高强度钢筋混凝土结构楼房拆除爆破及数值模拟

2020-08-26叶家明李洪伟王洪森

安徽理工大学学报（自然科学版） 2020年2期

刘伟，叶家明，胡彬，李洪伟，王洪森

(1安徽理工大学化学工程学院，安徽淮南 232001；2 安徽省爆破器材与技术工程实验室，安徽淮南 232001；3 天津致远爆破工程有限公司,天津 300000 )

拆除爆破广泛应用于城市建筑的拆除[1]，其中爆破方案的制定和参数设计是关系到爆破成败的重要环节。在方案设计中仅通过类比相关工程以及经验来设计是存在较高风险的，只有针对不同的工程进行深入分析才能顺利爆破[2-4]。目前，计算机模拟技术已经成为拆除爆破方案设计和分析的重要手段，国内许多学者都开展了大量研究，通过数值模拟对实际爆破过程进行再现和分析[5-10]。国外学者也大量研究了爆破拆除的相关工作[11-13]。

针对西校区教学楼爆破拆除工程结构特殊，环境复杂的特点，本文对方案进行精细化设计，用数值计算方法对爆破方案效果进行模拟，优化参数，为爆破方案的设计提供重要依据。

1 工程概况

1.1 周围环境

该待拆教学楼位于洞山中路以南、金家岭路以北、老龙眼路以东、一号巷以西；北面与洞山中路距离98m，与西侧正在拆除建筑物距离26m，与南侧校内人行道距离70m，南侧是大片空地，环境良好，与东侧待拆图书馆距离16m，与东北方向在建建筑物距离38m，具体环境如图1所示。

图1 爆破环境

1.2 建筑物结构

待拆除的教学楼长56m、高48m、宽17m，主体为12层框架结构(部分13层)，建筑面积12 000m2。教学楼纵向有10排立柱，跨度5.5m，横向有4排立柱，跨度4.7m，单层平面共40根框架柱。框架柱共有2种类型，A/D柱截面尺寸为600mm×650mm，B/C柱截面尺寸为700m×700mm，待拆除教学楼立柱布置如图2所示。

图2 待拆除教学楼立柱布置

2 爆破方案

2.1 工程特点及难点

待拆除教学楼为框架结构，结构主体高度48m，一共12层。该建筑立柱截面尺寸大，高宽比2.82，整体性较强。待拆除教学楼地处城市区域，周围居民和建筑物较多，环境较为复杂，需要精确设计倒塌方向。在这种环境下爆破施工，特别需要采取严格的技术措施来控制爆破振动、个别飞散物、空气冲击波、爆破噪声和粉尘等爆破危害。

2.2 总体方案

根据待拆除教学楼自身的结构特点及所处的环境，该教学楼总高48m、长56m、宽17m，南侧有70m可供倒塌场地，决定采用整体向南定向爆破倾倒方案。在教学楼的底部1～5层爆破形成三角形缺口，使其在自身重力作用下向南倾倒。

爆破切口设计在1～5层，由南向北顺序延时爆破，在2、3、4、5层与倾倒方向平行的主梁和次梁在梁的中部布2～3孔，与相邻立柱装药同时爆破。为了快速形成爆破切口，加快建筑物向倒塌方向倾斜的速度，间隔时间使用毫秒延时和半秒延时导爆管雷管，采用孔内延时，多重闭合非电导爆管连接网路。

2.3 预处理

在保证大楼结构绝对稳定的前提下，为了获得比较理想的爆破效果，保证大楼充分解体和顺利倒塌，必须在爆破施工前对大楼的局部构件进行以下预处理：

1)电梯井的处理，电梯井为框架结构，刚性较大；如果处理不当，则可能影响楼房顺利倒塌。对1～4层，将电梯井墙体全部预拆除，只留承重立柱；

2)剪力墙预处理，对1～5层剪力墙，在验算能够安全承载后，部分预先拆除；

3)填充墙的预处理，对1～5层填充墙尽量全部拆除；

4)楼梯的预处理，对1～5的楼梯用风镐、大锤将临近休息平台的踏步打通二条槽，裸露出钢筋，以使形成铰支点；

5)东北角楼梯、卫生间采用机械预先拆除。

该教学楼为框架结构楼房，预处理是针对建筑非承重结构，对大楼的安全和稳定性无影响。

3 爆破参数选择

3.1 立柱爆破高度

钢筋混凝土立柱的爆破高度可按下式计算

H=K(B+Hmin)

(1)

式中：K为爆高系数，一般取1.0～2.0，本次爆破K取2；B为立柱截面边长；Hmin为立柱失稳的最小破坏高度，Hmin=(30～50)d，d为钢筋直径，本次爆破d取2cm，根据公式(1)计算，结果为D柱最小破坏高度为2.4m，B/C柱的最小破坏高度为2.6m，为了使楼房解体充分，便于二次破碎，立柱炸高可适当调整。

定向倒塌区域楼房最后一排的支撑立柱要进行减弱爆破，可形成支撑铰链高度的计算公式为：H铰=1.2Bmin=1.2×0.6m=0.72m，取0.7m，具体的爆破高度见表1和图4。

表1 立柱爆破高度

3.2 立柱孔网参数设计

需要爆破的部位为爆破切口范围内的立柱及2～5层的主梁和次梁。该待拆建筑物爆破切口范围内的框架立柱截面尺寸为：A/D柱截面尺寸为600mm×650mm，B/C柱截面尺寸为700m×700mm，以B/C柱截面尺寸为700m×700mm为例设计。

1)最小抵抗线W，立柱截面为正方形，布置多排炮孔，取W=25cm；

2)炮孔间距a=(1.0～1.2)W=(1.0～1.2)×25=(25～30)cm，实取30cm；

3)炮孔深度L=(0.6～0.8)×70cm=(42～56)cm，实取50cm；

4)单位耗药量q=1.5～2.0kg/m3；

5)单孔装药量Q=a·s·q=0.3×0.7×0.7×(1.5～2.0)=(0.220～0.294)kg，(实取260g)；

式中：a为孔距，m，s为立柱截面积，m2，q为单位炸药消耗量，kg/m3。

B/C柱炮孔按“梅花形”布置，炮孔沿立柱轴线及左右分布，左右各距外侧边线20cm，使用φ32mm乳化炸药连续装药，炮孔布置和装药结构见图3。所有立柱具体爆破参数见表2。

图3 B/C立柱炮孔布置及装药结构示意图图4 定向倒塌楼房切口高度图示

表2 立柱爆破参数

3.3 起爆网络设计

爆破网路采用非电起爆网路，孔内、孔外全部采用普通毫秒导爆管雷管和普通半秒导爆管雷管，按照设计要求延时起爆。网路的传爆采用复式形式，保证网路的可靠性，在接力路线比较长时采用交叉复式接力网路，在控制建筑物倒塌的关键部位适当增加闭合网路的网格密度。

整栋楼房炮孔内全部采用孔内延期，从楼房南侧D立柱用MS-5段，第二排C立柱采用MS-13、电梯间采用MS-4段，第三排B立柱采用HS-4段，最后一排A立柱采用HS-5段。

起爆网路为每根立柱炮孔采用“大把抓”捆绑两发MS-2段导爆管雷管连接一组簇联网路，同一楼层爆破切口内各组MS-2段导爆管雷管形成网格式闭合起爆网路，确保确保网路传爆的可靠性，然后各层之间，各切口之间在进行交叉连接，整体上形成立体交叉复式闭合回路，如图5所示。

图5 起爆网路示意图

4 爆破安全验算及防护措施

4.1 爆破振动验算

爆破引起的振动用垂直振动速度公式的计算

(2)

式中：v为垂直振动速度，cm/s；K、α、K′与爆破地形、地质条件有关的系数和地震波衰减指数，K取200，α取2，K′取0.25；Q为单响最大药量，取Q为161kg；R为测点到爆源的距离，取R为44m。

定向倒塌楼房最大单响药量为161kg，与受保护楼房的最近距离为44m，代入公式(2)得v=0.76cm/s。一次最大起爆药量对保护目标所产生的振速均在3.0cm/s以下，一般拆除爆破f>50Hz，振速小于《爆破安全规程》允许要求。因此，爆破振动不会对周边建筑物造成损坏。

4.2 塌落振动控制

利用塌落振动公式计算[14]

(3)

式中：v1为塌落引起的振动速度，cm/s；m为下落建筑物的质量，取9 944t；H为建筑物的重心高度，取22m；g为重力加速度，取9.8m/s2；σ为地面介质的破坏强度，一般取10MPa；R为观测点到冲击地面中心的最近距离，取45m；kt、β分别为塌落振动速度衰减系数和指数，kt一般为1.1～2.1，取1.1，β一般为1.66～1.8，取1.66。

计算得V=1.77cm/s，小于2.0cm/s，在允许的振动范围内，满足《爆破安全规程》(GB6722-2014)对钢筋混凝土结构建筑物地面质点的振动的速度要求。

为了降低建筑物塌落触地振动效应，减震防护主要是在主楼南侧堆3条长60m、宽3m、高2m防护土堤，弱化大楼触地震动对其他建筑的影响。

4.3 爆破个别飞散物控制

爆破个别飞散物的飞散距离可根据无覆盖条件下，飞石与单耗之间的关系式Rf=70K0.58[15]计算。式中：Rf为无覆盖条件下拆除爆破飞石的飞散距离，m；K为拆除爆破单耗，K取1.5kg/m3；计算得Rf=88m。通过近体防护措施控制在20m。

由于本次爆破切口较高，周围部分建筑物在飞石飞散距离内，因此对爆破飞石的控制与防护重中之重。爆破主楼自身的立柱采用主动防护。待所有立柱装药堵塞完毕后，由里向外分别用麻袋、铁丝网、竹笆均匀固定覆盖在立柱表面，然后用铁丝将竹排逐个捆绑连接起来。爆破楼层的所有窗户均用竹排绿网严密封堵，确保爆破飞石控制在安全范围内。

4.4 爆破噪声和扬尘控制

对于爆破噪音问题应在声源上加以控制。采用多分段的装药爆破方式，尽量减小一次齐爆药量。采用延期爆破，控制一次爆破规模，合理安排爆破时间，严密填塞炮孔和加强覆盖，可以大大减弱爆破噪声。

对于降低爆破粉尘，控制单耗药量、单孔药量与一次起爆药量，提高炸药能量的有效利用率。爆破后确认无盲炮可对爆区进行洒水降尘。

5 工程建模

5.1 有限元模型建立

为了检验上述教学楼拆除方案的可行性及拆除倒塌效果，根据工程实际，用ANSYS/LS-DYNA软件按照1:1的比例进行模型的构建。为了简化模型，不考虑墙体对结构的影响，主要由梁、柱、板以及地面构成整个模型，计算模型中立柱采用solid164单元，梁采用beam161单元，楼板采用shell163单元，地面采用刚性材料，采用整体式模型进行框架结构的建立[16]，模型如图6所示。

图6 建筑物有限元模型

在建筑物爆破拆除工程中，首先需要破坏建筑物的部分承重立柱，使建筑物在重力作用下失稳，进而倒塌。在ANSYS/LS-DYNA中使用关键字＊MAT_ADD_EROSION来控制材料的失效；当爆破切口形成后，建筑物发生倾倒，建筑物发生解体，各部分发生断裂或破碎的界限通过定义失效应变来控制。本次模拟的失效应变为0.05，当建筑物单元的应变超过失效应变后被删除。

5.2 模拟结果分析

图7为教学楼爆破拆除的数值模拟过程。

图7 数值模拟结果

建筑物的倒塌长度和建筑倒塌方向是否发生偏移可以从建筑物顶部的关键节点的位移得出。取建筑物顶部正中心位置的关键节点，其位移如图8～图10所示。

图8 顶部节点在X方向(倒塌方向切向)位移

图9 顶部节点在Y方向(竖直方向)位移

图10 顶部节点在z方向(倒塌方向正向)位移

从图8可以得出，教学楼在倒塌时，按预定方向倒塌，方向最大偏移量为0.25m；从图9可以得出，教学楼顶部节点位移为40m，楼层高48m，倒塌基本充分；从图10可以得出，教学楼顶部节点在倒塌方向位移了20m，由于第一排立柱炸高共为17m，所以实际倒塌位移为37m，楼房发生后座现象。

再从模型第二层中间位置选取关键节点，观察其后座位移情况，如图11所示。

图11 第二层节点在Z方向(倒塌方向)位移

由图11可以得出，楼房在倒塌时发生后座，后座位移了5m左右。在方案设计时，第一层楼房立柱全部炸掉，楼房在倒塌时发生下坐，下坐位移为第一层的高度4.3m。根据图10和图11的位移，楼房顺利倒塌，未发生前倾，后坐位移也较小，倒塌效果较好。通过模拟的结果，表明该教学楼倒塌的方案是可行的，倒塌效果良好。实际具体爆破效果如图12所示。