16 層框架結構樓房定向爆破拆除

洪勇，于明亮，李越，郝光亮，喻智

(廣東爆破工程有限公司，廣東 廣州 510700)

1 工程概況

中山市御苑酒店位于中山市南頭鎮，框架結構16 層，建筑高度63.2 m，主樓長45 m，寬15 m，大樓原用途為酒店，樓層高，立柱大，最大立柱尺寸1100 mm×1100 mm，鋼筋密布，建筑結構強度高,南面有5 層裙樓。酒店主樓一層、二層、三層每層有24 根立柱，酒店主樓E 排中部和左側分別有一處電梯井，中間位置電梯井截面尺寸為4.68m×2.5 m，左側電梯井截面尺寸為2.5m×2.5 m，剪力墻部分尺寸為250 mm×700 mm，由于規劃變化，須將其拆除。周邊環境非常復雜，如圖1 所示。

圖1 周邊環境示意

2 爆破技術設計

2.1 爆破方案

待拆樓房北面有一塊長為215 m 的空地可供倒塌。

依據現場環境，并綜合考慮技術可行和經濟效益，采用“向北方向單向定向倒塌”方案。在爆破之前將5 層裙樓機械拆除，拆除后1～3 層的平面圖如圖2 所示。

圖2 主樓樓層結構（單位:mm）

2.2 預處理

（1）主樓墻體拆除。主樓爆破中需要預處理的主要有磚墻、隔斷、門窗、樓梯以及電梯井墻體，首先采用長臂液壓鎬頭機進入大樓內部，拆除磚墻、隔斷、門窗、樓梯以及電梯井剪力墻及普通墻體等墻體，只保留立柱。將每段樓梯破開兩個踏步，保留鋼筋供施工人員上下樓，處理原則：樓梯處理層數比切口高1 層，即切口部位炸3 層，樓梯處理至第4 層。樓梯預處理方式如圖3 所示。

圖3 樓梯預處理方式

電梯井的承重墻預處理原則為變墻為柱，即在承重墻的中下部人工鑿一個高2.5 m、寬1.5 m 的拱形，拱形結構具有受力均勻、承載能力強等優點。

（2）裙樓拆除。5 層的裙樓高度為19.4 m，采用長臂液壓鎬頭機進行拆除，每次拆除兩跨立柱為一循環：裙樓與主樓連接處的橫梁→裙樓外部立柱→裙樓內部立柱→單循環拆除完畢。

2.3 切口設計

當拆除爆破倒塌模式確定了以后，為使該框架結構樓房按預定方向順利傾倒，必須滿足以下兩個條件：一是通過爆破作用使預定傾倒方向一側立柱等結構的混凝土脫離柱內配筋，在爆破切口內形成鋼筋骨架；二是通過爆破使得與預定傾倒方向相反的一側立柱底部形成鉸鏈。在傾倒一側形成的鋼筋骨架所受的載荷若大于其極限抗壓強度，則鋼筋骨架會被壓彎發生塑性變形而導致骨架失穩破壞，從而導致整個框架結構的失穩[1]。綜上所述，鋼筋混凝土框架結構建筑物傾倒失穩的條件判據可以轉化為壓桿失穩問題的討論，其核心是在一定載荷作用下壓桿失穩臨界高度的確定，即承重立柱爆高的確定。目前使用較多的最小爆高計算公式主要有以下幾種。

方法一：經驗計算公式。在大量工程實踐和長期總結歸納的基礎上，爆破工程技術人員總結出了簡單實用的經驗公式[2]：

式中，H1為爆破缺口高度；Hmin為使建筑物失穩的最小爆破高度；B為立柱截面邊長，矩形截面取長邊；K為經驗系數，取值1.5～2.0；d為立柱內部縱向鋼筋直徑。

方法二：上端自由下端固定壓桿。將立柱爆破后裸露出的鋼筋網視為單根主筋，將該主筋等效為上端自由、下端固定的壓桿[3]，如圖4（a）所示，則最小爆破高度計算公式為：

式中，P為等效主筋所受載荷；EI為等效主筋的抗彎剛度；H2為裸露鋼筋的長度即最小爆破高度。

方法三：上下端固定壓桿。將立柱爆破后裸露出的鋼筋網視為單根主筋，將主筋等效為兩端均固定的壓桿[4]，如圖4（b）所示，則最小爆破高度計算公式為：

圖4 爆高計算模型

式中，H3為裸露鋼筋長度，即最小爆破高度，其它各字母符號所代表意義與上式相同。

方法四：切口高度H4應滿足使豎向配筋穩定性破壞的條件[5]：

式中，[λ]為鋼結構設計規范所規定的長細比，取[λ]=150；μ為軸心壓桿計算長度系數，剛度固定時μ=0.5。

被拆建筑物最大立柱尺寸 1100 mm×1100 mm；質量為9831 t，共16 層，經過預處理后剩余三排立柱承重，E排共有10 根立柱，可計算得到每根立柱所受軸向荷載為2662 kN，取配筋最大的Z12進行計算（配有4 根Φ22 mm、16 根Φ20 mm 豎筋），得到等效豎筋半徑D為45.7 mm，則等效豎筋的慣性矩代入公式I=πD4/64 計算得到214 102.57 mm4，豎筋彈性模量取200 kN/mm2，代入各計算公式計算得到的最小爆破切口高度見表1。

表1 最小切口高度不同公式計算結果

通過對比表1 數據可知，使該框架結構樓房失穩的最小切口高度為0.66～3.18 m 之間，其中方法三計算結果為方法二的4 倍、為方法一和方法四的2～3 倍，偏差較大，故舍棄方法三數據，取最小切口高度為0.7～1.7 m。

2.4 幾何計算破壞高度

在建（構）筑物爆破切口形成以后，結構內產生一個傾覆力矩使結構失穩傾倒，順利完成切口閉合階段后，為了保證建（構）筑物繼續按爆破設計預定的傾倒方向倒塌，在切口閉合時結構的重心應該處于切口閉合點的外側，如圖5 所示。

圖5 爆破切口閉合示意

從圖中可看出，樓房倒塌方向寬度為L，爆破切口高度為h，建筑物重心為O，其高度為HO，O1為切口閉合時重心的位置，G為建筑物自身所受重力，爆破切口的高度應滿足公式（6）[6]：

代入數據計算得到h為4.45 m。

通過大量的框架結構樓房爆破拆除傾倒過程視頻的研究發現，在傾倒方向反向第一排立柱起爆形成塑性鉸后，爆破切口才會閉合。故在不發生后座的情況下，爆破切口閉合時圖5 中的P點應為最后一排立柱爆破缺口上部點，所以爆破缺口高度H=h+h1，h1為最后一排立柱爆破高度。該樓房C排要求爆破之后形成鉸鏈，其破壞高度H=（1.0～1.2）B，B指立柱截面邊長，矩形截面取長邊。結合實際情況，C排炸高設計為1.2 m。故爆破切口高度應大于5.7 m 才能保證在爆破切口閉合時樓房重心處于閉合點以外。

綜合經驗公式與幾何計算公式設計：取爆破切口高度為7.5 m、切口傾角為23°，以確保按傾倒方向倒塌。

3 后坐和豎向剪切判別

目前延期爆破技術已經廣泛運用于拆除起爆網絡[7]，因此需要研究不同排立柱在不同延時起爆的過程中樓房梁、柱的受力情況和承載能力，對預判樓房倒塌過程和避免事故發生有著重要的意義[8]。采用排間微差起爆網絡時，起爆過程中先起爆前排立柱，在后排立柱還未起爆前，未起爆立柱的抗壓強度低于實際壓力時，會發生后坐現象。起爆過程中若梁的抗剪強度大于其所受的剪力，則樓房在起爆過程中就不會發生豎向剪切破壞。框架結構樓房由于結構規則，受力均勻，故可以提取一榀框架進行受力計算。

3.1 梁、柱承載能力計算

通過建筑物圖紙和資料，以建筑物的配筋、混凝土型號和梁、柱、墻等各結構的尺寸為依據，計算出爆破切口上部結構所受重力G的大小[9]；依據公式（7）計算出框架柱軸向受壓最大承載能力Nu，通過比較上部荷載和立柱軸向最大承載能力Nu，即可對爆破切口形成過程中建筑物是否發生后坐作出判斷。

式中，fc為混凝土抗壓強度設計值；為立柱內縱向鋼筋抗壓強度設計值；A為立柱橫截面面積；為單個立柱內全部縱向鋼筋橫截面面積之和；φ為鋼筋混凝土軸心受壓穩定性系數。

框架結構樓房的梁截面較小，且剪跨比大，在樓房爆破拆除傾倒過程中梁結構的破壞形式主要為斜拉剪切破壞，破壞過程有變形小、速度快的脆性性質。梁截面受剪切力的承載能力可由公式（8）計算得到。

式中：FV為梁截面抗剪承載力；ft為混凝土抗拉強度；b為截面寬度；h0為截面有效高度（去除保護層厚度）；fyV為箍筋抗拉強度；Asy為箍筋總面積；S為箍筋間距。

3.2 起爆過程中梁、柱受力計算

由于框架結構樓房爆破拆除起爆過程一般為同排立柱同時起爆，所以每一榀框架會發生基本一致的形變和位移。為簡化計算，單獨對一榀框架進行受力計算，可以對整個樓房的破壞過程進行預判。待拆建筑物在南北方向共有5 排立柱，南側2排立柱為五層裙樓的結構，在爆破前已經被機械拆除。剩余3 排需爆破的立柱，在第一排立柱起爆后、第二排立柱起爆前，可以將平面框架簡化為簡支梁結構模型，如圖6 所示。

圖6 受力模型

通過靜力平衡的條件求得第二排立柱的支撐力RB和第三排立柱的拉力RC：

通過靜力平衡的條件對剪力FV和彎矩M進行計算，可計算得到梁結構任意截面所受的剪力和彎矩，假設梁結構上某一點與支座D的距離為X，則：

當X處在BC 段截面，即0≤X≤L1時，

當X在AB 段截面內，即L1≤X≤L2+L1時，

提取待拆建筑物從東向西11.4 m 處的一榀框架進行計算，D排柱Z8 斷面為1000 mm×1000 mm，豎筋總面積為7850 mm2，混凝土軸心壓桿穩定性系數取 0.98，C30 混凝土抗壓強度取 30 MPa[10]，抗拉強度取1.43 N/mm2。梁截面寬度為240 mm，高度為600 mm，箍筋抗拉強度為300 MPa，箍筋為兩圈Φ8 mm、總面積為201 mm2，箍筋間距為100 mm。經過計算發現在支座B所受壓力最大，梁B點處所受剪力最大，結果見表2。

表2 承載力和最大受力計算結果/kN

由表2 可知，在第一排立柱起爆后，第二排立柱抗壓承載力大于其所受的最大軸向力[10]，故在起爆過程中樓房不會發生后坐。框架梁的抗剪強度小于其在起爆過程中所受的剪力，故在樓房起爆傾倒過程中樓房會發生豎向剪切破壞。在倒塌過程中建筑物發生豎向剪切破壞可縮短倒塌距離[11]。

4 爆破效果

在該框架結構樓房實施爆破拆除過程中，樓房按照預定的向北方向順利倒塌，傾倒過程中未發生后坐，梁結構有豎向剪切破壞現象，與理論計算結果一致。建筑物結構倒塌后觸地振動在規程允許的范圍內[12]，沒有對周圍建筑物產生影響，未產生飛濺距離超過15 m 的爆破飛石，觸地飛濺物也在嚴格的控制范圍內，本次爆破設計合理，施工精細，取得了良好的爆破效果。