钢筋混凝土框架结构的定向爆破拆除论文_蒙国琨

摘要：采用定向爆破对某复杂环境下的钢筋混凝土框架结构建筑进行拆除，对爆破方案的设计及预处理方案进行了详细的介绍，同时对各项参数进行了计算，确保爆破拆除设计方案的合理性和关键爆破参数的可靠性，并采取了安全防护措施，避免对周围环境的影响。本次定向爆破拆除取得了良好的成效，可供类似工程参考。

关键词：框架结构；定向爆破；拆除

1 工程概况

1.1 周边环境

某建筑工程总建筑面积约17100m2。大楼东侧紧邻大道，距架空电线19.7m，距车行道边线25m，距轨道交通线路35m，距大道东侧居民楼72m。此外，大楼东侧地下分布有电力管沟、自来水管和通讯管网等市政管线，周边环境较复杂。

1.2 大楼结构

大楼平面结构为反Z字形，如图1所示。主楼长49.3m，宽33.9m，高59.1m，共设3个楼梯，建筑面积约为11000m2。大楼剪力墙较多，整体刚度较大，外墙采用240mm厚砖砌体填充，内隔墙采用115mm厚粉煤灰加气块砌块填充。主楼由两部分组成，A区楼层高度为15层～17层，B区楼层高度为11层，两部分之间设有沉降缝，缝宽100mm。立柱尺寸主要有600mm×1000mm、800mm×800mm、700mm×700mm、600mm×700mm和400mm×800mm，梁的尺寸为500mm×250mm，剪力墙厚度为250mm，楼板厚度为100mm。

图1 框架结构楼房平面图

2 爆破方案设计

根据待拆大楼的结构特点、周边环境和业主要求，拟采用“裙楼机械拆除、主体结构爆破拆除”的总体方案。其中，主体结构采用“分区大间隔延时、向北定向倒塌”的爆破方案。

2.1 爆破切口

依据初弯曲压杆失稳模型计算公式

（1）

式中：，d为立柱钢筋直径；[σ]为钢筋屈服强度；a为压杆初挠度；Pcr为临界载荷；H为立柱破坏高度；EI为钢筋的抗弯刚度；μ为杆端系数。本工程中，代表性立柱钢筋直径d=25mm，钢材的弹性模量取E=200GPa，屈服强度取[σ]=200MPa。爆破后，钢筋发生弯曲，跨中挠度a分别取0cm、1cm、5cm、10cm。钢筋上下两端均为固接，μ=0.5。经计算，典型立柱的单根钢筋所受荷载分别为420kN、260kN、380kN，远大于立柱钢筋失稳临界荷载计算值。结合类似工程经验，立柱破坏高度取0.5～2.1m。见图2。

图2 爆破切口示意图

2.2 孔网参数

400mm×800mm截面立柱布置单排炮孔，其余类型的立柱间隔布置单排炮孔和双排炮孔，剪力墙采用梅花形布孔，炮孔间距为30cm，排距为20cm。根据现场试爆效果，炸药单耗取1.8kg/m3，对于配筋较高的区域，适当提高装药量。装填炸药时，立柱的单排炮孔采用集中装药结构，双排炮孔采用空气间隔装药结构。

2.3 爆破网路设计

根据爆破拆除总体方案，为确保起爆网路安全准爆，采用非电导爆管雷管复式交叉（2+1）接力延时起爆网路。起爆网路选用南岭澳瑞凯高精度导爆管雷管，孔内装11段（3400ms），孔外用3段（400ms）接力传爆，B区延迟A区1.2s（6段）起爆。立柱起爆延期时间见表1。

表1 立柱起爆延期时间（单位：ms）

注：表中孔内时间表示孔内雷管起爆时刻。

2.4 预处理方案

考虑到框剪结构大楼的剪力墙较多，刚度较大，为保证大楼顺利倒塌，对大楼进行了刚度弱化处理：（1）对爆破切口范围内的剪力墙予以全部拆除；（2）非爆破楼层剪力墙按“化墙为柱”进行刚度弱化处理；（3）1F～3F楼梯，采用人工和机械相结合的方式全部拆除，3F～6F楼梯，进行局部弱化处理；（4）剥离并割断前三排立柱中与倒塌方向相反一侧的纵筋和箍筋。

3 数值模拟验证

为验证爆破拆除设计方案的合理性和关键爆破参数的可靠性，采用LS-DYNA动力学有限元程序对大楼的倒塌过程进行计算。有限元模型采用“分离式”建模，即综合考虑混凝土和钢筋两种材料的力学性能差异。混凝土单元采用SOLID164单元，选用塑形随动硬化材料；钢筋单元采用BEAM161单元，选用塑形随动硬化材料。采用8节点六面体单元对模型进行划分，单元尺寸为20cm，整个模型单元数为276510，节点数为409040。大楼在失稳倒塌过程中，考虑到钢筋混凝土材料的实际受力并非单轴状态，且存在箍筋的横向约束，在参数设置时适当提高混凝土的屈服强度。为简化模型，采取把承重墙的质量等效到楼板混凝土中，钢筋、混凝土材料的物理力学参数如表2所示。

表2 材料的物理力学参数

数值模拟结果表明，大楼将按设计方向顺利倒塌。整个倒塌触地过程历时约10s，爆堆长85m，宽48m，最大高度为14.6m。其中，A区后坐距离为3.8m，B区后坐距离为1.5m。从大楼的倒塌效果来看，A区倒塌触地后解体较充分，而B区的解体效果很差。其原因为B区延迟A区1.2s起爆，两区楼体在6s时会接触碰撞，减小了B区楼体倒塌触地的冲量，从而影响了B区的解体效果。因此，在预处理施工过程中，应该加大对B区楼体刚度的削弱力度。见图3、图4。

图3 大楼倒塌触地过程

图4 爆堆形态及尺寸

4 安全防护措施

城市建（构）筑物爆破拆除工程中，爆破有害效应主要包括爆破引起的振动、个别飞散物、空气冲击波、噪声和粉尘。根据大楼结构形式和周边环境，需要重点控制个别飞散物和爆破粉尘对周边建（构）筑物及周边居民生活的影响。

为控制爆破过程可能产生的个别飞散物对周边环境的影响，施工工程中采用了“三级防护”措施，即：覆盖防护、近体防护和保护性防护。另一方面，爆破拆除产生的粉尘主要来源于混凝土破碎、建构筑物附着的粉尘和倒塌触地激起的扬尘。爆破拆除引起的粉尘影响范围较大，不仅污染环境，而且影响周边居民的工作与生活。在爆破拆除施工过程中，采取了清除尘源、爆炸水雾降尘和其他降尘措施，对粉尘危害进行了严格控制。

5 爆破效果及结论

根据现场踏勘情况，大楼的整体结构按照爆破设计方向顺利倒塌。A区楼体在⑦号轴处断开，⑦～ 号轴之间的结构解体非常充分，14～16号轴之间的楼体呈“外翻”状，剪力墙结构依然完整。B区楼体在E～D号轴之间受剪切作用发生断裂，整体结构比较完整，解体不明显。整个爆堆高度为14.0m，宽度为52.2m，长度为78.0m。

结合爆破影像资料，可以发现，A区和B区在失稳倒塌运动过程中都保持着较好的整体性。K～M号轴之间跨距较大，在延时失稳过程中，K～M号轴之间的梁发生了弯矩破坏。⑦～14号轴之间的楼体剪力墙结构较少，局部刚度较低，且受到B区后续倒塌的撞击，导致⑦～14号轴之间的楼体倒塌触地后受压破坏严重。B区E～D号轴之间没有剪力墙结构，且1楼后两排立柱没有设置爆破切口，导致B区楼体在下坐和倒塌过程中在E～D号轴之间发生了剪切破坏。另一方面，B区C～D号轴和E～H号轴之间剪力墙结构较多，局部刚度较大，并且B区倒塌触地后砸在A区的残渣上，减小了B区触地时的冲量，最终导致B区楼体解体不充分。见图5。

图5 大楼爆破拆除倒塌效果图

通过爆破振动监测，得到临近的轨道交通线路桥墩根部的振动速度峰值为1.85cm/s，主频为2.2Hz；东侧居民楼振动速度峰值为1.4cm/s，主频为1.8Hz；振动速度峰值均在《爆破安全规程》（GB6722—2014）允许的安全范围内。爆破后，周边交通迅速恢复正常，临近的轨道交通线路正常运营；爆破拆除工程中，个别飞散物防护得当，降尘措施有效，对周边建（构）筑物和周围居民的正常工作和生活影响较小。

结合此次框架结构大楼定向爆破拆除工程实践，可以得到如下结论：

（1）框剪结构大楼“分区分段”爆破拆除时，需要综合考虑各区之间的相互关系。局部剪力墙结构较多，刚度较大，会影响整个大楼倒塌触地后的解体效果，为提高框-剪结构大楼的倒塌效果，减小后期清渣的工作量，应适当加大对剪力墙的预拆除力度。

（2）运用LS-DYNA动力学有限元软件，计算得到建筑结构倒塌的运动姿态和触地后的爆堆形态与实际爆破效果基本吻合，应用数值模拟技术对指导爆破施工具有重要意义。

（3）采用“三级防护”措施和综合降尘手段，大大降低了个别飞散物和粉尘对周边建（构）筑物及周围居民的影响。

6 结语

综上所述，本次钢筋混凝土框架结构的定向爆破拆除顺利进行，建筑的整体结构按照爆破设计方向顺利倒塌，并且在爆破拆除施工过程中，采取了“三级防护”措施和清除尘源、爆炸水雾降尘等降尘手段，减少了爆破拆除对周围环境的影响，对粉尘危害进行了严格控制，取得了良好的成效，可供其他类似建筑爆破拆除施工参考借鉴。

参考文献：

[1]费鸿禄，刘志东，戴明颖.复杂环境下10层非对称框架结构楼房定向爆破拆除[J].爆破.2015（02）

[2]杨建军，黄磊，蔡伟.非对称钢筋混凝土框架结构楼房爆破拆除[J].爆破器材.2015（04）

论文作者:蒙国琨

论文发表刊物:《基层建设》2016年13期

论文发表时间:2016/10/12

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