謝先啟，賈永勝，黃小武，韓傳偉，姚穎康,2，王洪剛,2

(1.武漢爆破有限公司，武漢 430023；2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，南京 210098)

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17層框-剪結(jié)構(gòu)大樓定向爆破拆除

謝先啟1，賈永勝1，黃小武1，韓傳偉1，姚穎康1,2，王洪剛1,2

(1.武漢爆破有限公司，武漢 430023；2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，南京 210098)

摘要:根據(jù)17層框-剪結(jié)構(gòu)大樓的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采取將大樓分為A、B兩部分延時(shí)1.2 s起爆，“向北定向倒塌”的總體爆破方案。依據(jù)現(xiàn)場試爆效果，炸藥單耗定為1.8 kg/m3，選用孔內(nèi)3400 ms、孔外400 ms高精度導(dǎo)爆管雷管接力傳爆。結(jié)合現(xiàn)場踏勘情況和影像資料全面分析了大樓A區(qū)和B區(qū)的倒塌效果。結(jié)果表明：采用“分區(qū)分段”爆破拆除框剪結(jié)構(gòu)大樓時(shí)，需要綜合考慮各區(qū)之間的相互關(guān)系，以及剪力墻結(jié)構(gòu)對(duì)倒塌效果的影響；為改善倒塌效果，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)對(duì)剪力墻的預(yù)處理。此外，運(yùn)用LS-DYNA動(dòng)力學(xué)有限元軟件，驗(yàn)證了爆破總體方案中切口高度和延期時(shí)間的合理性，計(jì)算得到大樓的爆破倒塌過程和堆積形態(tài)，與實(shí)際效果比較吻合。采用覆蓋防護(hù)、近體防護(hù)、保護(hù)性防護(hù)措施和綜合降塵手段，大大降低了個(gè)別飛散物和粉塵對(duì)周邊建(構(gòu))筑物及周圍居民的影響。

關(guān)鍵詞:框剪結(jié)構(gòu)；爆破拆除；數(shù)值模擬；倒塌效果

1工程概況

1.1周邊環(huán)境

湖北云鶴大廈為1棟17層框剪結(jié)構(gòu)樓房，總建筑面積約17 100 m2。大樓位于武漢市江岸區(qū)解放大道2613號(hào)，解放大道與百步亭花園路交匯處。大樓東側(cè)緊鄰解放大道，距架空電線19.7 m，距車行道邊線25 m，距軌道交通1號(hào)線35 m，距解放大道東側(cè)居民樓72 m。此外，大樓東側(cè)地下分布有電力管溝、自來水管和通訊管網(wǎng)等市政管線，周邊環(huán)境較復(fù)雜，如圖1所示。

1.2大樓結(jié)構(gòu)

大樓平面結(jié)構(gòu)為反Z字形，如圖2所示。主樓長49.3 m，寬33.9 m，高59.1 m，共設(shè)3個(gè)樓梯，建筑面積約為11 000 m2。大樓剪力墻較多，整體剛度較大，外墻采用240 mm厚磚砌體填充，內(nèi)隔墻采用115 mm厚粉煤灰加氣塊砌塊填充。主樓由兩部分組成，A區(qū)樓層高度為15層～17層，B區(qū)樓層高度為11層，兩部分之間設(shè)有沉降縫，縫寬100 mm。立柱尺寸主要有600 mm×1000 mm、800 mm×800 mm、700 mm×700 mm、600 mm×700 mm和400 mm×800 mm，梁的尺寸為500 mm×250 mm，剪力墻厚度為250 mm，樓板厚度為100 mm。

2爆破方案設(shè)計(jì)

根據(jù)待拆大樓的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、周邊環(huán)境和業(yè)主要求，擬采用“裙樓機(jī)械拆除、主體結(jié)構(gòu)爆破拆除”的總體方案[1]。其中，主體結(jié)構(gòu)采用“分區(qū)大間隔延時(shí)、向北定向倒塌”的爆破方案。

2.1爆破切口

依據(jù)初彎曲壓桿失穩(wěn)模型計(jì)算公式[2]

(1)

2.2孔網(wǎng)參數(shù)

400 mm×800 mm截面立柱布置單排炮孔，其余類型的立柱間隔布置單排炮孔和雙排炮孔，剪力墻采用梅花形布孔，炮孔間距為30 cm，排距為20 cm。根據(jù)現(xiàn)場試爆效果，炸藥單耗取1.8 kg/m3，對(duì)于配筋較高的區(qū)域，適當(dāng)提高裝藥量。裝填炸藥時(shí)，立柱的單排炮孔采用集中裝藥結(jié)構(gòu)，雙排炮孔采用空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)。

2.3爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)

根據(jù)爆破拆除總體方案，為確保起爆網(wǎng)路安全準(zhǔn)爆，采用非電導(dǎo)爆管雷管復(fù)式交叉(2+1)接力延時(shí)起爆網(wǎng)路。起爆網(wǎng)路選用南嶺澳瑞凱高精度導(dǎo)爆管雷管，孔內(nèi)裝11段(3400 ms)，孔外用3段(400 ms)接力傳爆，B區(qū)延遲A區(qū)1.2 s(6段)起爆。立柱起爆延期時(shí)間見表1。

表1　立柱起爆延期時(shí)間(單位：ms)

注：表中孔內(nèi)時(shí)間表示孔內(nèi)雷管起爆時(shí)刻。

2.4預(yù)處理方案

考慮到框剪結(jié)構(gòu)大樓的剪力墻較多，剛度較大，為保證大樓順利倒塌，對(duì)大樓進(jìn)行了剛度弱化處理：(1)對(duì)爆破切口范圍內(nèi)的剪力墻予以全部拆除；(2)非爆破樓層剪力墻按“化墻為柱”進(jìn)行剛度弱化處理；(3)1F～3F樓梯，采用人工和機(jī)械相結(jié)合的方式全部拆除，3F～6F樓梯，進(jìn)行局部弱化處理；(4)剝離并割斷前三排立柱中與倒塌方向相反一側(cè)的縱筋和箍筋。

3數(shù)值模擬驗(yàn)證

為驗(yàn)證爆破拆除設(shè)計(jì)方案的合理性和關(guān)鍵爆破參數(shù)的可靠性，采用LS-DYNA動(dòng)力學(xué)有限元程序?qū)Υ髽堑牡顾^程進(jìn)行計(jì)算。有限元模型采用“分離式”建模[7]，即綜合考慮混凝土和鋼筋兩種材料的力學(xué)性能差異?；炷羻卧捎肧OLID164單元，選用塑形隨動(dòng)硬化材料[8]；鋼筋單元采用BEAM161單元，選用塑形隨動(dòng)硬化材料。采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元對(duì)模型進(jìn)行劃分，單元尺寸為20 cm，整個(gè)模型單元數(shù)為276510，節(jié)點(diǎn)數(shù)為409040。大樓在失穩(wěn)倒塌過程中，考慮到鋼筋混凝土材料的實(shí)際受力并非單軸狀態(tài)，且存在箍筋的橫向約束，在參數(shù)設(shè)置時(shí)適當(dāng)提高混凝土的屈服強(qiáng)度。為簡化模型，采取把承重墻的質(zhì)量等效到樓板混凝土中，鋼筋、混凝土材料的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2　材料的物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模擬結(jié)果表明，大樓將按設(shè)計(jì)方向順利倒塌。整個(gè)倒塌觸地過程歷時(shí)約10 s，爆堆長85 m，寬48 m，最大高度為14.6 m。其中，A區(qū)后坐距離為3.8 m，B區(qū)后坐距離為1.5 m。從大樓的倒塌效果來看，A區(qū)倒塌觸地后解體較充分，而B區(qū)的解體效果很差。其原因?yàn)锽區(qū)延遲A區(qū)1.2 s起爆，兩區(qū)樓體在6 s時(shí)會(huì)接觸碰撞，減小了B區(qū)樓體倒塌觸地的沖量，從而影響了B區(qū)的解體效果。因此，在預(yù)處理施工過程中，應(yīng)該加大對(duì)B區(qū)樓體剛度的削弱力度。見圖4、圖5。

4安全防護(hù)措施

城市建(構(gòu))筑物爆破拆除工程中，爆破有害效應(yīng)主要包括爆破引起的振動(dòng)、個(gè)別飛散物、空氣沖擊波、噪聲和粉塵[9]。根據(jù)大樓結(jié)構(gòu)形式和周邊環(huán)境，需要重點(diǎn)控制個(gè)別飛散物和爆破粉塵對(duì)周邊建(構(gòu))筑物及周邊居民生活的影響。

為控制爆破過程可能產(chǎn)生的個(gè)別飛散物對(duì)周邊環(huán)境的影響，施工工程中采用了“三級(jí)防護(hù)”措施，即：覆蓋防護(hù)、近體防護(hù)和保護(hù)性防護(hù)。另一方面，爆破拆除產(chǎn)生的粉塵主要來源于混凝土破碎、建構(gòu)筑物附著的粉塵和倒塌觸地激起的揚(yáng)塵。爆破拆除引起的粉塵影響范圍較大，不僅污染環(huán)境，而且影響周邊居民的工作與生活。在爆破拆除施工過程中，采取了清除塵源、爆炸水霧降塵和其他降塵措施，對(duì)粉塵危害進(jìn)行了嚴(yán)格控制。

5爆破效果及結(jié)論

通過爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，得到臨近的軌道交通1號(hào)線橋墩根部的振動(dòng)速度峰值為1.85 cm/s，主頻為2.2 Hz；東側(cè)居民樓振動(dòng)速度峰值為1.4 cm/s，主頻為1.8 Hz；振動(dòng)速度峰值均在《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)允許的安全范圍內(nèi)。爆破后，周邊交通迅速恢復(fù)正常，臨近的軌道交通1號(hào)線正常運(yùn)營；爆破拆除工程中，個(gè)別飛散物防護(hù)得當(dāng)，降塵措施有效，對(duì)周邊建(構(gòu))筑物和周圍居民的正常工作和生活影響較小。

結(jié)合此次17層框-剪結(jié)構(gòu)大樓定向爆破拆除工程實(shí)踐，可以得到如下結(jié)論：

(1)框剪結(jié)構(gòu)大樓“分區(qū)分段”爆破拆除時(shí)，需要綜合考慮各區(qū)之間的相互關(guān)系。局部剪力墻結(jié)構(gòu)較多，剛度較大，會(huì)影響整個(gè)大樓倒塌觸地后的解體效果，為提高框-剪結(jié)構(gòu)大樓的倒塌效果，減小后期清渣的工作量，應(yīng)適當(dāng)加大對(duì)剪力墻的預(yù)拆除力度。

(2)運(yùn)用LS-DYNA動(dòng)力學(xué)有限元軟件，計(jì)算得到建筑結(jié)構(gòu)倒塌的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和觸地后的爆堆形態(tài)與實(shí)際爆破效果基本吻合，應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)指導(dǎo)爆破施工具有重要意義。

(3)采用“三級(jí)防護(hù)”措施和綜合降塵手段，大大降低了個(gè)別飛散物和粉塵對(duì)周邊建(構(gòu))筑物及周圍居民的影響。

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Directional Explosive Demolition of 17-layer Frame-shear Structure Building

XIEXian-qi1,JIAYong-sheng1,HUANGXiao-wu1,HANChuan-wei1,YAOYing-kang1,2,WANGHong-gang1,2

(1.Wuhan Blasting Engineering Co Ltd,Wuhan 430023,China;2.School of Civil And Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

Abstract:The 17-layer frame-shear structure was divided into area A and area B according to the structure characters.The delayed time of two areas is 1.2 s and the collapse direction is northward.The balsting parameters are given,as specific charge 1.8 kg/m3,the delayed time in the hole with 3400ms and outside the hole with 400 ms by using high precision Nonel detonator.Collapse effect of area A and area B are analyzed on the basis of actual blasting effect and image data.The results show that by using "subarea-subsection" demolition blasting method,the correlation of different area and existence of shear walls should be considered.In order to improve the collapse effect,more shear walls should be pre-treated.Furthermore,the collapse process and form of blasting muck pile from calculation are correspond with the actual effect and the feasibility of the design project is verified by using LS-DYNA.Adverse effects of blasting are controlled effectively by using covered protection nearby.protective protection measures and comprehensive dust fall method.

Key words:frame-shear structure; explosive demolition; numerical simulation; collapse effect

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.021

收稿日期:2016-01-12

作者簡介:謝先啟(1960-)，男，湖北洪湖市人，教授級(jí)高級(jí)工程師、博士生導(dǎo)師，主要從事工程爆破理論研究與工程實(shí)踐工作，(E-mail)xxqblast@163.com。

中圖分類號(hào):TU746.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1001-487X(2016)02-0107-06