框架結構樓房定向爆破拆除后坐控制措施及應用*

王 威,賈永勝,韓傳偉,黃小武，韓 宇，伍 岳

(1.江漢大學 湖北(武漢)爆炸與爆破技術研究院，武漢 430056；2.爆破工程湖北省重點實驗室，武漢 430056；3.武漢爆破有限公司,武漢 430056)

樓房采用定向爆破方式拆除時，在樓房主體結構向預定方向倒塌的同時，通常伴有局部構件(梁、柱、板、墻體)向相反方向傾倒或塌落的后坐現象[1]。相對于磚混結構樓房，框架結構樓房在定向爆破拆除時更容易發生后坐現象。當樓房倒塌相反方向環境較好，后坐不會造成不良的后果，并且可以利用樓房的后坐，減少樓房在預定倒塌方向的堆積距離。當樓房倒塌相反方向有保護目標(建筑物、市政設施或地下設施等)距離較近時，則后坐將會對保護目標構成巨大威脅。

隨著我國城市化進展的加快，多數的待拆除建(構)筑物都是在人口稠密、環境復雜的區域，一般情況下都不允許樓房在倒塌時有過多的后坐[2]。通過借鑒機械方式拆除框架結構樓房實際操作經驗，對控制框架結構樓房后坐的方法進行分析和探討，結合武漢市洪山區華中科學生態城群樓爆破拆除項目設計施工實踐，并利用數值模擬方法進行驗證和對比，探究城市復雜環境條件下框架結構樓房爆破拆除后坐控制措施的方法和合理性，為城市復雜環境下框架結構樓房爆破拆除設計與施工提供新的思路。

1 框架結構樓房爆破后坐分析

框架結構樓房定向爆破時，通常前幾排立柱爆破高度較大，后排立柱爆破高度較小(或不鉆孔爆破)。在后排立柱爆破之前(或不鉆孔爆破)，前排立柱已爆破并形成缺口，可認為此時樓房后排立柱已經從超靜定結構變為靜定結構，倒塌方向前側已形成大懸臂結構，后排立柱除承受巨大的上部重力外，還承受巨大的偏心彎矩作用。

框架結構樓房前幾排立柱爆破后，若后排立柱未鉆孔爆破，后排立柱在彎矩作用下，首先在梁柱結點下的薄弱處或梁的后端薄弱處斷裂。樓房傾斜一定角度，或倒塌方向爆破切口閉合時，在水平分力的作用下后排立柱向后倒塌，第一層梁和樓板向后位移，發生后坐[3]。如圖1所示，為1棟9層框架結構樓房，長60.0 m，寬12.9 m，高29.3 m，三排立柱，該樓采用定向傾倒爆破方案，爆破切口設置在1～3層，后排立柱未鉆孔爆破。該樓爆破后，后排立柱向后倒塌，后坐距離約4.5 m。

圖 1 框架結構樓房爆破后坐實例Fig. 1 Example of frame structure building blasting recoil

傳統設計施工時，更傾向于對框架結構樓房后排立柱采取松動爆破方式，認為此時可使后排立柱形成鉸支點轉動，可有效的避免(或減少)后坐[4,5]。但是，大量的工程案例顯示，定向傾倒爆破時多數情況下不會在后排立柱松動爆破后形成鉸支點轉動，反而后坐現象都非常嚴重，容易造成意想不到的后果。某大廈11層框架結構樓房，長42.3 m，寬14.3 m，高40 m，平行于傾倒方向3排立柱，前-中-后排立柱間距分別為7.8 m和6.5 m。立柱截面尺寸為400 mm×600 mm，配筋24φ25，箍筋φ12@100。重點保護目標為樓房后側地鐵出入口，距離樓房8.1 m。該樓采用定向傾倒爆破方案，后排立柱鉆2個25 cm孔，松動爆破法，目的形成塑性鉸。爆破后，后坐嚴重，對地鐵出入口造成擠壓破壞。出于安全考慮，地鐵運營單位封鎖該出入口近1個月，修復后再行開放。費鴻祿對10層框架結構樓房縱向定向爆破拆除進行數值模擬[6]，顯示該樓房后坐9.33 m，實際爆破后坐9.50 m。

2 控制后坐技術措施

目前高拆機在樓房拆除工程中應用已很普遍，通過分析數棟框架結構樓房的機械拆除，其拆除切口并未設置在樓房一層，而是從二樓開始有序破除承重結構，一樓作為預留的緩沖層。二樓后排立柱不作處理，前排個別部位破壞程度不同，最后在安全位置點破承重構件，使樓房安全倒塌，且不發生后坐。

將此理念借鑒到框架結構樓房定向爆破拆除中，為防止樓房后坐，可采用底部樓層不爆破，抬高爆破切口，切口后排立柱不爆破的方案。并將這一理念應用到華中科學生態城群樓爆破拆除實踐中，取得了成功。

3 應用實例

華中科學生態城項目群樓爆破拆除工程位于武漢市洪山區，群樓由原武漢光谷職業學院教學樓和宿舍樓組成。一期爆破拆除的四棟樓房為校園北區的兩棟框架結構教學樓(A3樓、A13樓)和兩棟磚混結構宿舍樓(A7樓、E1樓)。A3樓西側距園林場路人行道1.0 m，距PR160中壓天然氣管道5.0 m，北側距待拆除3層民房2.0 m。A13樓東側距幼兒園31.7 m，北側為幼兒園出入道路，距商貿學院7層學生宿舍9.8 m。環境圖如圖2所示。

圖 2 爆破周圍環境示意圖(單位：m)Fig. 2 Schematic diagram of surrounding environment of blasting(unit:m)

A3樓為7層框架結構，長56.6 m，寬18.7 m，高25.2 m，共4排立柱，主要立柱截面尺寸為400 mm×600 mm，樓房結構見圖3所示。A13樓為6層框架結構，長55.3 m，寬10.8 m，高24.5 m，主要立柱截面尺寸為400 mm×600 mm，樓房結構見圖4所示。

圖 3 A3樓結構示意圖(單位：mm)Fig. 3 Plan of the building A3(unit:mm)

圖 4 A13樓結構示意圖(單位：mm)Fig. 4 Plan of the building A13(unit:mm)

由于A3樓西側為園林場路，A13樓北側為幼兒園和商貿學院宿舍樓出入口，為了避免A3樓和A13樓樓體產生下坐，堵塞進出口通道。采取A3樓向東定向倒塌，A13樓向南定向倒塌的方案。A3樓的爆破切口布置在1～4層(1層后兩排立柱未鉆孔爆破)，前后排延期時間為460 ms。A13樓的爆破切口布置在2～3層[7,8]。爆破切口示意圖分別如圖5、圖6所示。

圖 5 A3樓爆破切口示意圖(單位：mm)Fig. 5 Blasting incision of building A3(unit:mm)

圖 6 A13樓爆破切口示意圖(單位：mm)Fig. 6 Blasting incision of building A13(unit:mm)

圖 7 樓房模擬倒塌過程Fig. 7 Building simulation collapse process

4 數值模擬分析

為驗證爆破參數的合理性及樓房后坐控制方法的可行性，采用ANSYS/LS-DYNA動力學有限元軟件，對A3樓倒塌過程進行數值仿真驗算[9,10]。根據上述案例中A3樓的實際結構參數，建立7層鋼筋混凝土框架有限元模型，南北走向，3～7樓保留非切口區域東西向填充墻體。采用整體式建模方法，不單獨劃分鋼筋單元，以簡化計算模型，提高運算效率。

選用的梁、柱、板、墻單元類型均為SOLID164，鋼筋混凝土計算模型選用塑形隨動硬化材料模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC)，地面設置為剛體。采用8節點六面體單元對模型進行網格劃分，單元尺寸為30 cm，整個模型劃分得到的單元數為230518，節點數為418467。各結構鋼筋混凝土材料的物理力學參數如表1所示。

表1 材料的物理力學參數Table 1 Mechanical parameters of materials

使用關鍵字*MAT_ADD_EROSION 來控制樓房切口區域材料的失效，通過控制時間參數使各爆破按照設定的時刻依次失效。

數值模擬結果表明，A3樓按照設計方向定向傾倒，整個倒塌觸地過程歷時約8 s，倒塌過程如7所示?？梢钥闯?，切口內各排立柱按照設置的延時時間瞬間失效，在1 s時刻形成完整的爆破切口。在重力作用下，上部樓體在2層后立柱支撐下向前傾覆，2、3樓后排梁柱在壓、彎、剪組合力作用下最先發生破壞，在交接點處折斷。4 s時，前部樓體開始觸地，1樓未爆破部分作為緩沖層與上部樓體相互碰撞，增加了破碎效果。8 s時刻，樓房倒塌完全。

從圖8可以看出，樓房倒塌未發生后作現象，二樓及以上結構充分解體，樓房爆堆集中，爆堆高度13.6 m，表明上述樓房爆破拆除后作控制方法合理可行。

圖 8 樓房模擬爆堆側視圖(單位：m)Fig. 8 Side view of building blast-heap(unit:m)

5 爆破拆除實際效果

經過精心的設計、施工，樓房均按照預定方向定向倒塌，爆破沒有對周邊民房和天然氣管道造成破壞。兩棟框架結構樓房爆堆解體較充分，滿足機械破碎要求。如圖9～圖12所示，兩棟樓房后側1層立柱均保持完好，在1層和2層連接處折斷，2層以上向前傾覆，A3樓后側不到1 m處的院墻完好無損，A13樓有部分的小的構件散落在樓體后側3 m范圍內，但整體結構均未產生后坐現象，也驗證了該方案對于減少樓體后坐是行之有效的。

圖 9 A3樓整體爆破效果Fig. 9 Overall blasting effect of A3 building

圖 10 A3樓后側效果圖Fig. 10 Back side blasting effect of A3 building

圖 11 A13樓整體爆破效果Fig. 11 Overall blasting effect of A13 building

圖 12 A13樓后側效果圖Fig. 12 Back side blasting effect of A13 building

6 結語

(1)框架結構樓房定向傾倒爆破采取底層后排立柱弱爆破的方案，在實際爆破中基本上不會形成塑性鉸和繞鉸支點轉動，樓體會產生后坐現象。

(2)對于10層左右高寬比較大的框架結構樓房，為防止或者減少樓體后坐，采用1層不爆破或者前部分爆破，在2層及以上布設爆破缺口，2層后排立柱不爆破的方案是可行的。對于15層以上上部重量較大的樓房，可以抬高爆破切口到2層以上。

(3)部分爆破工程技術人員認為：與爆破切口置于1層相比，抬高爆破切口會導致爆堆太高。但通過對比兩棟樓房爆破效果，爆破后1層前部立柱受樓體塌落沖擊作用折斷破碎，樓體爆堆堆積高度與從1層爆破相比并無明顯差異。

(4)底部未爆樓層可以作為緩沖層大大消耗樓體塌落沖擊的動能，削弱觸地振動效應，減小塌落振動對周邊環境的影響。特別是在待爆樓房后側臨近建(構)筑物和地下管線不允許整體后坐的情況下，采用此方法可以減少風險，即使砸落幾個樓房構件或渣塊，也不會對保護目標造成很大破壞。

(5)為了改善爆破效果，降低爆堆高度，減少樓體后坐，可以對爆破切口內沿爆破倒塌方向的梁進行鉆孔爆破，使其前端著地時折斷，減小地面支撐力對后排立柱的作用。