可行性，采用ANSYS/LS-DYNA大型有限元軟件按照1∶1的比例建立有限元模型，對(duì)該樓房在爆破切口形成后的失穩(wěn)倒塌運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真計(jì)算。建模采用整體式模型[15]，采用kg-m-s單位制，不考慮墻體構(gòu)造柱、樓梯間、衛(wèi)生間等狹小結(jié)構(gòu)對(duì)樓房剛度的影響，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，以提高建模和計(jì)算效率。墻體及樓板均采用SOLID164單元，結(jié)構(gòu)材料使用MAT_PLASTIC_ KINEMATIC經(jīng)典彈塑性模型，地面設(shè)置為剛體。采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元邊長為12 cm，將整個(gè)樓房實(shí)體劃分為1 787 886個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 990 025。忽略切口墻體的爆炸過程，使用關(guān)鍵字MAT_ADD_EROSION來控制爆破切口墻體失效，其余主體結(jié)構(gòu)的破壞通過定義失效主應(yīng)變(設(shè)置為0.025)和抗拉強(qiáng)度等參數(shù)來控制。樓房構(gòu)件材料的物理力學(xué)參數(shù)如表4所示，建好的樓房模型如圖7(a)所示。

表 4 模型材料的物理力學(xué)參數(shù)

圖 7 樓房倒塌過程模擬結(jié)果Fig. 7 Simulation results of building collapse process

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

數(shù)值模擬計(jì)算得出的樓房倒塌情況如圖7所示，區(qū)域一和區(qū)域二樓體向北定向傾倒，區(qū)域三樓體向西定向傾倒。自樓房北側(cè)前排墻、柱開始爆破到失穩(wěn)、倒塌、觸地，整個(gè)時(shí)間歷程約6.8 s。

分別在樓房區(qū)域一、區(qū)域二、區(qū)域三的樓頂中部選取A(2936979號(hào))、B(2972380號(hào))、C(2971599號(hào))三個(gè)代表性節(jié)點(diǎn)，讀取其豎向位移、豎向速度時(shí)程曲線，如圖8、圖9所示，結(jié)合圖6對(duì)樓房的倒塌過程進(jìn)行分析?？梢钥闯觯?～0.93 s，北側(cè)區(qū)域一和轉(zhuǎn)角區(qū)域二樓體的爆破切口形成，上部樓體應(yīng)力重分布，出現(xiàn)向北傾倒趨勢(shì)，切口內(nèi)樓板開始向下塌落，區(qū)域一樓梯間及轉(zhuǎn)角走廊處的部分樓板開始豎向斷裂；且在0.8 s時(shí)刻，區(qū)域二的6～7層樓梯間北側(cè)梁柱結(jié)點(diǎn)受到較大的拉、剪組合力作用，而出現(xiàn)明顯豎向裂紋；0.93 s時(shí)刻，區(qū)域一和區(qū)域二樓體開始以支撐區(qū)為鉸點(diǎn)向北傾倒，區(qū)域二樓梯間頂部豎向裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大并貫通至低樓層，逐步將區(qū)域二與區(qū)域三樓體自動(dòng)切割開來；2 s時(shí)刻，區(qū)域三樓體的爆破切口形成，上部樓體開始向西定向傾倒。由于區(qū)域二的爆破切口更高，其樓體傾倒塌落速度快于區(qū)域一樓體的傾倒速度，最大速度超過14 m/s，觸地后迅速降為0 m/s；區(qū)域2樓體在3.8 s時(shí)刻完全坍塌觸地，解體充分；隨后，區(qū)域1和區(qū)域3樓體相繼觸地解體。另外，從圖8中可以看出，節(jié)點(diǎn)A的下落速度在3.2～3.6 s之間出現(xiàn)有明顯的波動(dòng)區(qū)，其原因是該時(shí)間段區(qū)域一樓體爆破切口閉合，樓體下部結(jié)構(gòu)開始觸地壓碎，地面對(duì)其下落有一定的緩沖作用，且由于區(qū)域一樓體的東西向長度較長，其緩沖作用持續(xù)時(shí)間較區(qū)域二(2.3～2.4 s)和區(qū)域三(3.7～3.8 s)更加明顯。

圖 8 豎向位移時(shí)程曲線Fig. 8 Vertical displacement and time curve

圖 9 豎向速度時(shí)程曲線Fig. 9 Vertical velocity and time curve

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，按照上述爆破設(shè)計(jì)方案可實(shí)現(xiàn)該樓房異向傾倒一次性爆破拆除，且樓房解體充分。樓房爆破后的爆堆高度約8.55 m，樓房向北、向西前傾距離分別為16.6 m和14.8 m，倒塌反方向均無后坐，區(qū)域二樓體倒塌方向右側(cè)爆堆外溢距離為1.6 m，不會(huì)對(duì)東側(cè)待拆樓房造成擠壓；但樓房在倒塌過程中，東側(cè)有零星散落單元沖出，建議在樓房東側(cè)爆破切口外加強(qiáng)防護(hù)，防止爆破飛石對(duì)東側(cè)保護(hù)目標(biāo)構(gòu)成威脅。

4 實(shí)際爆破拆除效果

起爆后樓房按照設(shè)計(jì)要求倒塌，樓房在轉(zhuǎn)角樓梯間處由上至下被自動(dòng)割開成兩部分，北側(cè)樓體向北定向傾倒，南側(cè)樓體向西定向傾倒。整個(gè)倒塌解體過程歷時(shí)約7 s,傾倒反方向基本無后坐現(xiàn)象。實(shí)際爆破效果如圖10所示，樓房解體充分，爆堆整體高度約8.9 m，轉(zhuǎn)角處爆堆向東塌散約2.1 m。樓房實(shí)際倒塌姿態(tài)、解體狀況、爆堆形態(tài)與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果基本一致，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)樓房東側(cè)采取了加強(qiáng)防護(hù)措施，爆破飛石得到有效控制，保證了東側(cè)建筑物、管線等保護(hù)目標(biāo)的安全。

圖 10 實(shí)際爆破效果Fig. 10 Actual blasting effect

5 結(jié)論

基于某7層“L”型磚混結(jié)構(gòu)樓房，通過合理設(shè)計(jì)爆破切口和起爆網(wǎng)路，實(shí)現(xiàn)了樓房異向傾倒一次性整體爆破拆除，并通過數(shù)值模擬分析了樓房失穩(wěn)倒塌過程，得出以下結(jié)論：

(1)與人工預(yù)切割、分棟爆破拆除方法相比，異向傾倒一次性爆破拆除方法可大大減小預(yù)拆除工作量、減小風(fēng)險(xiǎn)、縮短工期，并保證爆破拆除效果。

(2)轉(zhuǎn)角樓體類梯形爆破切口和分區(qū)延時(shí)起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)樓房異向傾倒的關(guān)鍵，使得樓房在復(fù)雜拉、剪組合力作用下，自動(dòng)分割成兩部分而相繼定向倒塌，充分解體、爆堆集中，降低了爆破振動(dòng)效應(yīng)。

(3)運(yùn)用ANSYS /LS-DYNA有限元分析軟件，可有效模擬磚混結(jié)構(gòu)樓房異向傾倒爆破拆除失穩(wěn)倒塌運(yùn)動(dòng)過程和爆破效果，反映出樓房主要構(gòu)件的破壞失效機(jī)理，驗(yàn)證該技術(shù)方案的可行性，為實(shí)際爆破施工和安全防護(hù)提供理論參考。