李永強LI Yong-qiang；張英才ZHANG Ying-cai

（①河南理工大學土木工程學院，焦作 454000；②新鄉(xiāng)市市場監(jiān)督管理局平原示范區(qū)分局，新鄉(xiāng) 453000）

0 引言

城市用地日益緊張，同時又受城區(qū)狹窄場地、施工進度、人員財產安全等影響，使得爆破拆除技術在城區(qū)建筑改造重建工程中越來越常見。得益于計算機技術的更新迭代，建（構）筑物的爆破拆除技術有了快速的發(fā)展，到如今已經形成較為完備的工程科學技術體系[1-2]。

通過數值仿真模擬建（構）筑物的倒塌過程及形態(tài)已經有較多的研究[3-7]，本文基于前人的研究，采用雙向微折疊爆破拆除技術，運用底層卸載減振方法，使用ANSYS/LS.DYNA 軟件對高層建筑物破壞過程和觸地振動進行了研究，與實際監(jiān)測數據進行比對，驗證雙向微折疊爆破拆除技術在工程爆破中的效應，優(yōu)化施工方案，以期研究成果能夠對類似的爆破拆除工程提供一定的借鑒。

1 爆破原理及方法

1.1 拆除原理 一般來說，建（構）筑物的爆破拆除是根據設計思路來反向考慮的，即通過破壞柱、梁、樓板等主要稱重支撐構件，打破結構的受力穩(wěn)定平衡，使其在重力的作用下失穩(wěn)倒塌解體。爆破切口形成之后，切口處剩余結構要能夠在短時間內支撐上部結構；同時，在重力形成的傾覆力矩作用下，支撐上部結構繞切口處支點轉動。撐住和轉動幾乎是同時發(fā)生的，只有當建筑物轉動并產生一定的能量之后，才能夠發(fā)生碰撞破碎和觸地解體。所以，爆破切口的形式對于爆破拆除的倒塌方向和效果至關重要，對爆破切口的形式也有一定的要求[8]。

1.2 雙向微折疊爆破拆除技術 雙向微折疊爆破拆除技術屬于折疊倒塌形式的一種特殊形式，主要是根據某些特殊的拆除爆破工程實踐所設計的一種切口形式。結構開設上下兩個切口，切口形式可以根據工程實際分別設計，上部切口開口朝向與主倒塌方向相反，率先起爆，用來控制地面振動、觸地沖擊距離等，降低對狹小場地的要求；下部切口開口朝向為主倒塌方向，結合場地環(huán)境設計，保證主體結構解體破壞。它的原理基于以下步驟：①結構分析：在進行拆除前，對建筑物或結構物進行仔細分析，確定其內部的構造和強度分布，包括建筑物的材料類型、支撐結構、強度等方面的詳細信息。②弱化結構：根據結構分析的結果，設計出一種使建筑物的結構弱化的方案。這一步驟旨在降低建筑物的整體強度，以便在爆破時能夠更有效地崩塌。③預置爆破物：在建筑物的關鍵位置和弱化區(qū)域，預置爆破物。這些爆破物通常是高度控制的爆破藥物，能夠在引爆后產生所需的爆炸效果。④控制引爆：在預置爆破物準備就緒后，采用精確的引爆控制手段，例如電子引爆系統(tǒng)，以確保爆破在特定的時間和位置發(fā)生。通過控制引爆，實現對建筑物崩塌的方向、速度和程度等參數的精確控制。⑤崩塌和清理：一旦引爆發(fā)生，建筑物的結構會崩塌并倒塌在預定的方向和形式中。然后，拆除團隊會進行清理和移除殘余的廢墟，以便進行后續(xù)的處理或新建項目。

2 工程應用

2.1 工程概況 聯通大樓是一幢鋼筋混凝土建筑物，該樓房主體為框架結構，共十四層，呈東西方向布置，西側為長方形結構，東側為圓形構造。大樓東西長38.5m，南北寬12m，主體高度51.7m，總高度65.2m。承重柱為南北方向3 排，東西方向8 排。

2.2 爆破設計 在本工程中對磚墻、剪力墻及步梯進行預處理，主要是切斷相應部位的受力鋼筋。在爆破拆除時，對平行于倒塌方向的梁板兩端和中間布置三個爆破切口，以破壞其整體性，從而有效降低建筑物的穩(wěn)定性，保證主體結構充分爆破解體[9]。采用復合梯形爆破切口，底部6層總高26.8m，底部第1 層高度5.0m，2～6 層高度21.8m，切口高度取2～6 層。蘑菇亭位于標高51.7m 至65.2m 位置，總高13.5m；為圓筒形結構，筒壁為鋼筋混凝土，壁厚24cm；蘑菇亭直徑4.2m。蘑菇亭向西側開設切口，切口弧長計算得7.65m，切口高度取1.2m。

考慮到待拆除樓房的結構形狀特性及其周邊環(huán)境情況，決定使待拆除樓房向正東方向倒塌，蘑菇亭向西側倒塌；蘑菇亭首先起爆，主切口與蘑菇亭間隔1975ms，蘑菇亭孔內裝填ms2 雷管，延期時間25ms。采用大段別多段位裝藥，使樓房向空地逐段倒塌，即一區(qū)首先起爆塌落，二區(qū)、三區(qū)、四區(qū)、五區(qū)均半秒延期逐次起爆，使樓房形成設計切口，在重力作用下向預定方向塌落[10]。

2.3 仿真模型 綜合考慮工程要求和單元特性，本文建模使用單位制為g-mm-μs，與實際結構1:1 建模?？紤]到建立幾何模型的便捷性，在AutoCAD 中創(chuàng)建整體幾何模型，再輸入到ANSYS/LS.DYNA 中創(chuàng)建有限元模型，單元尺寸為40cm，保證計算的精度及速度。

主體模型均使用Solid164 實體單元，采用整體式建模，將鋼筋的性能通過度EI 等效原則提高材料的彈性模量來實現，同時把剪力墻、填充墻、圍墻等換算成相應的密度，施加到結構上面，材料參數見表1。

表1 材料參數

使用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 關鍵字控制塑形隨動硬化材料來模擬主體結構和地面，對于爆破立柱使用默認的材料。

考慮到模型中主體使用*MAT_ADD_EROSION關鍵字， 在此采用*CONTACT_ERODING_SIN GLE_SURFACE 侵蝕單面接觸，靜摩擦系數取值0.5，動摩擦系數取值0.5。數值仿真模型如圖1 所示。

圖1 數值模型

3 數值仿真結果分析

3.1 倒塌過程分析 聯通大樓爆破拆除數值仿真倒塌過程如圖2 所示。0.05s 時，蘑菇亭首先起爆，由于蘑菇亭底部還有一定支撐能力，重心未明顯偏出底部截面抵抗力矩，未發(fā)生明顯傾斜位移。2s 時，一區(qū)爆破立柱起爆，主爆破切口開始形成，結構進行內力重分布，大樓主體仍保持一定的穩(wěn)定性，二層東側樓板產生松動，下沉效果不明顯。3s 時，三區(qū)立柱已經起爆，東西側連接部位開始出現裂縫，樓板受拉破壞斷裂，橫梁與立柱連接處受力較大，東側結構開始有下沉跡象。4s 時，爆破切口完全形成，底層立柱在上部結構沖擊作用下開始破壞斷裂，西側結構產生明顯扭曲，大樓整體有明顯東向傾倒跡象。6.4s 時，大樓東向傾倒的趨勢已經確定，西側結構已經完全破壞，東側結構底部破壞，上部仍在變形破壞；蘑菇亭底部與頂層樓板完全分離，隨著蘑菇亭撞擊頂層框架梁柱，蘑菇亭中間部位斷裂。t=7.64s 時，蘑菇亭完全觸地，由于底層的緩沖作用，蘑菇亭尚有一定的完整度，大樓基本解體破壞，爆堆高度進一步壓縮降低。

圖2 倒塌過程數值模擬結果

與相同時刻的實際倒塌過程圖3 進行對比，可以看出數值仿真結果與實際過程比較吻合，結構的破壞形態(tài)一致。

圖3 實際倒塌過程

3.2 結果分析 ①節(jié)點位移。A 節(jié)點為七層樓頂112174 號節(jié)點，B 節(jié)點為九層樓頂112172 號節(jié)點，C 節(jié)點為十二層樓頂87261 號節(jié)點，D 節(jié)點為蘑菇亭頂部220614號節(jié)點。由圖4 位移時間曲線，可以明顯看出，節(jié)點位移距離最大的是十二層頂部節(jié)點C，遠遠大于蘑菇亭頂部節(jié)點D 的位移距離，D 點位移距離為10m，證明蘑菇亭反向傾倒切口產生了微折疊效果，有效縮短倒塌距離。②節(jié)點速度。A 節(jié)點為蘑菇亭頂部220631 號節(jié)點，B 節(jié)點為十二層樓頂73813 號節(jié)點，C 節(jié)點為七層樓頂24248 號節(jié)點。如圖5 所示，蘑菇亭頂部節(jié)點A 是豎直方向上最高的節(jié)點，在7.2s 時運動速度最快，為22.7m/s，各節(jié)點在8s 時速度趨于穩(wěn)定，從開始運動到基本穩(wěn)定，歷時5s，說明大樓倒塌的持續(xù)過程較短，爆破解體過程更加緊湊。③地面振動。選擇地面節(jié)點A 編號961538，節(jié)點B 編號963922。由圖6可知，地面振動發(fā)生于起爆之后4s 左右，即主爆破切口完全形成，切口上部結構開始觸地時，峰值出現在7.4s，此時大樓整體傾倒運動速度達到峰值，由此產生觸地振動效應也最大，振動速度峰值為1.27cm/s。圖7 為實際爆破工程振動波形圖，可以看出，振動產生時間較早，峰值為0.91cm/s，比數值仿真結果略小。由于現場炸藥爆炸時會產生振動，通過梁柱等結構傳到到地面，導致振動提前；地面仿真材料類型、地面硬化、現場減振措施等，影響傳導效果，減小了觸地振動?？傮w來看，地面振動的仿真結果與實際工程比較一致，通過仿真計算，能夠預先了解觸地振動數據，從而更好作出并完善相應的減振措施。

圖4 位移-時間曲線

圖5 速度-時間曲線

圖6 地面振動

圖7 振動波形圖

4 結論

①大樓主體的實際倒塌過程與形態(tài)和數值仿真結果有較高的一致性，均從第五榀框架和第六榀框架之間產生撕裂破壞，東側結構下沉，西側結構受拉破壞，整體樓房產生東向傾倒效果，說明通過仿真模型能夠預測倒塌過程及形態(tài)。②第二層開設切口，減小了狹窄場地的負面影響，同時起到了減振緩沖作用，觸地速度和地面振動有效降低，減少二次工程量。③利用雙向微折疊爆破拆除技術，控制建筑倒塌范圍，縮短爆堆長度，降低飛石距離和振動速度，保障人民生命財產安全。