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(zhèn)，框架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(cè)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(cè)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(guī)劃變化，須將其拆除。周邊環(huán)境非常復(fù)雜，如圖1 所示。

圖1 周邊環(huán)境示意

2 爆破技術(shù)設(shè)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(jù)現(xiàn)場環(huán)境，并綜合考慮技術(shù)可行和經(jīng)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(jié)構(gòu)（單位:mm）

2.2 預(yù)處理

（1）主樓墻體拆除。主樓爆破中需要預(yù)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(nèi)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(shù)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(yù)處理方式如圖3 所示。

圖3 樓梯預(yù)處理方式

電梯井的承重墻預(yù)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(jié)構(gòu)具有受力均勻、承載能力強等優(yōu)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(huán)：裙樓與主樓連接處的橫梁→裙樓外部立柱→裙樓內(nèi)部立柱→單循環(huán)拆除完畢。

2.3 切口設(shè)計

當拆除爆破倒塌模式確定了以后，為使該框架結(jié)構(gòu)樓房按預(yù)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(yù)定傾倒方向一側(cè)立柱等結(jié)構(gòu)的混凝土脫離柱內(nèi)配筋，在爆破切口內(nèi)形成鋼筋骨架；二是通過爆破使得與預(yù)定傾倒方向相反的一側(cè)立柱底部形成鉸鏈。在傾倒一側(cè)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(fā)生塑性變形而導(dǎo)致骨架失穩(wěn)破壞，從而導(dǎo)致整個框架結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)[1]。綜上所述，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑物傾倒失穩(wěn)的條件判據(jù)可以轉(zhuǎn)化為壓桿失穩(wěn)問題的討論，其核心是在一定載荷作用下壓桿失穩(wěn)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(jīng)驗計算公式。在大量工程實踐和長期總結(jié)歸納的基礎(chǔ)上，爆破工程技術(shù)人員總結(jié)出了簡單實用的經(jīng)驗公式[2]：

式中，H1為爆破缺口高度；Hmin為使建筑物失穩(wěn)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(jīng)驗系數(shù)，取值1.5～2.0；d為立柱內(nèi)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(wǎng)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(wǎng)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(yīng)滿足使豎向配筋穩(wěn)定性破壞的條件[5]：

式中，[λ]為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范所規(guī)定的長細比，取[λ]=150；μ為軸心壓桿計算長度系數(shù)，剛度固定時μ=0.5。

被拆建筑物最大立柱尺寸 1100 mm×1100 mm；質(zhì)量為9831 t，共16 層，經(jīng)過預(yù)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(jié)果

通過對比表1 數(shù)據(jù)可知，使該框架結(jié)構(gòu)樓房失穩(wěn)的最小切口高度為0.66～3.18 m 之間，其中方法三計算結(jié)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(shù)據(jù)，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(gòu)）筑物爆破切口形成以后，結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生一個傾覆力矩使結(jié)構(gòu)失穩(wěn)傾倒，順利完成切口閉合階段后，為了保證建（構(gòu)）筑物繼續(xù)按爆破設(shè)計預(yù)定的傾倒方向倒塌，在切口閉合時結(jié)構(gòu)的重心應(yīng)該處于切口閉合點的外側(cè)，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?qū)挾葹長，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(yīng)滿足公式（6）[6]：

代入數(shù)據(jù)計算得到h為4.45 m。

通過大量的框架結(jié)構(gòu)樓房爆破拆除傾倒過程視頻的研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)生后座的情況下，爆破切口閉合時圖5 中的P點應(yīng)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(jié)合實際情況，C排炸高設(shè)計為1.2 m。故爆破切口高度應(yīng)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(jīng)驗公式與幾何計算公式設(shè)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(shù)已經(jīng)廣泛運用于拆除起爆網(wǎng)絡(luò)[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(yù)判樓房倒塌過程和避免事故發(fā)生有著重要的意義[8]。采用排間微差起爆網(wǎng)絡(luò)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(fā)生后坐現(xiàn)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(fā)生豎向剪切破壞?？蚣芙Y(jié)構(gòu)樓房由于結(jié)構(gòu)規(guī)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(jié)構(gòu)的尺寸為依據(jù)，計算出爆破切口上部結(jié)構(gòu)所受重力G的大小[9]；依據(jù)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(fā)生后坐作出判斷。

式中，fc為混凝土抗壓強度設(shè)計值；為立柱內(nèi)縱向鋼筋抗壓強度設(shè)計值；A為立柱橫截面面積；為單個立柱內(nèi)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(wěn)定性系數(shù)。

框架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)。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(jié)構(gòu)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(fā)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(yù)判。待拆建筑物在南北方向共有5 排立柱，南側(cè)2排立柱為五層裙樓的結(jié)構(gòu)，在爆破前已經(jīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)任意截面所受的剪力和彎矩，假設(shè)梁結(jié)構(gòu)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(nèi)，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(wěn)定性系數(shù)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(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)在支座B所受壓力最大，梁B點處所受剪力最大，結(jié)果見表2。

表2 承載力和最大受力計算結(jié)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(fā)生后坐?？蚣芰旱目辜魪姸刃∮谄湓谄鸨^程中所受的剪力，故在樓房起爆傾倒過程中樓房會發(fā)生豎向剪切破壞。在倒塌過程中建筑物發(fā)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(jié)構(gòu)樓房實施爆破拆除過程中，樓房按照預(yù)定的向北方向順利倒塌，傾倒過程中未發(fā)生后坐，梁結(jié)構(gòu)有豎向剪切破壞現(xiàn)象，與理論計算結(jié)果一致。建筑物結(jié)構(gòu)倒塌后觸地振動在規(guī)程允許的范圍內(nèi)[12]，沒有對周圍建筑物產(chǎn)生影響，未產(chǎn)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(nèi)，本次爆破設(shè)計合理，施工精細，取得了良好的爆破效果。