17层框-剪结构大楼定向爆破拆除

谢先启，贾永胜，黄小武，韩传伟，姚颖康,2，王洪刚,2

(1.武汉爆破有限公司，武汉 430023；2.河海大学 土木与交通学院，南京 210098)



17层框-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 430023；2.河海大学 土木与交通学院，南京 210098)

摘要:根据17层框-剪结构大楼的结构特点，采取将大楼分为A、B两部分延时1.2 s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1.8 kg/m3，选用孔内3400 ms、孔外400 ms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LS-DYNA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

1工程概况

1.1周边环境

湖北云鹤大厦为1栋17层框剪结构楼房，总建筑面积约17 100 m2。大楼位于武汉市江岸区解放大道2613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19.7 m，距车行道边线25 m，距轨道交通1号线35 m，距解放大道东侧居民楼72 m。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。

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49.3 m，宽33.9 m，高59.1 m，共设3个楼梯，建筑面积约为11 000 m2。大楼剪力墙较多，整体刚度较大，外墙采用240 mm厚砖砌体填充，内隔墙采用115 mm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15层～17层，B区楼层高度为11层，两部分之间设有沉降缝，缝宽100 mm。立柱尺寸主要有600 mm×1000 mm、800 mm×800 mm、700 mm×700 mm、600 mm×700 mm和400 mm×800 mm，梁的尺寸为500 mm×250 mm，剪力墙厚度为250 mm，楼板厚度为100 mm。

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[1]。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。

2.1爆破切口

依据初弯曲压杆失稳模型计算公式[2]

(1)

2.2孔网参数

400 mm×800 mm截面立柱布置单排炮孔，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30 cm，排距为20 cm。根据现场试爆效果，炸药单耗取1.8 kg/m3，对于配筋较高的区域，适当提高装药量。装填炸药时，立柱的单排炮孔采用集中装药结构，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11段(3400 ms)，孔外用3段(400 ms)接力传爆，B区延迟A区1.2 s(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：ms)

注：表中孔内时间表示孔内雷管起爆时刻。

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)1F～3F楼梯，采用人工和机械相结合的方式全部拆除，3F～6F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LS-DYNA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[7]，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SOLID164单元，选用塑形随动硬化材料[8]；钢筋单元采用BEAM161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20 cm，整个模型单元数为276510，节点数为409040。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

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10 s，爆堆长85 m，宽48 m，最大高度为14.6 m。其中，A区后坐距离为3.8 m，B区后坐距离为1.5 m。从大楼的倒塌效果来看，A区倒塌触地后解体较充分，而B区的解体效果很差。其原因为B区延迟A区1.2 s起爆，两区楼体在6 s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、图5。

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[9]。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。

5爆破效果及结论

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1.85 cm/s，主频为2.2 Hz；东侧居民楼振动速度峰值为1.4 cm/s，主频为1.8 Hz；振动速度峰值均在《爆破安全规程》(GB6722—2014)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17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效果，为提高框-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LS-DYNA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(References)

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[2]孙金山,谢先启,王坤鹏,等.建构筑物墩柱爆破后裸露钢筋初弯曲失稳模型[J].爆破,2015,32(1):1-4.

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[8]Livermore Software Technology Corporation.LS-DYNA User′s Manual.Version 971[M].Livermore Software Technology Corporation，2007.

[9]中华人民共和国国家标准.GB6722—2014爆破安全规程[S].北京:中国标准出版社，2015.

Directional Explosive Demolition of 17-layer Frame-shear Structure Building

XIEXian-qi1,JIAYong-sheng1,HUANGXiao-wu1,HANChuan-wei1,YAOYing-kang1,2,WANGHong-gang1,2

(1.Wuhan Blasting Engineering Co Ltd,Wuhan 430023,China;2.School of Civil And Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

Abstract:The 17-layer frame-shear structure was divided into area A and area B according to the structure characters.The delayed time of two areas is 1.2 s and the collapse direction is northward.The balsting parameters are given,as specific charge 1.8 kg/m3,the delayed time in the hole with 3400ms and outside the hole with 400 ms by using high precision Nonel detonator.Collapse effect of area A and area B are analyzed on the basis of actual blasting effect and image data.The results show that by using "subarea-subsection" demolition blasting method,the correlation of different area and existence of shear walls should be considered.In order to improve the collapse effect,more shear walls should be pre-treated.Furthermore,the collapse process and form of blasting muck pile from calculation are correspond with the actual effect and the feasibility of the design project is verified by using LS-DYNA.Adverse effects of blasting are controlled effectively by using covered protection nearby.protective protection measures and comprehensive dust fall method.

Key words:frame-shear structure; explosive demolition; numerical simulation; collapse effect

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.021

收稿日期:2016-01-12

作者简介:谢先启(1960-)，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-mail)xxqblast@163.com。

中图分类号:TU746.5

文献标识码:A

文章编号:1001-487X(2016)02-0107-06