田水龍，張程嬌，黃 雄，王立鋒，杜 剛

(中國葛洲壩集團(tuán)易普力股份有限公司，重慶401121)

隨著我國城市化發(fā)展的快速推進(jìn)，有很多建(構(gòu))筑物需進(jìn)行拆除，因此爆破拆除技術(shù)被廣泛采用[1-3]。眾所周知，城市的建(構(gòu))筑物周圍空間越來越狹窄，使得施工環(huán)境極為復(fù)雜[4-5]，周圍有限的空間僅僅只滿足結(jié)構(gòu)的倒塌，以及其廢墟的堆積。待拆建筑周圍的空間有的僅為數(shù)米，有的乃至縫隙之隔。為了保護(hù)待拆建(構(gòu))筑物反方向建筑物的安全，對(duì)于建(構(gòu))筑物爆破拆除后坐的影響進(jìn)行研究，已成為現(xiàn)代工程爆破行業(yè)亟需研究的熱點(diǎn)課題之一[6-7]。本文介紹了基于建(構(gòu))筑物爆破切口高度及后排立柱爆高的優(yōu)化[8]，框架結(jié)構(gòu)爆破后坐問題數(shù)值模擬研究的過程，以期為后期建(構(gòu))筑物爆破后坐的控制提供理論上的支持。

1 工程概況

待拆樓房為8層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)(見圖3)，總建筑面積1 296 m2，高33.2 m，長64.2 m，寬20.2 m。主要立柱截面尺寸為400 mm×400 mm、600 mm×600 mm、600 mm×1 000 mm、700 mm×800 mm、800 mm×800 mm，主梁尺寸為500 mm×250 mm;樓梯部分設(shè)有厚度為250 mm的剪力墻，層間樓板是現(xiàn)澆板，板厚200 mm，墻體為填充墻。待拆樓房距東側(cè)輕軌9.0 m，電纜溝(空管)5.0 m，距供水管10.6 m(φ300鑄鐵)，距天然氣管道13.2 m(φ300鑄鐵 中壓)。樓房后側(cè)的情況如圖1所示，樓房的結(jié)構(gòu)平面如圖2所示。

圖1 爆破前待拆樓房后側(cè)Fig.1 Rear framework building before blasting

圖2 結(jié)構(gòu)平面Fig.2 Structure plane

2 工程特點(diǎn)

1)待拆樓房位于鬧市區(qū)，緊鄰施工工地，并毗臨輕軌高架橋，周邊環(huán)境極其復(fù)雜。

2)待拆樓房沿街人行道及車行道下方有電力、通信、給水、排水和天然氣等多種淺埋市政管網(wǎng)，安全要求高。

3)待拆樓房周邊存有數(shù)量較多的磚混結(jié)構(gòu)民房，抗振性能差，需嚴(yán)格控制振動(dòng)效應(yīng)及后坐距離。

4)爆破飛石、灰塵、噪聲及沖擊波防護(hù)難度大。

3 爆破方案

綜合分析樓房結(jié)構(gòu)特征、周邊環(huán)境條件及業(yè)主要求，制定爆破方案向北定向倒塌(見圖3)。

圖3 周圍環(huán)境Fig.3 Surrounding environment

4 工程建模

4.1 有限元模型

按照上述工程，利用有限元軟件ANSYS/LSDYNA進(jìn)行建模，本模型按照1∶1建模(見圖4～圖5)，爆破參數(shù)與實(shí)際相同。

圖4 有限元模型Fig.4 The finite element model

圖5 爆破切口Fig.5 Blasting notch

4.2 模型參數(shù)

通常情況下數(shù)值模擬中的混凝土單元選用SOLID164單元，用BEAM161單元來模擬鋼筋單元。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料[9-10]，在爆破荷載作用下混凝土和鋼筋都為塑性隨動(dòng)硬化材料，選用?MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型，具體材料參數(shù)如表1所示。

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

4.3 模擬結(jié)果分析

實(shí)際爆破的堆散范圍和高度與模擬結(jié)果對(duì)比數(shù)據(jù)如表2所示，實(shí)際爆破效果與數(shù)值計(jì)算模擬的爆破效果分別如圖6～圖7所示。

表2 實(shí)際效果與模擬結(jié)果對(duì)比Table 2 Effect compared with simulation result(m)

圖6 爆破后現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 After blasting scene

圖7 模擬效果Fig.7 Simulation effect

由圖6～圖7和表2可知，模擬倒塌的結(jié)果與工程實(shí)際情況基本一致，倒塌長度大的原因是模擬的時(shí)候?yàn)榱私档陀?jì)算量，假設(shè)地面為剛性地面，所以有一定的前沖，但是誤差都在可控范圍內(nèi)。

5 毫秒延時(shí)時(shí)間對(duì)后坐的影響

通過對(duì)待拆除樓房的爆破拆除實(shí)際效果與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，不難看出，利用數(shù)值模擬方法對(duì)建(構(gòu))筑物爆破可能產(chǎn)生的后坐影響因素予以預(yù)測(cè)是可行的，因此通過查閱爆破切口優(yōu)化相關(guān)資料[8]，確定三角形爆破切口后坐距離相對(duì)較小，能夠保證結(jié)構(gòu)順利倒塌的模型，爆破切口高度為8.4 m，后排立柱炸高0.5 m。鋼筋單元設(shè)計(jì)如圖8所示，待拆樓房所有支撐立柱和剪力墻均采用非電導(dǎo)爆管雷管MS19(1 700 ms)，前、后段順序起爆間隔時(shí)間相同。

圖8 鋼筋單元分布Fig.8 Reinforced unit distribution

5.1 起爆順序

起爆順序一般有2種方式:分別為排分段、層同段和排層分段起爆(排指立柱，層指樓層)。排分段、層同段(前、后排分段)、同排各層同段起爆(見圖9a);排、層分段，(前、后排各排)、各層均分段起爆(見圖9b)。

5.2 排分段、層同段起爆

爆破網(wǎng)路延時(shí)選擇前、后段順序起爆，間隔時(shí)間相同的排分段、層同段起爆方式，排分段間隔時(shí)間分別為50、110、200、310、460、650、760、880、1 020 ms。數(shù)值模擬倒塌效果如圖10所示;后坐距離如表3所示，后坐距離變化如圖11所示。

圖9 起爆順序Fig.9 Initiation sequence

圖10 排分段、層同段起爆不同間隔時(shí)間倒塌效果Fig.10 Collapse effect of row subsection and layer simultaneous initiation in different interval time

表3 排分段、層同段起爆不同間隔時(shí)間后坐距離Table 3 Backward collapse distance of row subsection and layer simultaneous initiation in different interval time

圖11 后坐距離的變化Fig.11 Backward collapse distance change

由模擬過程發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)破壞響應(yīng)均在200 ms以上，因此選取前、后段順序起爆時(shí)間間隔250～1 020 ms來進(jìn)行數(shù)值模擬分析。由表3可知:排分段、層同段起爆，相鄰段時(shí)間間隔為250～500 ms時(shí)，相對(duì)后坐距離較小;時(shí)間間隔為500～1 020 ms時(shí)，后坐距離隨著間隔時(shí)間的增加而迅速增加。因此，待拆樓房爆破拆除時(shí)前、后相鄰段起爆間隔時(shí)間一般控制250～500 ms為宜。

5.3 排、層分段起爆

爆破網(wǎng)路延時(shí)選擇前、后段順序起爆，間隔時(shí)間相同的排、層分段起爆方式，間隔時(shí)間分別為250、310、380、460、555、650 ms。數(shù)值模擬倒塌效果如圖12所示，后坐距離如表4所示，后坐變化如圖13所示。

圖12 排、層分段起爆不同間隔時(shí)間倒塌效果Fig.12 Collapse effect of row and layer subsection initiation in different interval time

表4 排、層分段起爆不同間隔時(shí)間后坐距離Table 4 Backward collapse distance of row and layer subsection initiation in different interval time

圖13 后坐距離變化Fig.13 Backward collapse distance change

由圖10～13和表3～表4可知:2種起爆方式相對(duì)比，同等條件下，采用排、層分段起爆相較于排分段、層同段起爆，產(chǎn)生后坐距離較小。因此，建議一般情況下，工程中為確保倒塌反方向的建(構(gòu))筑物不被待拆結(jié)構(gòu)倒塌產(chǎn)生的后坐所傷害，采用排、層分段的起爆方式對(duì)于控制后坐現(xiàn)象比較理想。

6 結(jié)論

1)利用數(shù)值模擬方法對(duì)建(構(gòu))筑物爆破可能產(chǎn)生的后坐影響因素予以預(yù)測(cè)是可行的，可用來進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)方案優(yōu)化。能在未來爆破行業(yè)內(nèi)真正做到爆破安全化、經(jīng)濟(jì)化、高效化。

2)排分段、層同段起爆，非電毫秒雷管段別為250～500 ms時(shí)，后坐距離相對(duì)較大且變化平穩(wěn);時(shí)間間隔為500～1 020 ms時(shí)，后坐距離隨著間隔時(shí)間的增加而迅速增加。待拆建(構(gòu))筑物爆破拆除時(shí)前后順序起爆的相鄰段起爆間隔時(shí)間應(yīng)控制250～500 ms這個(gè)范圍內(nèi)最佳。

3)排、層分段起爆，前、后相鄰段間隔時(shí)間為250～500 ms時(shí)，相較于排分段、層同段起爆方式產(chǎn)生的后坐距離小且變化幅度平穩(wěn)。

4)經(jīng)過對(duì)2種起爆方式對(duì)比，同等條件下，排、層分段起爆方式后坐距離較排分段、層同段小，因此為了避免在爆破拆除中產(chǎn)生后坐現(xiàn)象，對(duì)倒塌反方向的建筑物造成傷害并造成經(jīng)濟(jì)損失，建議選用排、層分段方式進(jìn)行起爆。

由于研究時(shí)間以及理論知識(shí)有限及影響后坐的因素非常多，只對(duì)前、后段等間隔時(shí)間進(jìn)行模擬分析，并未分析其他因素，與工程實(shí)踐存在一定的誤差，需要在后續(xù)建模及分析中進(jìn)一步研究，更加全面、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)后坐影響因素，將影響因素量化。