18层框架楼房定向爆破倒塌迟缓原因分析.pdf

第34卷 第4期 2017年12月 爆 破 BLASTING Vol. 34 No. 4 Dec. 2017 doi10. 3963／ j. issn. 1001 －487X. 2017. 04. 027 18层框架楼房定向爆破倒塌迟缓原因分析 费鸿禄， 杨小庚， 周健华， 杨智广 （ 辽宁工程技术大学爆破技术研究院， 阜新123000） 摘 要 鞍山金融大厦18层框架楼房爆破拆除选用二号岩石乳化炸药， 三角形爆破切口， 最大切口高度 14. 5 m， 采用5、7、9、11段毫秒微差起爆方式实施定向爆破。楼房倒塌过程中出现了倒塌困难的风险， 为探 究产生的原因， 依据工程实际利用有限元软件ANSYS／ LS-DYNA对简化工况、 真实工况和改进工况进行数值 模拟分析。模拟一楼体未完成倒塌， 模拟二楼体的倒塌过程与实际倒塌基本相同都出现了倒塌困难的风险， 模拟三楼体倒塌方向前后节点的速度差值较大， 倒塌过程实现了后排立柱触地的定轴转动， 模拟结果贴近真 实情况。在爆破技术设计时结合数值模拟可以预知爆破方案的不足， 及时改进， 为爆破施工的顺利完成提供 技术支持。 关键词 楼房；倒塌困难；数值模拟；定向爆破 中图分类号 TU746. 5 文献标识码 A 文章编号 1001 －487X（2017）04 －0149 －06 Analysis of Collapse Delay causes of Directional Explosive Demolition in 18 Layers Frame Buildings FEI Hong-lu，YANG Xiao-geng，ZHOU Jian-hua，YANG Zhi-guang （Blasting Technology Research Institute，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China） Abstract The explosive demolition of an 18-layer frame building in Anshan Financial Building is designed with No. 2 rock emulsion explosive and triangle blasting cut. The maximum height of blasting cut is 14. 5 meters. The di- rectional blasting circuit is carried out using short-delay blasting s with 5，7，9，11 milliseconds time delay. There is a risk of collapse difficulty in the building collapse. To explore the causes，according to the engineering prac- tice，the finite element software ANSYS／ LS-DYNA is used to simulate the simplified working conditions，the real working conditions and the improved working conditions. The buildings of first simulation does not completely col- lapse. The collapse process of the second simulation is basically the same as the actual collapse and they are all in the risk of collapse difficulty. The speed difference between the front and back nodes of the building of the third sim- ulation is larger. The collapse process s a rear column ground fixed axis rotation and the result is very ideal. Blasting Design by the numerical simulation technology can predict the problems of blasting scheme，improve the blasting plan and provide technical support for the successful completion of blasting construction. Key words building；collapse difficulty；numerical simulation；directional blasting 收稿日期2017 －09 －01 作者简介费鸿禄（1963 －） ， 男， 教授、 博士、 博士生导师， 从事工程 爆破和地下工程方面的科研与教学工作，（E-mail） feihonglu＠163. com。 通讯作者杨小庚（1989 －） ， 男， 硕士研究生， 从事工程爆破方面的 研究， （E-mail）179013881＠ qq. com。 1 工程概况 1. 1 工程环境 鞍山市铁东区根据城市建设整体规划， 对鞍山 金融大厦及周围裙楼进行拆除， 金融大厦始建于80 年代初期， 该楼地处站前交通繁华的闹市区， 行人车 万方数据 辆密集， 主楼楼体较高， 工期紧张， 决定使用控制爆 破手段实施十八层主楼的拆除。爆破主楼周围环境 较为复杂， 爆区距东侧三道街64 m； 距东南侧鞍山 广播电视台85 m、 香车宝马会所50 m； 南侧方向距 二一九路边15 m， 距中国联通大楼40 m； 距西侧地 下商场过街出入口19m、 钻石城60 m； 距西北方向 鞍山大厦70 m； 距北侧文化路50 m、 华艺大厦61 m、 国友大厦68 m； 爆破周围环境如图1（a） 所示。 图1 楼房周围环境与爆破切口示意图（ 单位mm） Fig. 1 Sketch map of the surroundings and blasting cut of buildings（unitmm） 主楼南侧有一通讯线缆东西走向地下埋深 1. 5 m， 与外墙垂直距离15 m， 西侧有一通讯线缆南 北走向地下埋深1. 5 m， 距主楼外墙垂直距离16 m； 电力、 通讯线路及给水、 热力、 燃气管线已拆移到倒 塌区域范围以外。 1. 2 金融大厦结构特点 金融大厦为钢筋混凝土框架结构， 其主楼南北 方向长34 m， 东西方向宽15. 3 m， 楼层共计18层， 楼高65. 2 m。主楼建筑结构为钢筋混凝土框架剪 力墙结构， 支撑立柱断面为800 mm 800 mm， 立柱 为东西三排， 每排六根， 总计18根； 梁断面尺寸为 240 mm 600 mm。主楼内设有楼梯和电梯各1个， 局部办公室墙体为剪力墙结构， 其余均为砖墙结构。 2 爆破方案设计 2. 1 总体方案 金融大厦主楼的高宽比较大， 有利于定向倾倒 方案［ 1］， 根据楼房周围环境条件， 正东方向场地开 阔， 土质松散， 对触地波有良好的衰减作用， 且满足 倒塌距离。其倒塌方向只允许正东和东偏北两个方 向。由于主楼南侧15 m地下通讯管线需重点保护， 所以整体向东偏北方向倾倒为最佳爆破方案。 2. 2 爆破切口高度的确定 因待爆楼混凝土强度大， 钢筋密度高， 依据结构 资料和配筋情况， 以及工程经验选用立柱破坏高度 计算公式如下［ 2］ H ＝ K（B1＋ Hmin）（1） 式中H为承重立柱破坏高度，m；K为与建筑 物倒塌有关的经验系数［ 3］， 一般取 1. 5 2. 0；B1为 立柱截面的长边长，m；Hmin为承重立柱的最小破坏 高度（ 通常取最小抵抗线的1. 5倍） ［4］， m。考虑到 楼房的特殊结构， 经式（1）计算后， 适当增大爆高， 在楼房1 4层布设爆破切口， 第一、 二、 三排爆高分 别为14. 5 m、11. 5 m、1 m，1 4层的东西梁在中间 部位布2 3个孔， 使解体更加充分， 切口示意图如 图1（b） 所示。 2. 3 爆破参数的选取 1） 炮孔直径d 炮孔直径d ＝38 mm。 2） 最小抵抗线W 横截面为800 mm 800 mm的最小抵抗线W 取400 mm。 3） 炮孔布置 沿立柱竖直方向布置梅花形双排孔，孔深 600 mm， 孔距500 mm， 排距300 mm。第一排立柱 4层高总炮孔215个，第二排立柱三层高总炮孔 144个， 第三排立柱1. 0 m高总炮孔26个。 051爆 破 2017年12月 万方数据 4） 单孔装药量［ 5］ Q1＝ qV（2） 式中Q1为单孔装药量，kg；q为单位体积耗药 量，kg／ m3；V为炮孔担负的爆破体体积，m3。经计算 并结合以往工程经验， 于试爆后， 单孔药量调整为 350 g。 2. 4 爆破网路起爆顺序 由于此次楼房爆破拆除地处于市中心闹市， 且 楼体较高， 决定使用毫秒微差的起爆方式。雷管段 别采用5、7、9、11段4个段位， 总体段位布置图如图 1所示。为了实现东偏北方向的倒塌， 对第一排北 侧两根立柱的段位设置为5、5、7、9段， 第二排北侧 两根立柱的段位为7、7、9段， 以便实现东偏北的倒 塌方向。 2. 5 爆破前预处理 为使楼房顺利倒塌， 爆堆低且解体充分， 对影响 爆破效果的部位进行预先拆除［ 6］。 1） 将1、2、3层的砖墙全部拆除， 只留下承重立柱。 2） 将1 3层的电梯井人工拆除， 切断1 3层 的楼梯隔断， 每个切点处只剔除混凝土， 保留钢筋。 3） 拆除裙楼与主楼之间的连接钢筋以及西侧附 属结构与主楼的钢筋连接使楼房为独立结构体［ 7］。 2. 6 安全防护 为确保爆破安全， 四周裙楼拆除可在主楼爆破 之后进行， 在一定程度上， 可利用四周裙楼结构墙体 对爆破产生的飞石进行天然防护。同时在主楼东侧 的空地上开挖减震沟， 减震沟为凹字型布置， 东西走 向布设2条， 长34. 6 m， 沟宽3. 5 m； 南北走向距离 主楼远端布设一条， 宽24. 2 m， 沟宽4 m， 沟深均为 4 m， 以减少建筑倒塌触地振动， 确保周围环境安全。 3 数值模拟 3. 1 有限元模型的建立 根据金融大厦实际工况， 采用有限元软件AN- SYS／ LS-DYNA按实际比例建模。为了简化计算， 建 模时略去周围事先机械拆除的建筑以及不考虑墙体 对结构的影响， 模型中主要由柱、 梁、 板以及地面构 成， 如图2所示。 整个金融大厦只用SOLID164一个单元模型［ 8］， 地 面采用RIGID刚性材料， 具体的参数如表1所示。 表1 模型材料参数 Table 1 Model material parameters 材料名称 密度／（kgm －3） 弹性模量／ Pa 泊松比 混凝土29002. 9e ＋100. 2 地面30003. 0e ＋110. 3 图2 金融大厦有限元模型 Fig. 2 LS-DYNA model of finance building 模拟中是通过添加关键字*MAT＿ADD＿ERO- SION来控制承重立柱材料失效， 通过定义材料失效 来等效爆破立柱的失效过程［ 9］。为了分析楼体产生 倒塌困难的原因， 分别模拟了简化工况、 真实工况和 改进工况的倒塌过程， 并分析三种工况的倒塌机理。 3. 2 模拟倒塌过程分析 图3为模拟一的数值模拟结果， 本次模拟将楼 体简化为规则矩形框架结构建立有限元模型， 其爆 破参数与实际工况完全一致， 其倒塌过程如下。 由模拟一结果可以看出 爆破切口瞬间形成， 楼 体在实际工况延期时差下仅形成了极小的倾角， 并 没有形成使楼体倾倒的有效倾角。整个楼体在重力 的作用下下落、 触地破坏， 至6. 52 s时楼体仍只发 生了小部分倾斜并没有倾倒， 这与实际倒塌过程不 符， 由此说明模型的简化虽有利于完成运算， 但其模 拟结果与实际结果相悖。 图4为模拟二的数值模拟结果， 鉴于模拟一模 型过于简化导致结果与实际不符， 此次模拟在保证 爆破参数与实际工况完全一致的前提下， 在模型结 构上也更加接近真实结构。楼体的实际结构并不是 很规则的矩形框架结构， 主楼的4层多出一部分建 筑以及4层以上每层的窗户都多出一小块建筑， 说 明楼体前排结构的重量略大于后排结构。通过增加 模型待添加建筑物处的重量来近似等效实际结构， 其倒塌过程如下。 由模拟二结果可以看出 起爆后形成的倾角较 小， 但倾角在缓慢增大， 楼体触地后出现倒塌困难， 之后突破了困难状态继续倒塌，7. 78 s时倒塌基本 结束。分析其结果 在爆破切口并未完全形成之时， 由于前部分的重量略高于后排， 楼体发生了小部分 前倾， 促使倾角进一步形成， 但未形成倒塌有效倾 角。当最后一排立柱触地时， 前面两排立柱还未与 151第34卷 第4期 费鸿禄， 杨小庚， 周健华， 等 18层框架楼房定向爆破倒塌迟缓原因分析 万方数据 地面接触， 最后一排立柱的触地破坏会减缓楼体的 下降速度， 在最后一排立柱的触地瞬间， 惯性使前排 立柱保留着原有的速度下落， 此瞬间前排立柱的下 降速度必然略大于最后一排立柱的下降速度， 前后 排间逐渐形成速度差。速度差缓慢增加的过程便是 楼体克服倒塌困难继续倾倒的过程， 此次模拟与实 际倒塌过程非常相符。 图3 模拟一数值模拟结果 Fig. 3 Numerical simulation results of the first simulation 图4 模拟二数值模拟结果 Fig. 4 Numerical simulation results of the second simulation 图5为模拟三数值模拟结果， 为了探索是否由 于延期时间间隔较短导致未形成良好倾角， 此次模 拟采用模拟一的简化模型， 只调整延期时差， 选用 1、3、7、11 ms延期时差， 其倒塌过程如下。 由模拟三结果可以看出 前后排立柱之间的起 爆时差加长后， 倒塌效果明显增强。切口形成后楼 体形成了较大倾角， 当最后排立柱触地后与地面接 触形成支点， 上面的建筑在重力的作用下， 以支点为 转动轴进行定轴旋转运动［ 10］， 之后楼体与地面发生 冲击解体，7. 06 s时倒塌基本完毕， 此次模拟是较为 理想的定向爆破倾倒。可以得出毫秒延期时差较小 是实际工况倒塌困难的原因之一。 3. 3 模拟速度变化分析 为了进一步分析主楼出现倒塌困难的原因， 选 取金融大厦最顶部中心的前后两节点， 分别为前节 点32001和后节点31994， 从倒塌过程中两节点的 速度变化中分析大厦的倒塌过程， 图6为金融大厦 节点选取图， 图7为模拟一、 模拟二和模拟三的两节 251爆 破 2017年12月 万方数据 点垂直速度变化图。 图5 模拟三数值模拟结果 Fig. 5 Numerical simulation results of the third simulation 图6 节点选取图 Fig. 6 Node selection graph 由速度变化图可知 模拟一前后两节点的速度 先是经过两次波动减速逐渐增大至3 s， 后又经过多 次波动减速逐渐减小至零点附近。前后两节点的速 度变化曲线基本重合， 楼体前后排几乎未形成速度 差， 正如模拟结果所示楼体未完成倒塌。 模拟二前后两节点的速度在起爆初期逐渐波动 增大， 但速度差值并不大， 此刻楼体在形成较小倾角 后竖直下落。在3 5 s之间两节点的速度经过多次 减小、 增大的波动， 这与模拟二中对倒塌困难的分析 相吻合。在此过程中两节点速度相差较大， 这也是楼 体能够成功倒塌的要素之一。5 6. 2 s两节点的速 度出现了共同增大的趋势， 此时楼体克服了倒塌困难 继续倾倒， 但楼体的倒塌并不是理想的定轴转动。 图7 三个模拟两节点竖直方向速度变化图 Fig. 7 Vertical velocity variation diagram of the two nodes in the three simulations 模拟三前后两节点的速度变化基本一致，在 0 6 s两点速度几乎呈匀加速增大， 速度变化曲线 近似呈直线型。在6 s后速度急剧减小， 说明立柱 触地破坏基本完成，7 s后倒塌基本完毕。观察前后 两节点速度变化曲线， 两条曲线基本呈直线型， 斜率 大致相同， 速度差值也基本保持一致且差值均大于 前两次模拟， 此次倾倒是理想的定轴转动倒塌。 3. 4 实际结果与模拟结果对比分析 图8为施工现场实录的倒塌过程视频， 从中截 取有代表性的4张图片如下。 从图8中可以看出 起爆后楼体先是形成微小 倾角， 然后便竖直下落， 后排立柱先触地破坏， 破坏 351第34卷 第4期 费鸿禄， 杨小庚， 周健华， 等 18层框架楼房定向爆破倒塌迟缓原因分析 万方数据 并逐渐减小，2. 24 s时前排立柱开始触地破坏， 此时 便出现了倒塌困难的现象，2. 24 4. 36 s楼体出现 了缓慢前倾，4. 36 s后楼体迅速前倾，7. 46 s楼体整 体触地。 图8 现场实拍倒塌过程图 Fig. 8 The real collapse process diagram 模拟二的倒塌过程是最接近工程实际的， 楼体 的倒塌与实际同样出现了倒塌困难， 分析原因应为 楼体的大高宽比框架结构以及较短的延期时间所 致。框架结构随着高宽比增大， 结构平均用钢量将 迅速增加， 高宽比越大， 用钢量变化就越大［ 11］。在 做爆破方案时根据以往经验虽然选择了大切口和毫 秒延期爆破方案， 但忽略了此结构的特殊性， 致使实 际爆破中出现了倒塌困难的风险。好在施工现场的 地面基本是土体和碎石， 当前排立柱触地后， 与地面 接触形成支点， 形成了前排立柱触地的定轴转动， 最 终完成倒塌。工程中出现倒塌困难容易造成爆而不 倒， 甚至下坐严重的不良后果。因此进行爆破技术 设计的同时， 应应用有限元软件模拟建筑物倒塌， 完 善爆破设计， 可以确保拆除爆破安全顺利地实施。 4 结论 为探究鞍山金融大厦定向爆破拆除过程中产生 倒塌困难风险的原因， 运用LS-DYNA有限元软件进 行数值模拟， 对比分析实际工况与模拟工况的倒塌 过程， 得出主要结论如下 （1）采用ANSYS／ LS-DYNA软件可以从倒塌方 式、 倒塌过程、 倒塌时间和倒塌速度等诸多方面具体 分析楼体倒塌过程的细节， 用直观的模拟数据分析 实际工程中产生的风险。 （2）工况三的数值模拟实现了理想的定向倒 塌， 说明实际工程中发生倒塌困难的原因主要是楼 体的特殊框架结构以及延期时间间隔较短， 起爆后 楼体未形成有效倾角； 倒塌过程中楼体倒塌方向前 后节点的速度差值越大越容易发生倾倒。 （3）采用ANSYS／ LS-DYNA软件可以预测实际 爆破拆除过程， 在爆破技术设计时结合数值模拟， 可 以预知爆破方案的不足， 为爆破施工的顺利完成提 供技术支持。 参考文献（References） ［1］ 梁 锐， 刘国军.复杂环境下9层框架楼房切割定向 爆破拆除［J］.爆破，2012，29（2） 80-83. ［1］ LIANG Rui，LIU Guo-jun. 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