高层楼房爆破拆除模拟研究与实践应用

李永强LI Yong-qiang；张英才ZHANG Ying-cai

（①河南理工大学土木工程学院，焦作 454000；②新乡市市场监督管理局平原示范区分局，新乡 453000）

0 引言

城市用地日益紧张，同时又受城区狭窄场地、施工进度、人员财产安全等影响，使得爆破拆除技术在城区建筑改造重建工程中越来越常见。得益于计算机技术的更新迭代，建（构）筑物的爆破拆除技术有了快速的发展，到如今已经形成较为完备的工程科学技术体系[1-2]。

通过数值仿真模拟建（构）筑物的倒塌过程及形态已经有较多的研究[3-7]，本文基于前人的研究，采用双向微折叠爆破拆除技术，运用底层卸载减振方法，使用ANSYS/LS.DYNA 软件对高层建筑物破坏过程和触地振动进行了研究，与实际监测数据进行比对，验证双向微折叠爆破拆除技术在工程爆破中的效应，优化施工方案，以期研究成果能够对类似的爆破拆除工程提供一定的借鉴。

1 爆破原理及方法

1.1 拆除原理 一般来说，建（构）筑物的爆破拆除是根据设计思路来反向考虑的，即通过破坏柱、梁、楼板等主要称重支撑构件，打破结构的受力稳定平衡，使其在重力的作用下失稳倒塌解体。爆破切口形成之后，切口处剩余结构要能够在短时间内支撑上部结构；同时，在重力形成的倾覆力矩作用下，支撑上部结构绕切口处支点转动。撑住和转动几乎是同时发生的，只有当建筑物转动并产生一定的能量之后，才能够发生碰撞破碎和触地解体。所以，爆破切口的形式对于爆破拆除的倒塌方向和效果至关重要，对爆破切口的形式也有一定的要求[8]。

1.2 双向微折叠爆破拆除技术 双向微折叠爆破拆除技术属于折叠倒塌形式的一种特殊形式，主要是根据某些特殊的拆除爆破工程实践所设计的一种切口形式。结构开设上下两个切口，切口形式可以根据工程实际分别设计，上部切口开口朝向与主倒塌方向相反，率先起爆，用来控制地面振动、触地冲击距离等，降低对狭小场地的要求；下部切口开口朝向为主倒塌方向，结合场地环境设计，保证主体结构解体破坏。它的原理基于以下步骤：①结构分析：在进行拆除前，对建筑物或结构物进行仔细分析，确定其内部的构造和强度分布，包括建筑物的材料类型、支撑结构、强度等方面的详细信息。②弱化结构：根据结构分析的结果，设计出一种使建筑物的结构弱化的方案。这一步骤旨在降低建筑物的整体强度，以便在爆破时能够更有效地崩塌。③预置爆破物：在建筑物的关键位置和弱化区域，预置爆破物。这些爆破物通常是高度控制的爆破药物，能够在引爆后产生所需的爆炸效果。④控制引爆：在预置爆破物准备就绪后，采用精确的引爆控制手段，例如电子引爆系统，以确保爆破在特定的时间和位置发生。通过控制引爆，实现对建筑物崩塌的方向、速度和程度等参数的精确控制。⑤崩塌和清理：一旦引爆发生，建筑物的结构会崩塌并倒塌在预定的方向和形式中。然后，拆除团队会进行清理和移除残余的废墟，以便进行后续的处理或新建项目。

2 工程应用

2.1 工程概况 联通大楼是一幢钢筋混凝土建筑物，该楼房主体为框架结构，共十四层，呈东西方向布置，西侧为长方形结构，东侧为圆形构造。大楼东西长38.5m，南北宽12m，主体高度51.7m，总高度65.2m。承重柱为南北方向3 排，东西方向8 排。

2.2 爆破设计 在本工程中对砖墙、剪力墙及步梯进行预处理，主要是切断相应部位的受力钢筋。在爆破拆除时，对平行于倒塌方向的梁板两端和中间布置三个爆破切口，以破坏其整体性，从而有效降低建筑物的稳定性，保证主体结构充分爆破解体[9]。采用复合梯形爆破切口，底部6层总高26.8m，底部第1 层高度5.0m，2～6 层高度21.8m，切口高度取2～6 层。蘑菇亭位于标高51.7m 至65.2m 位置，总高13.5m；为圆筒形结构，筒壁为钢筋混凝土，壁厚24cm；蘑菇亭直径4.2m。蘑菇亭向西侧开设切口，切口弧长计算得7.65m，切口高度取1.2m。

考虑到待拆除楼房的结构形状特性及其周边环境情况，决定使待拆除楼房向正东方向倒塌，蘑菇亭向西侧倒塌；蘑菇亭首先起爆，主切口与蘑菇亭间隔1975ms，蘑菇亭孔内装填ms2 雷管，延期时间25ms。采用大段别多段位装药，使楼房向空地逐段倒塌，即一区首先起爆塌落，二区、三区、四区、五区均半秒延期逐次起爆，使楼房形成设计切口，在重力作用下向预定方向塌落[10]。

2.3 仿真模型 综合考虑工程要求和单元特性，本文建模使用单位制为g-mm-μs，与实际结构1:1 建模。考虑到建立几何模型的便捷性，在AutoCAD 中创建整体几何模型，再输入到ANSYS/LS.DYNA 中创建有限元模型，单元尺寸为40cm，保证计算的精度及速度。

主体模型均使用Solid164 实体单元，采用整体式建模，将钢筋的性能通过度EI 等效原则提高材料的弹性模量来实现，同时把剪力墙、填充墙、围墙等换算成相应的密度，施加到结构上面，材料参数见表1。

表1 材料参数

使用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 关键字控制塑形随动硬化材料来模拟主体结构和地面，对于爆破立柱使用默认的材料。

考虑到模型中主体使用*MAT_ADD_EROSION关键字， 在此采用*CONTACT_ERODING_SIN GLE_SURFACE 侵蚀单面接触，静摩擦系数取值0.5，动摩擦系数取值0.5。数值仿真模型如图1 所示。

图1 数值模型

3 数值仿真结果分析

3.1 倒塌过程分析 联通大楼爆破拆除数值仿真倒塌过程如图2 所示。0.05s 时，蘑菇亭首先起爆，由于蘑菇亭底部还有一定支撑能力，重心未明显偏出底部截面抵抗力矩，未发生明显倾斜位移。2s 时，一区爆破立柱起爆，主爆破切口开始形成，结构进行内力重分布，大楼主体仍保持一定的稳定性，二层东侧楼板产生松动，下沉效果不明显。3s 时，三区立柱已经起爆，东西侧连接部位开始出现裂缝，楼板受拉破坏断裂，横梁与立柱连接处受力较大，东侧结构开始有下沉迹象。4s 时，爆破切口完全形成，底层立柱在上部结构冲击作用下开始破坏断裂，西侧结构产生明显扭曲，大楼整体有明显东向倾倒迹象。6.4s 时，大楼东向倾倒的趋势已经确定，西侧结构已经完全破坏，东侧结构底部破坏，上部仍在变形破坏；蘑菇亭底部与顶层楼板完全分离，随着蘑菇亭撞击顶层框架梁柱，蘑菇亭中间部位断裂。t=7.64s 时，蘑菇亭完全触地，由于底层的缓冲作用，蘑菇亭尚有一定的完整度，大楼基本解体破坏，爆堆高度进一步压缩降低。

图2 倒塌过程数值模拟结果

与相同时刻的实际倒塌过程图3 进行对比，可以看出数值仿真结果与实际过程比较吻合，结构的破坏形态一致。

图3 实际倒塌过程

3.2 结果分析 ①节点位移。A 节点为七层楼顶112174 号节点，B 节点为九层楼顶112172 号节点，C 节点为十二层楼顶87261 号节点，D 节点为蘑菇亭顶部220614号节点。由图4 位移时间曲线，可以明显看出，节点位移距离最大的是十二层顶部节点C，远远大于蘑菇亭顶部节点D 的位移距离，D 点位移距离为10m，证明蘑菇亭反向倾倒切口产生了微折叠效果，有效缩短倒塌距离。②节点速度。A 节点为蘑菇亭顶部220631 号节点，B 节点为十二层楼顶73813 号节点，C 节点为七层楼顶24248 号节点。如图5 所示，蘑菇亭顶部节点A 是竖直方向上最高的节点，在7.2s 时运动速度最快，为22.7m/s，各节点在8s 时速度趋于稳定，从开始运动到基本稳定，历时5s，说明大楼倒塌的持续过程较短，爆破解体过程更加紧凑。③地面振动。选择地面节点A 编号961538，节点B 编号963922。由图6可知，地面振动发生于起爆之后4s 左右，即主爆破切口完全形成，切口上部结构开始触地时，峰值出现在7.4s，此时大楼整体倾倒运动速度达到峰值，由此产生触地振动效应也最大，振动速度峰值为1.27cm/s。图7 为实际爆破工程振动波形图，可以看出，振动产生时间较早，峰值为0.91cm/s，比数值仿真结果略小。由于现场炸药爆炸时会产生振动，通过梁柱等结构传到到地面，导致振动提前；地面仿真材料类型、地面硬化、现场减振措施等，影响传导效果，减小了触地振动。总体来看，地面振动的仿真结果与实际工程比较一致，通过仿真计算，能够预先了解触地振动数据，从而更好作出并完善相应的减振措施。

图4 位移-时间曲线

图5 速度-时间曲线

图6 地面振动

图7 振动波形图

4 结论

①大楼主体的实际倒塌过程与形态和数值仿真结果有较高的一致性，均从第五榀框架和第六榀框架之间产生撕裂破坏，东侧结构下沉，西侧结构受拉破坏，整体楼房产生东向倾倒效果，说明通过仿真模型能够预测倒塌过程及形态。②第二层开设切口，减小了狭窄场地的负面影响，同时起到了减振缓冲作用，触地速度和地面振动有效降低，减少二次工程量。③利用双向微折叠爆破拆除技术，控制建筑倒塌范围，缩短爆堆长度，降低飞石距离和振动速度，保障人民生命财产安全。