17层框-剪结构大楼定向爆破拆除.pdf

第3 3 卷第2 期 爆破 V o l 3 3 N o 2 2 0 1 6 年6 月B L A S T I N G J u n ．2 0 1 6 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 6 ．0 2 ．0 2 1 1 7 层框一剪结构大楼定向爆破拆除 谢先启1 ，贾永胜1 ，黄小武1 ，韩传伟1 ，姚颖康1 , 2 ，王洪刚1 ’2 1 ．武汉爆破有限公司，武汉4 3 0 0 2 3 ；2 ．河海大学土木与交通学院，南京2 1 0 0 9 8 摘要根据1 7 层框．剪结构大楼的结构特点，采取将大楼分为』4 、B 两部分延时1 ．2s 起爆，“向北定向倒 塌”的总体爆破方案。依据现场试爆效果，炸药单耗定为1 ．8k g ／m 3 ，选用孔内3 4 0 0m s 、孔外4 0 0m s 高精度 导爆管雷管接力传爆。结合现场踏勘情况和影像资料全面分析了大楼A 区和B 区的倒塌效果。结果表明 采用“分区分段”爆破拆除框剪结构大楼时，需要综合考虑各区之间的相互关系，以及剪力墙结构对倒塌效 果的影响；为改善倒塌效果，应适当加强对剪力墙的预处理。此外，运用I S D Y N A 动力学有限元软件，验证 了爆破总体方案中切口高度和延期时间的合理性，计算得到大楼的爆破倒塌过程和堆积形态，与实际效果比 较吻合。采用覆盖防护、近体防护、保护性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。 关键词框剪结构；爆破拆除；数值模拟；倒塌效果 中图分类号T U 7 4 6 ．5文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 6 0 2 0 1 0 7 0 6 D i r e c t i o n a lE x p l o s i v eD e m o l i t i o no f1 7 l a y e r F r a m e - s h e a rS t r u c t u r eB u i l d i n g X I E X i a n ．q i l ，J I AY o n g ．s h e n 9 1 ，H U A N GX i a o ．W t t l ，H A NC h u a n ．w e i l ，Y A OY i n g ．k a n g ‘，2 ，W A N GH o n g g a n 9 1 2 1 ．W u h a nB l a s t i n gE n g i n e e r i n gC oL t d ，W u h a n4 3 0 0 2 3 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fC i v i lA n dT r a n s p o r t a t i o nE n g i n e e r i n g ，H o h a iU n i v e r s i t y ，N a n j i n g2 1 0 0 9 8 ，C h i n a A b s t r a c t T h e1 7 一l a y e rf r a m e ．s h e a rs t r u c t u r ew a sd i v i d e di n t oa r e aAa n da r e aBa c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ec h a r a c t e r s ．T h ed e l a y e dt i m eo ft w oa r e a si s1 ．2Sa n dt h ec o l l a p s ed i r e c t i o ni sn o r t h w a r d ．T h eb a l s t i n gp a r a m e t e r sa r e g i v e n ，a ss p e c i f i cc h a r g e1 ．8k g ／m 3 ，t h ed e l a y e dt i m ei nt h eh o l ew i t h3 4 0 0 m sa n do u t s i d et h eh o l e w i t h4 0 0m sb y u s i n gh i g l lp r e c i s i o nN o n e ld e t o n a t o r ．C o l l a p s ee f f e c to fa r e aAa n da r e aBa r ea n a l y z e do nt h eb a s i so fa c t u a lb l a s t i n g e f f e c ta n di m a g ed a t a ．T h er e s u l t ss h o wt h a tb yu s i n g ”s u b a r e a s u b s e c t i o n ”d e m o l i t i o nb l a s t i n gm e t h o d ．t h ec o r r e l a - t i o no fd i f f e r e n ta r e aa n de x i s t e n c eo fs h e a rw a l l ss h o u l db ec o n s i d e r e d ．I no r d e rt oi m p r o v et h ec o l l a p s ee f f e c t ，m o r e s h e a rw a l l ss h o u l db ep r e t r e a t e d ．F u r t h e r m o r e ，t h ec o l l a p s ep r o c e s sa n df o r mo fb l a s t i n gm u c kp i l ef r o mc a l c u l a t i o n a r ec o r r e s p o n dw i t ht h ea c t u a le f f e c ta n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g np r o j e c ti sv e r i f i e db yu s i n gL S D Y N A ．A d v e r s e e f f e c t s o fb l a s t i n ga r ec o n t r o l l e de f f e c t i v e l yb yu s i n gc o v e r e dp r o t e c t i o nn e a r b y ．p r o t e c t i v ep r o t e c t i o nm e a s u r e sa n d c o m p r e h e n s i v ed u s tf a l lm e t h o d ． K e yw o r d s f r a m e s h e a rs t r u c t u r e ；e x p l o s i v ed e m o l i t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c o l l a p s ee f f e c t 收稿日期2 0 1 6 0 I 一1 2 作者简介谢先启 1 9 6 0 一 ，男，湖北洪湖市人，教授级高级工程师、 博士生导师，主要从事工程爆破理论研究与工程实践工 作， E m a i l x x q b l a s t 1 6 3 ．c o r n 。 1 工程概况 1 ．1 周边环境 湖北云鹤大厦为1 栋1 7 层框剪结构楼房，总建 筑面积约1 71 0 0m 2 。大楼位于武汉市江岸区解放 万方数据 爆破2 0 1 6 年6 月 大道2 6 1 3 号，解放大道与百步亭花园路交汇处。大 楼东侧紧邻解放大道，距架空电线1 9 ．7m ，距车行 道边线2 5m ，距轨道交通1 号线3 5m ，距解放大道 东侧居民楼7 2m 。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，如图1 所示。 图1 周边环境图 F i g ．1 S k e t c ho fs u r r o u n d i n g s ④ 1 ．2 大楼结构 大楼平面结构为反z 字形，如图2 所示。主楼 长4 9 ．3m ，宽3 3 ．9m ，高5 9 ．1m ，共设3 个楼梯，建 筑面积约为l l0 0 0m 2 。大楼剪力墙较多，整体刚度 较大，外墙采用2 4 0m r l l 厚砖砌体填充，内隔墙采用 11 5m m 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1 5 层～1 7 层，B 区楼层高度 为1 1 层，两部分之间设有沉降缝，缝宽1 0 0m m 。立 柱尺寸主要有6 0 0m m 1 0 0 0m m 、8 0 0m m 8 0 0m m 、7 0 0m l T I 7 0 0m m 、6 0 0m m 7 0 0m m 和 4 0 0m m 8 0 0m m ，梁的尺寸为5 0 0m m 2 5 0m m ，剪 力墙厚度为2 5 0m m ，楼板厚度为1 0 0m m 。 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。 ⑤⑥⑦③⑨⑩ ⑥ ⑤⑥⑦③⑨⑩ 图2 框剪结构楼房平面图 F i g ．2 F r a m e s h e a rs t r u c t u r ep l a n 2 ．1 爆破切口 依据初弯曲压杆失稳模型计算公式‘2 3 P r 2 若蕊 式中△n 止掣，d 为立柱钢筋直径； [ o r ] 为钢筋屈服强度；口为压杆初挠度；P 。，为l 临界载 荷；疗为立柱破坏高度；E I 为钢筋的抗弯刚度；弘为 杆端系数。本工程中，代表性立柱钢筋直径d 2 5m m ，钢材的弹性模量取E 2 0 0G P a ，屈服强度取 [ o r ] 2 0 0M P a 。爆破后，钢筋发生弯曲，跨中挠度 口分别取0c m 、1c m 、5c m 、1 0c m 。钢筋上下两端均 为固接，肛 0 ．5 。经计算，典型立柱的单根钢筋所受 荷载分别为4 2 0k N 、2 6 0k N 、3 8 0k N ，远大于立柱钢 筋失稳I 临界荷载计算值。结合类似工程经验”拍J ， 立柱破坏高度取0 ．5 ～2 ．1m 。见图3 。 万方数据 第3 3 卷第2 期谢先启，贾永胜，黄小武，等1 7 层框．剪结构大楼定向爆破拆除 f _ 七层j ’ 倾倒方向 十六屡 十五层 十四层 十 层 圆 } 二层 十一层 十层 J L 层 八层 七层 六壁 五层Z 四层Z 萨 2 层 二层 M 功黝 一层 弦黝 0 0 0 1 a A 区 a A r e a A b B 区 b A r e a B 图3 爆破切口示意图 F i g ．3 S k e t c ho fb l a s t i n gc u t 2 ．2 孔网参数 4 0 0m l n 8 0 0m m 截面立柱布置单排炮孑L ，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3 0c m ，排距为 2 0c m 。根据现场试爆效果，炸药单耗取1 ．8k g ／m 3 ， 对于配筋较高的区域，适当提高装药量。装填炸药 时，立柱的单排炮孑L 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1 1 段 3 4 0 0m s ，孑L 外用3 段 4 0 0m s 接力传爆，曰区延迟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m s T a b l e1 B l a s t i n gd e l a yt i m eo fc o l u n n t s u n i t I l l s 注表中孑L 内时间表示孑L 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 1 F ～3 F 楼梯，采用人工和机械相结合的方 万方数据 爆破2 0 1 6 年6 月 式全部拆除，3 F ～6 F 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L S ．D Y N A 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S O L I D l 6 4 单元， 选用塑形随动硬化材料‘8 。；钢筋单元采用B E A M l 6 1 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2 0c m ，整个模型 单元数为2 7 6 5 1 0 ，节点数为4 0 9 0 4 0 。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 T a b l e2M e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fm a t e r i a l s 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1 0S ，爆堆长8 5I l l ， 宽4 8m ，最大高度为1 4 ．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，而日区的解体 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4 、冈5 。 e t 5 ．9S 图4 大楼倒塌触地过程 F i g ．4C o l l a p s ep r o c e s so ft h eb u i l d i n g 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’9J 。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。 万方数据 第3 3 卷第2 期谢先启，贾永胜，黄小武，等1 7 层框一剪结构大楼定向爆破拆除 1 1 1 5 爆破效果及结论 a 俯视图 a P l a n f o r m b 侧视图 b s i d ev i e w 图5 爆堆形态及尺寸 F i g ．5 F o r ma n ds i z eo fb l a s t i n gm u c kp i l e 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， ⑦～⑩号轴之间的结构解体非常充分，⑩～⑩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 1 4 ．0m ，宽度为5 2 ．2m ，长度为7 8 ．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 a 整体效果 a O v e r a l le f f e c t 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。⑦～⑩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⑦～⑩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，曰区C ～D 号轴和E ～日号 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，最终导致日区楼体解体不充分。见图6 。 b A 区 b A r e a A 图6 大楼爆破拆除倒塌效果图 F i g ．6C o l l a p s ee f f e c t o fd e m o l i t i o nb l a s t i n g 通过爆破振动监测，得到临近的轨道交通1 号 线桥墩根部的振动速度峰值为1 ．8 5c m ／s ，主频为 2 ．2H z ；东侧居民楼振动速度峰值为1 ．4c m ／s ，主频 为1 ．8H z ；振动速度峰值均在爆破安全规程 G B 6 7 2 2 - - 2 0 1 4 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1 号线正常运 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1 7 层框．剪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 C 1 B 区 C A r e a B 效果，为提高框一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L S - D Y N A 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。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 谢先启．精细爆破[ M ] ．武汉华中科技大学出版社， 2 0 1 0 ． [ 2 ]孙金山，谢先启，王坤鹏，等．建构筑物墩柱爆破后裸 万方数据 11 2爆破2 0 1 6 年6 月 上接第9 6 页 [ 6 ] X I AJ 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