框架结构楼房逐跨向内倾倒爆破拆除.pdf

第37卷第4期 2020年12月 Vo l . 37 No . 4 Dec . 2020 bMg do i10. 3963/j. issn . 1001 -487X. 2020.04.014 框架结构楼房逐跨向内倾倒爆破拆除* 刘昌护二贾永旷3潢小广3,伍岳心环金山T齡康心 1-爆破工程湖北省重点实验室，武汉430056； 2.江汉大学湖北武汉爆炸与爆破技术研究院，武汉430056； 3.武汉爆破有限公司，武汉430056 摘要为提高爆破拆除的安全性，拓宽爆破拆除的应用范围，结合工程案例提出了框架结构楼房“逐跨 向内倾倒”爆破拆除技术。通过无人机搭载夜视相机摄影观测和动力学学有限元数值模拟计算，分析了框 架楼房爆破拆除倒塌运动过程与爆堆形态，研究了逐跨向内倒塌爆破拆除的技术要点。通过布置4层爆破 切口，自中间向两侧逐跨延时310 ms依次起爆，主动控制楼体的运动姿态，确保楼房可靠地连续倒塌，实现 集中爆堆、充分解体和降低振动的目标。经研究发现两侧楼体在倒塌过程中既有纵向运动又有横向运动， 构件间的碰撞挤压几率增加，承重构件由单一的受压破坏转化为形式多样的弯剪破坏。与传统定向爆破拆 除技术相比，逐跨向内倒塌爆破拆除技术在控制倒塌姿态、促进爆堆解体和削弱触地振动等方面更具优越 性，为城市复杂环境下建筑物爆破拆除提供了新的设计思路。 关键词爆破拆除；框架结构楼房；爆破效果；摄影观测；数值模拟 中图分类号TU746.6 文献标识码A 文章编号1001 -487X202004 - 0081 -08 Span-by-span Inward Collapse Blasting Demolition of Frame Structure Building LIU Chang-bang1,2,3 ,JIA Yong-sheng1,2,3,HUANG Xiao-wu[,2,3, WU Yu e1,2,3 ,SUN Jin-shar i3, YAO Ying-k ang12,3 1. Hu bei Key La bo r a t o r y o f Bl a st in g En gin eer in g, Wu h a n 430056,Ch in a； 2. Hu beiWu h a n Ex pl o sio n s a n d Bl a st in g Tec h n o l o gy In st it u t e o f Jia n gh a n Un iv er sit y, Wu h a n 430056, Ch in a ； 3. Wu h a n Ex pl o sio n s 然 而,构建精细化的数值模型,精准选取材料的物理力 学参数并设置合理的失稳破坏法则，主要依赖仿真 工程师的计算经验，且计算结果与实际工况仍有差 距0］。现阶段，通过动态应变监测、高速摄影观测 等试验手段，在待拆除建（构）筑物上开展原位试 验，分析梁、柱、板等构件的破坏失效,以及整个结构 的失稳倒塌，仍是一个研究拆除爆破新技术的重要 的研究方法。 Lo izea u x和Osbo r n研究了四个实际建筑物的内 爆法（Impl o sio n）爆破拆除连续倒塌过程，分析了几 个结构系统的倒塌机制⑼。Sa sa n i等对一个实际的 10层钢筋混凝土结构进行了爆破拆除实验研究，认 为楼板在结构倒塌过程中形成空腹效应，抑制了结 构的解体垮塌少］。Ma t t h ews等对某两层钢筋混凝 土原型结构在爆炸作用下的反应进行了试验研究, 认为建筑框架在重新分配荷载时保持线弹性a。 贾永胜等通过典型工程案例和多刚体动力学模拟, 进行了高层楼房折叠爆破拆除关键参数研究，得出 了单项折叠和双向折叠模式各自的最佳切口布置方 收稿日期2020-10-15 作者简介刘昌邦（1982 -），男，高级工程师、工学硕士，主要从事工 程爆破研究与实践工作,（E-ma il）57175907 qq. c o mo 通讯作者贾永胜（1970 -）,男，教授、工学博士,主要从事工程爆破 研究与实践工作，（E-ma il） ja so n 03566 163. c o mo 基金项目湖北省自科基金重点项目（创新群体.2020CFA043）；湖北 省重点研发计划项目（2020BCA084） 式及起爆时差确定方法。李勇等通过对一复杂 环境下多跨不规则框架结构大楼成功实施爆破，阐 明了逐跨坍塌爆破技术的可行性「⑶。王洪刚等采 用纵向逐跨坍塌技术对武汉虹锦公寓进行了爆破拆 除，框剪结构楼房解体充分,爆堆范围较小「⑷。在 众多高层楼房爆破拆除案例中，折叠爆破、纵向逐跨 爆破等技术的应用，都有效解决了楼房倒塌空间受 限的难题少］。如今，越来越多的高层建筑周围地面 上下遍布着各类保护设施，可供建筑物爆破拆除倒 塌空间范围越发狭小,且需严格控制塌落触地振动、 个别飞散物和爆破粉尘等有害效应。 因此,进一步发展高层建筑爆破拆除倒塌模式, 创新爆破拆除系列新技术,对提高爆破拆除的安全 性、扩大爆破拆除的应用范围具有重要的理论与实 践意义。结合某7层框架楼房爆破拆除工程实践, 提出了框架结构楼房“逐跨向内倒塌”爆破拆除技 术。它是对原地坍塌和纵向逐跨坍塌方式的进一步 改进,其基本原理是通过改变立柱起爆顺序,合理控 制爆破延期时间，使得建筑中间部位先触地，两边结 构向内挤压彳顷倒，以达到减小构件塌落堆积范围、降 低触地冲击振动的效果。通过红外摄像技术对楼房 失稳倒塌过程进行动态观测,并对该楼房倒塌过程 进行了数值模拟分析，验证了“逐跨向内倒塌”爆破 拆除技术的科学性和实用性，可供类似爆破拆除工 程参考借鉴。 1工程案例 11工程简介 待拆楼房为7层框架结构，长43. 2 m,宽 14.1 m,高32. 4 m,建筑面积为6002. 96 m2o楼房 横向共3排立柱，纵向共13排立柱，内设1个电梯 井,2个楼梯间。主要立柱截面尺寸为450 mm X 600 mm,楼板为现浇板，板厚120 mm；填充墙体为 240 mm砖墙。具体结构如图］所示。 楼房东侧距10 kV电缆沟1.0 m,距下正街 36.4 m,距1层民房6. 7 m；东南侧距10 kV电缆沟 1.0 m,南侧距围墙24.6 m,距110 kV变压站41 m； 西侧距电缆沟1.0 m,距9层楼房27. 8 m；北侧距 10 kV电缆沟2.0 m,距围墙7. 9 m,距架空电线 楼房在倾倒过程中结构在空中剪切、弯 折破坏,构件逐跨依次落地,削弱楼房触地引起的冲 击、振动。综上，拟选取方案2,采用逐跨内向倾倒 爆破拆除的总体方案，既可以控制构件塌落的堆积 范围,又能控制塌落振动等有害效应。 1.2.2爆破切口 结合楼房的结构特征，爆破切口设置在1 2层、4层和6层，如图3所示。多个切口可有效戈J 分楼房整体的重力势能，减小触地冲击力。1轴和 13轴作为支撑区，仅对1层进行松动爆破。各楼层 立柱切口高度见表1。为了降低楼房整体刚度，将 电梯井的填充墙全部拆除，将1 2层楼梯全部拆 除,3层以上楼梯弱化处理，即将上下楼梯第一踏步 位置处混凝土破碎，破碎宽度不小于20 c m,但保留 楼梯钢筋。 84爆破2020年12月 表1爆破切口高度（单位m） Table 1 Hig ht of blasting cut （unit m） 轴号123 -56-89-111213 第六层-0.90.90.90.90.9- 第四层-0.90.90.90.90.9- 第二层-1.22.12. 12.11.2- 第一层0.61.22.14.52.11.20.6 1.2.3 孔网参数 待拆楼房的立柱截面尺寸均为450 mm X 600 mm,布置单排炮孔，炮孔间距30 c m,孔深 40 c m。根据现场试爆效果，炸药单耗取1.5 kg/m3, 对于配筋较高的区域，适当提高装药量。炸药装填 采用连续装药结构。见表2。 ① ②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬ 图3爆破切口示意图（单位mm） Fig. 3 Sc h ema t ic dia gr a m o Bl a st in g c u t（ u n itmm） 表2爆破参数表 Table 2 Blasting parameter 立柱尺寸/最小抵抗线w/孔径d/孔距Q排距b/孔深“单耗以单孔药量 布孔方式装药结构 mmc mmmc mc mc m（g m ） g/g 450 x 60022.54030-401500120单排布孔连续装药 1.2.4爆破网路 逐跨向内倒塌爆破拆除模式的设计核心就是要 控制立柱的起爆顺序与延期时间，起爆网路采用孔 内装MS191700 ms段非电导爆管雷管、孔外MS9 310 ms段非电导爆管雷管接力延时起爆网路。 同纵排各楼层立柱同时起爆,6、7、8轴首先起爆，依 次向两边立柱对称同步延期，立柱起爆延期时间见 表3。 表3爆破延期时间（单位ms） Table 3 Blasting delay-time （unit ms） 轴号123456-8910111213 孔外15501240930620310031062093012401550 孔内32502940263023202010170020102320263029403250 13楼房失稳倒塌过程楼房失稳倒塌过程 为实现夜间观测楼房爆破拆除失稳倒塌过程, 采用无人机搭载夜视相机，在距离起爆中心500 m 远处倾斜拍摄,摄影效果如图4所示。从组图中可 以看出，楼房在起爆后按照设计方案自中间向两侧 依次逐段倒塌。由于楼房6 8轴爆破切口高度相 对1 5轴和913轴的爆破切口更高，给中部爆堆 腾出了更大的空间，导致楼房在坍塌过程中呈现明 显的“M”形。采用无人机搭载夜视相机可实现大规 模宏观夜间拍摄，可清晰捕捉建筑失稳倒塌过程中 楼房塌落触地之前的轮廓、姿态。楼房塌落触地 后,瞬间激起浓厚而翻滚的粉尘，影响进一步观测。 待尘埃落定及天亮后再次踏勘爆破现场,开展 航拍和实测，发现楼房爆破拆除后的爆堆形态，如图 5所示。楼房的主要构件在爆破拆除后几乎都堆积 在原来的范围，仅有少量渣块外溢。爆堆整体呈现 第37卷第4期刘昌邦，贾永胜,黄小武,等 框架结构楼房逐跨向内倾倒爆破拆除85 中间低、两头高的形态，最大高度约6. 5 m。 2内塌式爆破拆除技术分析 2.1数值仿真验算数值仿真验算 采用ANSYS/LS-DYNA大型有限元程序，对该 楼房逐跨向内倒塌模式进行仿真验算,探究框架楼 房内塌式爆破拆除技术的科学性，分析楼房倒塌过 程中的力学机理。根据上述工程案例中楼房结构参 数，建立7层钢筋混凝土框架有限元模型。为了研 究楼房爆破倒塌时的宏观变形情况，钢筋混凝土结 构采用整体式建模庞］,即不将钢筋单独划分，大大 减少结构的单元数目，提高运算效率。同时,在不影 响计算精度的情况下对计算模型进行简化，适当提 高混凝土的屈服强度;其次,把承重墙的质量等效到 楼板混凝土中，不考虑楼梯间、厨房、卫生间等狭小 结构对楼房刚度的提升。 图4楼房爆破拆除失稳倒塌过程 Fig. 4 Co l l a pse pr o c ess o f bu il din g du e t o bl a st in g demo l it io n 魚俯视图 ⑹侧视图 a . To p v iew b Side v iew 图5楼房爆堆效果图 Fig. 5 Ef f ec t pic t u r e o f bl a st in g pil e 结构的梁、柱、板单元均采用SOLID164单元, 钢筋混凝土计算模型选用塑形随动硬化材料模型, 地面设置为刚体。采用8节点六面体单元对模型进 行网格划分，单元尺寸为40 c m,整个模型划分得到 的单元数为54563 ,节点数为106103 o接触形式采 用自动单面接触，自动识别楼房各部件之间以及楼 房与地面之间的碰撞接触。钢筋混凝土材料的物理 力学参数，如表4所示。 表4材料的物理力学参数 Table 4 Mechanical parameters of materials 名称密度/（kg・m“）弹性模量/GPa泊松比 抗拉强度/MPa抗压强度/MPa 梁柱板 地面 3000 40 0.20 4.0 50 2400 25 0.16 - - 使用关键字* MAT_ADD_ER0SI0N来控制材 料的失效;爆破立柱通过时间参数控制使之按照设 定的时刻依次失效。当楼房爆破切口形成后，建筑 物逐步倾倒并伴有结构破坏。结构主体部分发生断 裂或破碎的阈值，通过定义失效应变（本次计算设 置失效应变值为0.045）控制。 计算结果表明，框架楼房按照设计逐跨向内倒 塌，自立柱爆破到完全触地历时约5 s。爆堆形态与 实际工程楼房的爆堆形态相似，均在保护区域范围 以内。爆堆（如图6所示）长44.97 m、宽15.43 m、 高7.24 m,为楼房原址占地面积的1.14倍。 86爆破2020年12月 何俯视图 坊主视图 a To p v iew b Side v iew 图6楼房模拟爆堆形态及尺寸 Fig. 6 Sh a pe a n d size o f bu il din g bl a st in g pil e 2.2技术要点分析技术要点分析 从楼房倒塌过程（图刀中可以看到，当楼房中部 6、7、8轴各爆破层立柱拆除后冲部楼体的梁结构跨度 突然变大，并由负弯矩变为正弯矩，继而发生弯曲变 形、破坏。在5、9轴的立柱拆除后，可明显看到在梁节 点处出现断裂区，同时，立柱等承重结构被逐渐向中间 方向拉拽,产生一定的倾斜。随着两侧立柱按照设定 的时刻逐跨拆除后,这一变化趋势越来越明显。因此, 承重构件的受力形式发生了较大改变,由之前的受压 状态变为受剪、弯、压组合力状态。根据钢筋混凝土材 料的力学特性可知，楼房构件更易在弯、剪作用下发生 破坏,从而使X解体更加充分，便于后续清渣作业。 分别在楼房的7轴、10轴和13轴立柱顶部选 取三个节点进行位移分析,1、2、3号点分别对应 节点102966 J04139和27762，绘制X、F方向上的 位移-时间曲线，如图8所示。 IIII ■ IIII || ■111. Il II || ■ II II II II | | hi mini; I I ■ ■■ i I ii ii b f -0.31 sa s d/-L68s e f -2.52 s f 5.0s 图7楼房倒塌过程数值仿真 Fig. 7 Co l l a pse pr o c ess o f bu il din g by n u mer ic a l simu l a t io n 0.62 1.24 方向 a A-dir ec t io n b F方向 b 7-dir ec t io n 图8代表性节点的位移-时间曲线 Fig. 8 Displ a c emen t -t ime c u r v es o f r epr esen t a t iv e n o des 第37卷第4期刘昌邦，贾永胜,黄小武,等 框架结构楼房逐跨向内倾倒爆破拆除87 从图8中可以看出,1节点在X方向位移几乎为 0,在6、7、8轴立柱起爆后，开始在重力作用下垂直下 落，在2.8 s时F方向位移趋于平缓，此时该节点附近 楼体开始与下层构件接触碰撞。2节点在 0.62 S开始出现X、y方向位移，而10轴各层立柱起 爆时刻为0.93 S,说明该区域楼体提前受到中部楼体 塌落产生的拉力作用而开始破坏变形,再结合该区域 楼体倒塌过程变形分析,9-11轴区域的楼体倒塌时 受力较为复杂,由单纯的受压状态变为受剪、弯、压组 合力状态。3节点在0.62 s开始出现X方向位移，而 在1.24 s开始出现F方向位移，最终3节点X方向位 移较大，达到20 m,F方向位移小于1、2节点，说明 两侧楼体最开始受到水平拉力作用向内部倾倒;之后 倒塌在中部楼体爆堆上，充分解体。由此，从中部向 两侧可将逐跨向内倒塌过程中的框架楼房划分为“垂 直塌落受压破坏区、挤压倒塌组合力破坏区、向内倾 覆受拉破坏区”三个区域。 从能量耗散的角度来看,采用逐跨向内倒塌模 式，使两侧楼体在倒塌过程中既有纵向运动又有横 向运动，左右、上下不同方向构件间的碰撞挤压几率 明显增加,大大消耗了楼房的重力势能，不仅改善了 楼体解体破碎的程度，而且减小了楼体塌落冲击的 动能，削弱了触地振动效应。 因此，框架结构楼房逐跨向内倒塌爆破拆除的 技术要点在于,通过合理地设计爆破切口和延期时 间，主动控制楼体的运动姿态，使楼体承重构件由单 一的受压破坏转化为形式多样的拉、弯、剪破坏，确 保楼房可靠地连续倒塌,实现集中爆堆、充分解体和 削弱振动的目标。 3结论 与传统定向爆破拆除技术相比,逐跨向内倒塌 爆破拆除技术在控制倒塌姿态、促进爆堆解体和削 弱触地振动等方面更具优越性,不仅提高了爆破拆 除的安全性,而且拓宽了爆破拆除的应用范围。通 过摄影观测和数值模拟,研究了框架楼房爆破拆除 倒塌运动过程与爆堆形态，分析了逐跨向内倒塌爆 破拆除的技术要点，得到如下结论 1 框架结构楼房逐跨向内倒塌爆破拆除的关 键技术是通过合理地设计爆破切口和延期时间，主 动控制楼体的运动姿态，确保楼房可靠地连续倒塌， 实现集中爆堆、充分解体和降低振动的目标。 2 框架结构楼房逐跨向内倒塌过程中，两侧 楼体在倒塌过程中既有纵向运动又有横向运动，构 件间的碰撞挤压几率增加,承重构件由单一的受压 破坏转化为形式多样的拉、弯、剪破坏，不仅改善了 楼体解体破碎的程度，而且削弱了塌落触地振动 效应。 3无人机搭载夜视相机可实现大规模宏观夜 间拍摄，能清晰捕捉建筑失稳倒塌过程中的轮廓和 姿态;运用动力有限元数值计算方法,较好地还原了 框架结构楼房逐跨向内倒塌爆破拆除失稳倒塌运动 过程,并解释了主要建筑构件的破坏失效机理。 参考文献参考文献References [1] 乐松,赵明生，吴慧，等.茅台三栋高层住宅楼爆 破拆除设计与施工[J].爆破,2016,33381-87. 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