异型截面楼房定向爆破的关键技术和应用.pdf

第3 4 卷第1 期 2 0 1 7 年3 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．3 4N o ．1 M a r ．2 0 1 7 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 7 ．0 1 ．0 2 1 异型截面楼房定向爆破的关键技术和应用 张建平1 ，费鸿禄2 ，曲广建3 ，张j E 龙3 ，易克4 1 ．内蒙古宏大爆破工程有限责任公司，包头0 1 4 0 3 0 ；2 ．辽宁工程技术大学爆破技术研究院，阜新1 2 3 0 0 0 ； 3 ．广东中人企业 集团 有限公司，广州5 1 0 5 1 5 ；4 ．河南现代爆破技术公司，郑州4 5 0 0 0 8 摘要为解决高宽比小、截面惯性矩大的异型截面楼房定向爆破的技术难题，根据楼房倾倒瞬间的受力 分析，提出了支撑区宽度和定向切口高度的确定方法，认为定向大切口和使楼房定向倾倒转动铰前移的宽支 撑区是满足楼房倾覆力矩和足够支撑力的关键技术。并介绍了在一栋双Y 型截面的1 4 层框架- 剪力墙楼房 的爆破实施案例，应用分割和整体定向爆破方法把该楼房分割为一栋矩形截面、两栋V 型截面楼房，实现了 在同一工程中，矩形截面楼房和相同结构的两栋V 型截面楼房向结构相反方向定向爆破的技术参数和爆破 效果的相互对比。结果表明宽支撑区可有效防止楼房后坐，相对增大了楼房的高宽比以及定向切口角度。 关键词拆除爆破；定向爆破；异型截面楼房；定向大切口；宽支撑区 中图分类号T U 7 4 5 ．6文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 7 0 l 一0 1 1 7 0 7 K e yT e c h n i q u ea n dA p p l i c a t i o no fD i r e c t i o n a l B l a s t i n go fS p e c i a l - s h a p e dB u i l d i n g Z H A N G J i a n - p i n 9 1 ，F E IH o n g l u 2 ，Q uG u a n g - j i a n 3 ，Z H A N GB e i l o n 9 3 ，Y IK e 4 1 ．I n n e rM o n g o l i aH o n g d aB l a s t i n gE n g i n e e r i n gC oL t d ，B a o t o u0 1 4 0 3 0 ，C h i n a ； 2 ．I n s t i t u t eo fE n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，L i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，F u x i n12 3 0 0 0 ，C h i n a ； 3 ．G u a n g d o n gZ h o n g r e nG r o u pC o n s t r u c t i o nC oL t d ，G u a n g z h o u5 1 0 51 5 ，C h i n a ； 4 ．H e n a nP r o v i n c eM o d e r nB l a s t i n gT e c h n o l o g yC oL t d ，Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt os o l v et h ed i f f i c u l tt e c h n i q u eo fd i r e c t i o n a ld e m o l i t i o nb l a s t i n gi nt h es p e c i a l s h a p e db u i l d - i n gw i t hs m a l lh e i g h t - w i d t hr a t i oa n db i gm o m e n ti n e r t i a ，t h ec a l c u l a t e dm e t h o d so fs u p p o r t i n gz o n ew i d t ha n di n c i s i o nh e i g h tw e r ep r o p o s e da c c o r d i n gt ot h eb u i l d i n g st o p p l i n gm o m e n tf o r c e ，a n dt h ek e yt e c h n o l o g yo fd i r e c t i o n a l l a r g ei n c i s i o na n dt h ew i d es u p p o r tz o n ei nd i r e c t i o n a lc o l l a p s ew a sc o n s i d e r e dt om e e tt h eb u i l d i n go v e r t u r n i n gm o m e n ta n de n o u g hs u p p o r t i n gf o r c e ．Ab l a s t i n gp r a c t i c eo fa1 4s t o r yf r a m e s h e a rw a l lb u i l d i n gw i t had o u b l eYs e c t i o n w a si n t r o d u c e d ．B a s e do nt h ed i r e c t i o n a lb l a s t i n gm e t h o d s ，t h ew h o l eb u i l d i n gW a sd i v i d e di n t oar e c t a n g u l a rs e c t i o n a n dt w oV s h a p e ds e c t i o nb u i l d i n g s ，b yw h i c ht h em u t u a lc o n t r a s t so fb l a s t i n gp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d ，a sar e c t a n g u l a rs e c t i o na n dt w os a m eV s h a p e ds e c t i o nb u i l d i n g st o p p l i n gt o w a r d so p p o s i t ed i r e c t i o n ．T h eb l a s t i n gr e s u l t ss h o w t h a tt h ew i d es u p p o r tz o n ec o u l da v o i dt h eb u i l d i n gb a c kl a s h ，a n df u r t h e re n h a n c et h eh e i g h t w i d t hr a t i oa n di n c i s i o n a n g l er e l a t i v e l y ． K e yw o r d s e x p l o s i v ed e m o l i t i o n ；d i r e c t i o n a lb l a s t i n g ；V - c r o s s s e c t i o n a lb u i l d i n g ；h i g hd i r e c t i o n a lc u t ；w i d t h s u p p o r ta r e a 收稿日期2 0 1 6 1 1 0 3 作者简介张建平 1 9 6 0 一 ，男，高级工程师、工学博士，内蒙古宏大 爆破工程有限责任公司董事长，主要从事拆除和土岩爆破 工程技术设计和研究， E m a i l z h a n g j i a n p i n 9 6 0 h o t m a i l ． C O I I I o 随着我国城市化规模的日益扩大，在城市建设 和改造工程中经常会遇到一些高度大、强度高的钢 筋混凝土结构楼房的拆除。一般在安全和环境允许 万方数据 1 1 8爆破2 0 1 7 年3 月 的条件下，首选的拆除方案是安全、快速、环保、经济 和施工工序简单的定向爆破拆除方法。对于大多数 矩形截面楼房，一般设计倾倒方向与楼房截面的几 何对称短轴一致，高宽比大，爆破效果容易控 制。2o ，而对于L 型、V 型、Y 型、U 型、折线型和十字 型等异型截面楼房，由于高宽比小、截面惯性矩大， 整体定向爆破的技术难度较大，有关文献[ 3 ，4 ] 对 此进行了初步的探讨。 1 异型截面楼房的定向爆破方案 1 ．1 分割单元楼方法 采取人工或机械预处理方法把高宽比小、惯性 矩大的整栋楼房分割形成几个单元楼，并利用延时 起爆技术和调整各单元楼的切口位置和高度技术使 单元楼按一定的起爆顺序相继定向倾倒解体。分割 后的单元楼房由于其高宽比增大，截面惯性矩减小， 楼房的倾倒速度加快，触地冲击能量大，楼房解体效 果好，但辅助工作和费用相应增大，高空切割作业安 全性差。 1 ．2 整体定向爆破方法 基于楼房定向爆破倾倒力学原理，采取大切口、 大悬臂梁、宽支撑的爆破设计方法，实现楼房的整体 定向倾倒解体。与分割单元法相比，避免了人员高 空作业，作业简单化，施工效率高，但是切口工作量 及爆破材料用量相对增加一些。 2 定向爆破关键技术 2 ．1 支撑区宽度 定向爆破的支撑区作用是为了满足楼房倾倒瞬 间有足够的支撑力和产生使抗拉钢筋屈服破坏所需 的倾覆力矩。矩形截面楼房的定向爆破一般选择支 撑点和楼房倾倒的转动铰为最后一排线性支撑柱或 墙。而对于高宽比小，惯性矩大的异型截面楼房，较 窄的支撑区虽然支撑力足够，但楼房定向切口过早 闭合后，楼房重心的前冲速度不足以使楼房继续前 行产生翻滚倒塌，同时楼房重心偏移产生的水平剪 切力很可能使支撑点破坏，楼房容易出现后坐而不 倒。可见，合理的异型截面楼房的支撑点应该是一 个有一定宽度和形状的区域。在满足楼房倾覆力矩 条件下，尽量加宽支撑区可使楼房倾倒的转动铰和 支撑区弯曲受力中性轴前移，相对加大了楼房倾倒 的实际高宽比和倾覆力矩MJ ，确保楼房整体定向爆 破倾倒。支撑区的宽度一般根据支撑区的柱和墙的 结构初定后，再经楼房倾倒条件校核后确定。 2 ．2 定向切口参数确定 线性支撑点的矩形截面楼房的切口长度是楼房 倾倒一侧底边宽度减去支撑柱宽度的余数；而异型 截面楼房切口长度是楼房倾倒一侧的实际底边宽度 减去支撑区宽度的余数。 对于高度大，整体性好的钢筋混凝土结构楼房 的定向爆破，可看作是刚性结构的整体倒塌，其定向 爆破倾倒遵循重心偏移失稳原理，最小定向切口高 度可按文献[ 6 ] 给出的下式计算 h ≥下／- ／of1 一／1 2 f 旦12 ] 1 z 。 √ 、H o ，1 式中n o 为楼房重心高度，m ；D 为楼房倾倒一 侧的底宽度，m 。 对于线性支撑点的楼房，倾倒瞬间的转动铰位 于最后一排柱中心线，D 可近似取楼房倾倒一侧的 底宽度；对于异型截面楼房，实际的转动铰已前移至 宽支撑区的中心，D 应该取实际楼房倾倒一侧的底 边宽度减去支撑区宽度仇的一半，即定向切口最 外侧柱或墙至转动铰的水平距离。 2 ．3 楼房定向倾倒的条件校核 使支撑区内的全部抗拉钢筋屈服破坏的倾覆力 矩和足够承载力的支撑区是保证楼房定向倾倒的必 要和充分条件。 2 ．3 ．1 倾覆力矩产生的钢筋拉伸应力 当爆破定向切口形成瞬间，切口以上的楼房相 当于大悬臂梁弯曲破坏，根据等效力学原理，楼房倾 倒作用在支撑区的偏心力可以等效于作用在支撑区 的楼房轴向压力G 和弯曲M 的共同作用 见图1 。 支撑区的中性轴内侧柱和墙受压，外侧柱和墙体受 拉，如果忽略受拉柱和墙的混凝土抗拉强度，则由柱 和墙内的竖向钢筋承担全部楼房倾倒瞬间的拉伸应 力。假设支撑区中性轴为楼房倾倒转动铰r7 I ，对该 点取力矩，整理后得到楼房外侧受拉区钢筋实际轴 向拉应力计算式 8 G ，D．、，，、、 o - T 2 藤【瓦。1 J ㈡， 式中D 。为支撑区宽度，m ；K ，为钢筋的动载抗 拉强度特征系数，取1 ．2 ；n i 、D i 为对应的不同规格 的竖向受拉钢筋根数和直径，根、m ；[ 盯，] 为钢筋的 极限抗拉强度，I 级钢筋2 8 ．0M P a ；G 为定向切口以 上楼房自重，M P a 。 楼房在其重心偏移的倾覆力矩作用下能否顺利 倒塌，取决于支撑区外侧抗拉钢筋能否发生屈服破 坏‘6 。，即 盯r ≥局r [ o - r ] 3 万方数据 第3 4 卷第1 期张建平，费鸿禄，曲广建．等异型截面楼房定向爆破的关键技术和应用 1 1 9 Z G 以． 卜．_ f _ 叫 Z 图1支撑区等效受力不意图 F i g ．1 S c h e m a t i co fe q u i v a l e n ts t r e s so ns u p p o s e da r e a 2 ．3 ．2 支撑区的承载力 楼房倾倒瞬间，自重对支撑点的作用会产生一 个垂直方向的压力和一个对支撑的剪切破坏的水平 推力。对于宽支撑的异型截面楼房，一般在水平推 力作用下不易破坏，而垂直压力实际小于整个楼房 重量，但在估算支撑区的最大承载力时，可假设切口 以上楼房重量全部垂直作用在支撑区受压区的柱和 墙上。保证楼房设计倾倒落差的宽支撑区不被压垮 的条件是受压区的混凝土柱和墙实际承受的压应力 盯，应小于其动载强度特征系数与极限抗压强度的 乘积，即 ， o r P ≤K ，[ 盯P ] 4 乞A z 式中[ 盯，] 为受压区钢筋混凝土极限抗压强 度，C 3 0 取3 0M P a ；4 。为受压区柱和墙的水平截面 积，m 2 ；砗为钢筋混凝土的动载抗压强度特征系数， 取1 ．2 。 2 ．4 对称合理的预处理技术 在安全作业和减少工作量的前提下，对影响或 阻碍设计倾倒方向的定向切口内的电梯间、平行于 倾倒方向的墙在楼房倾倒瞬间沿墙的长度方向的抗 弯强度大，必须提前预处理或布置炮孔炸毁旧o 。而 与楼房倾倒方向垂直的墙体沿其厚度方向抗弯强度 小，当楼房倾倒重心偏移，墙会很容易发生弯曲破 坏，一般不需要预处理。预处理必须要对称于楼房 倾倒方向，并把握预处理的程度。 2 ．5 支撑区抗拉强度的弱化 钢筋混凝土柱的抗拉强度主要靠柱内竖筋承 担，爆破前从定向切口底面水平只割断位于支撑区 最外侧的个别柱或墙的竖向钢筋，使其抗拉强度丧 失而只有承压的能力，可使楼房倾倒瞬间的支撑区 的抗拉区宽度缩小，受拉钢筋强度减少，支撑区弯曲 受力中性轴和倾倒转动铰向楼房倾倒一侧前移，加 快了楼房倾覆力矩和倾倒速度。 2 ．6 切口加强装药和联合防护技术 为了有效提高楼房倾覆力矩和倾倒速度，适当 增大定向切口内装药柱和墙的炸药单耗。定向切口 的装药量分配采取“中间正常、上减下增”的加强装 药技术措施，炸药能量足以使切口内的柱和墙的混 凝土彻底粉碎飞出钢筋笼，钢筋产生大变形或断裂， 切口原有承载力瞬间消失，同时采取相应的近体和 远体联合防护技术保证安全。 3 工程应用 3 ．1 工程简介 拆除的楼房是原包头市金融大厦，位于包头市昆 区中心地带，周围环境复杂，楼房西侧2 5 ．0m 是阿尔丁 广场；北侧距钢铁大街2 8 ．0m ，对面1 9 0 ．0m 是市政 府、市委办公楼；东侧与相邻建筑物的距离3 5 ．0m ；南 侧距高层公寓2 0 0 ．0m 。楼房的横截面为双“Y ”型，最 大长度6 8 ．6m ，最大宽度4 3 ．0m 。楼房为1 4 层框架一 剪力墙结构，地面一层层高3 ．5m ，2 ～1 3 层高度3 ．1m ， 地下一层为钢筋混凝土结构的金融库房，层高5 ．0m 。 沿楼房建筑横截面有三排承重柱 5 0 0m i l l 5 0 0l l l I n ， 竖筋直径咖3 2I l l r n ，每柱2 0 根；剪力墙厚度2 5 0I l l i n ，双 排配筋，竖筋间距1 2 0B i n ，直径西1 4I n n 。大楼地面以 上中间高度4 0 ．0m ，两翼高度4 4 ．0m ，建筑面积 9 0 3 - 1 、二周围环境见图2 所示 市政府 市i枣 钢铁大街 器 ● 广 ／ 场 选。倾倒方向 ‘ I ．．．．．．．一 东 罱i 层公寓楼l 2的周围环境示意图单位n1 Fi2 D i a r a mo f h es u r o u n d i n g so fh e d i n gf o rb l a t i n g u n i t m 万方数据 爆破2 0 1 7 年3 月 3 ．2 爆破技术难点及方案选择 由于楼房周围环境复杂，异型截面的惯性矩大， 稳定性好，高宽比只有1 ．1 ，很难实现楼房整体定向 爆破倾倒，综合考虑采取了分割单元楼的定向爆破 拆除方法。分割后的中间矩形截面楼房向南倾倒； 而东、西翼为相同结构的V 型截面楼房，其中西楼 向V 型截面顶角方向的东侧倾倒在中楼的渣堆上， 东楼向V 型截面开口方向的东侧倾倒，见图2 。 3 ．3 定向爆破关键技术 3 ．3 ．1 支撑区形状和宽度 按照楼房设计倾倒方向，中楼的支撑区为最后 一排近似线性柱；西楼的宽支撑区的横截面为对称 三角形，位于V 型截面开口角；东楼宽支撑区的横 截面为梯形，位于V 型截面的顶角。支撑区形状和 宽度见图3 。 西楼中楼 笆坚 ．1 东楼 图3 分割的三栎楼房的爆破定向切口 单位I U F i g ．3 C r o s s - s e c t i o n e do ft h eb u i l d i n g ＆t h es u p p o s i n ga r e ao ft h r e ed i v i d e db u i l d i n g s u n i t m 3 ．3 ．2 定向切口参数 中楼按照低切口的原则从一层地面向上布置， 西楼按照切口高出中楼的原则从二层开始向上布 置，东楼切口从一层地面向上布置，侧梯形定向切口 形状见图4 。根据公式 1 计算的和实际确定的定 向切口参数见表1 。 图4 楼房整体截面和分割的三栋楼的支撑区示意图 单位m F i g ．4 T h ed i r e c t i o n a lc u t so ft h r e ed i v i d e db u i l d i n gf o rb l a s t i n g u n i t m 一引莲 万方数据 第3 4 卷第1 期张建平，费鸿禄，曲广建，等异型截面楼房定向爆破的关键技术和应用 1 2 1 表1 爆破定向切口参数 T a b l e1T h ep a r a m e t e r so fd i r e c t i o n a lc u t s 注实际切口高度根据式 1 计算出最小值，再考虑楼房重心偏移情况和施工方便确定的。 3 ．4 楼房定向倾倒条件校核 根据式 2 计算的支撑区的抗拉钢筋的实际拉 伸应力 见表2 大于其动载极限抗拉强度使抗拉钢 筋全部屈服破坏，满足楼房足够的倾覆力矩条件。 根据式 3 计算的支撑区的抗压区内的柱和墙实际 压应力 见表2 小于其动载极限抗压强度，支撑区 不会被压垮，满足楼房倾倒足够承载力的条件。从 表2 数据可见，楼房倾倒瞬间的抗拉钢筋应力都超 过了其动载极限抗拉强度几十倍，说明倾覆力矩足 以使抗拉钢筋迅速拉断，楼房倾倒。而支撑区的动 载极限承载力仅比其实际压应力大了两倍左右，说 明适当加宽支撑区是满足楼房，特别是高宽f t ／J , 的 楼房在倾倒瞬间具有足够支撑力的关键技术。 表2 支撑区的抗拉钢筋屈服破坏强度和承载力 T a b l e2T h es t e e lb a r ’ss t r e t c h e ds t r e n g t h s u p p o r t e df o r c ef r o ms u p p o r t i n ga r e a 注假设楼房倾倒瞬间的支撑区弯曲受力中性轴在宽度中分线。钢筋的动载极限抗拉强度3 3 ．6M P a ；砼的动载极限抗压强度 3 6 ．0M P a 。 3 ．5 预处理技术 3 ．5 ．1 抗拉钢筋强度弱化处理 爆破前把西楼对称于倾倒方向两侧最外一根柱 子竖筋割断可使支撑区宽度缩小2 ．1m ；把东楼支 撑区最外侧电梯墙竖筋全部割断使支撑区宽度小了 2 ．8m ，中间单元楼支撑排柱外侧竖筋割断，使楼房 实际倾倒转动铰或受力中性轴位置前移，有利于楼 房倾倒和解体。 3 ．5 ．2 定向切口内的墙预处理 提前拆除与设计倾倒方向一致的切口内的墙， 预处理对称于倾倒方向进行，使楼房切口保持对称 平衡，倾倒方向准确。 3 ．6 切口加强装药和联合防护技术 楼房设计的爆破定向切口范围内的墙提前采取 机械切割破碎一J ，只在切口范围内的柱和梁柱结点 布置炮孔。柱在中心线上布置单排炮孔⋯，孔距 o 4 0 0m m ，最小抵抗线形 2 5 0m m ，孔深度 3 6 0m m 。平均炸药单耗2 0 0 0k g ／m 3 ，实际采取了一 层柱每孔2 5 0g ，二层每孔2 0 0g ，三层1 5 0g 的加强 装药技术措施。每个梁柱结点的4 个炮孔，分别布 置在靠近梁柱结点的十字梁 3 0 0m mx4 0 0m m 内，最小抵抗线形 1 5 0m m ，孔深度3 0 0m m 。炸药 单耗取2 6 0 0k g ／m 3 ，每孔装药量1 0 0g 。定向切口实 际布置炮孔1 6 8 0 个，总装药量3 3 2k g ，毫秒延时导 爆管雷管1 9 0 0 发。工程中采取了相应的近体和远 体联合防护技术保证了工程的安全实施。 3 ．7 爆破效果分析 分割后的三栋楼设计为中楼先响，2 5m s 后东 楼响，0 ．5S 后西楼响。起爆后中楼先向南倾倒速度 很快，大部分梁柱倾倒折断，触地解体充分为西楼提 供了倾倒空间；接着东楼向东倾倒；最后西翼楼向东 叠落在中楼的渣堆上。对比相同V 型截面的东、西 楼的爆破过程和解体破碎效果，可以看出向V 型截 面顶角倾倒的西楼的倾倒速度和解体效果好于向V 型截面开口方向倾倒的东楼。原因有两个方面一 是分割后的东、西楼的电梯间、步梯及卫生间等设施 都布置在V 型顶角位置，楼房重心偏向V 型截面顶 角一侧有利于西楼的倾倒。二是由V 型截面几何 结构形状决定的，西楼是V 型截面的顶角最先触 地，而V 型的两翼在空中较长的倒塌过程中产生 万方数据 爆破2 0 1 7 年3 月 “悬臂梁”弯曲破坏的同时触地解体，而东楼是V 型 截面开口两角最先触地，其空中倒塌时间相对缩短， a 分割的三栋楼 a T h r e ed i v i d e db u i l d i n g s c 中楼向南、东楼向东倾倒 c T h em i d d l et o p p l i n gt os o u t ha n dt h ee a s tt oe a s t e 东楼触地、西楼倾倒 e T h ee a s tt o u c h e de a r t ha n dt h ew e s tt o p p l i n g 使V 型顶角部分过早减速后靠其自重挤压整体落 到地面。楼房倾倒过程及爆破效果见图5 。 b 爆破前 b B e f o r eb l a s t i n g d 中楼触地、西楼起爆 d T h em i d d l et o u c h e de a r t ha n dt h ew e s ti g n i t e d n 爆破解体效果 f D u m p e d r e s u h so ft h ed i v i d e db u i l d i n g s 图5 楼房定向爆破倾倒过程照片 F i g ．5 T h ep h o t o g r a p h so fb u i l d i n g sc o l l a p s ep r o c e s s i n g 4 结论 1 为实现高宽比小、截面惯性矩大的异型截 面楼房的定向爆破，根据楼房倾倒瞬问的受力分析 提出了大切口、宽支撑区的合理爆破参数。 2 在同一个工程中，同时实现了矩形截面楼 房和相同结构的两栋V 型截面楼房向结构相反方 向定向爆破技术参数和爆破效果的对比。结果证明 了定向大切口和使楼房转动铰前移的宽支撑区是满 足楼房倾覆力矩和足够支撑力的关键技术参数。 3 该工程是异型截面楼房分割单元楼方法和 整体大切口、大悬臂、宽支撑定向爆破方法同时共用 的的典范，其技术和参数确定方法可供同类工程 借鉴。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 彭建华，陈寿如，江为巍．框架楼房定向倾倒爆破切I 1 高度的探讨[ J ] ．工程爆破，2 0 0 5 ，1 1 2 1 - 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