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第35卷 第3期 2018年9月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 3 Sep. 2018 doi10. 3963／ j. issn. 1001 -487X. 2018. 03. 015 复杂环境下框剪结构烂尾楼定向爆破拆除* 贾永胜， 黄小武， 王 威， 王洪刚， 姚颖康， 刘昌邦 （ 武汉爆破有限公司， 武汉430023） 摘 要 根据框架-剪力墙结构烂尾楼的结构特点， 以及周边环境情况， 采取“Ⅰ区、Ⅱ区依次向东定向倒 塌”的总体爆破方案。由于倒塌空间有限， 为减小大楼的倒塌距离， 将Ⅰ区的爆破切口提高至5层，Ⅱ区延迟 Ⅰ区460 ms起爆。运用LS-DYNA动力学有限元软件， 验证了爆破总体方案的合理性， 计算得到的倒塌运动 过程和堆积形态与实际效果比较吻合。结合现场踏勘情况， 对大楼的爆破倒塌效果进行了详细分析， 结果表 明 采用“分区间隔延时”爆破拆除框剪结构大楼时， 合理的爆破切口高度和延期时间是关键； 在定向倒塌方 案中， 为降低爆堆高度， 需要对梁结构进行爆破弱化处理。 关键词 框剪结构；爆破拆除；数值模拟；倒塌效果 中图分类号 TU746. 5 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X（2018）03 -0092 -06 Directional Demolition Blasting of Unfinished Building in Complex Situation JIA Yong-sheng，HUANG Xiao-wu，WANG Wei，WANG Hong-gang，YAO Ying-kang，LIU Chang-bang （Wuhan Explosion ＆ Blasting Co Ltd，Wuhan 430023，China） Abstract According to surroundings and structure characteristics of the unfinished building with frame-shear structure to be demolished was divided into area Ⅰ and area Ⅱ. The blasting directional demolition scheme was that Ⅰ area and Ⅱ area would be collapsed to east direction in turn. Due to limited space and in order to reduce the length of blasting pile，blasting area of area Ⅰ was raised to the fifth floor，and delay time between the two areas was set 460 ms. The feasibility of the design project is verified by numerical simulation with LS-DYNA. After blasting，ac- cording to the blasting effect，a conclusion could be drawn that the simulation result of collapse process and shape of blasting pile agreed well with the actual blasting effect. And the results also showed that when demolishing frame- shear structure using ＂ subarea delay time＂ demolition blasting ，the height of blasting area and delay time were the key points. In order to reduce the blasting pile height with directional collapse ，the beam structure should be weaken at first. Key words frame-shear structure；explosive demolition；numerical simulation；collapse effect 收稿日期2018 -03 -27 作者简介贾永胜（1970 -） ， 男， 博士， 教授级高工， 从事工程爆破的 研究与实践工作， （E-mail）jason03566＠163. com。 基金项目住房和城乡建设部科学技术计划项目（2017-k5-005） ； 武 汉市创新人才开发资金资助项目 1 工程概况 1. 1 周边环境 武汉原新能酒店烂尾楼为1栋10层框架结构 主楼和2 ～3层裙楼组成， 长70. 5 m， 总宽67. 5 m， 高42. 0 m， 总建筑面积20 396 m2。大楼位于武汉市 经济技术开发区东风大道和沌阳大道交汇处东北 侧，东风大道与立业路之间。东侧距离围墙 29. 2 m， 距离立业路32. 8 m， 南侧为建筑工地； 西侧 距离变电站16. 6 m， 距离东风大道高架桥上桥匝道 23.9 m， 距离东风大道高架桥主桥33. 2 m； 北侧为 中交二公院新建科研综合大楼项目施工工地， 距离 万方数据 施工场地8. 0 m。烂尾楼周边地上结构环境， 如图1 所示。大楼与东侧立业路和西侧东风大道的距离十 分有限， 需要严格控制爆堆的堆积范围。 烂尾楼东、 西两侧道路下分布有电缆沟、 供水 管、 天然气管道以及地铁3号线等市政设施及地下 管网，东侧距电缆沟29. 8 m（10 kV） ，距供水管 32. 5 m， 距天然气管道42. 1 m（φ 250 PE，埋深 1. 5 m） ； 西侧距电缆沟7. 7 m（10 kV） ，距供水管 14. 1 m，距地铁3号线17. 1 m（φ 6. 0 m，埋深 6. 6 m） ， 烂尾楼周边地下结构设施和管线， 如图1 所示。东侧天然气管道和西侧轨道交通3号线地铁 盾构隧道对振动敏感， 安全风险高， 爆破拆除需要严 格控制楼体倒塌时的触地振动。 图1 周边环境图（ 单位m） Fig. 1 Sketch of Surroundings（unitm） 1. 2 大楼结构 烂尾楼主楼为框架结构，平面呈“L”型，长 53. 4 m， 宽37. 9 m， 高42. 0 m， 主楼由一条变形缝 （ 宽度为9 cm）划分为独立的东、 西两部分， 东侧部 分简称Ⅰ区， 西侧部分简称Ⅱ区。主楼设有3个楼 梯，3个电梯井， 电梯井及楼梯部分为剪力墙， 厚度 为25 cm。裙楼为2 ～3层框架结构， 被数条变形缝 分割为相对独立的3部分。楼板为现浇板， 厚度为 10 cm。立柱尺寸主要为500 mm 800 mm、800 mm 800 mm和1000 mm 1000 mm。主梁的尺寸为 450 mm 600 mm， 烂尾楼结构如图2所示。 2 爆破方案 结合烂尾楼的周边环境和结构特征， 为满足爆 39第35卷 第3期 贾永胜， 黄小武， 王 威， 等 复杂环境下框剪结构烂尾楼定向爆破拆除 万方数据 破效果， 确保保护目标的安全， 拟采用“裙楼机械拆 除、 主楼爆破拆除”的总体方案[ 1-3]。其中， 主楼采 用“Ⅰ区、Ⅱ区依次向东定向倒塌”的总体爆破 方案。 图2 楼房平面图（ 单位mm） Fig. 2 Schematic sketch of floor plan（unitmm） 依据初弯曲压杆失稳模型计算公式[ 4，5]， 结合 类似工程经验[ 6-9]，本次立柱破坏高度取 0. 6 ～ 2. 4 m。 为保证院墙和院墙外各类市政管线的安全， 提高待爆楼房的爆破高度， 爆破切口布置在第一层 至第五层。此外， 考虑到Ⅱ区顺着Ⅰ区倒塌的方向 倾倒， 并压在Ⅰ区的爆堆上， 会导致Ⅱ区解体不充 分。为改善爆破效果， 根据楼房倒塌触地后“梁柱 转换” 的思路， 选择在Ⅱ区的第6层～第10层前两 跨之间的梁上钻2 ～3个炮孔进行爆破， 削弱Ⅱ区的 整体刚度， 确保Ⅱ区倒塌触地后充分解体。爆破切 口如图3所示。 对于宽度小于600 mm的立柱采用单排布孔， 剪力墙和600 mm以上的立柱采用梅花形布孔， 综 合采用连续装药和空气间隔装药结构。根据现场的 试爆效果，1 ～3楼立柱和剪力墙的炸药单耗控制在 1500 ～3000 g／ m3，3楼以上立柱和剪力墙的炸药单 耗根据楼层高度依次减小20％。 根据总体爆破方案， 为确保起爆网路的安全准 爆， 采用非电导爆管雷管接力延时起爆网路。待爆 楼房所有立柱、 剪力墙孔内均装非电导爆管雷管 MS19（1700 ms） 。Ⅰ区三排立柱之间延时310ms， Ⅱ区四排立柱之间延时310 ms，Ⅱ区延迟Ⅰ区 460 ms起爆， 剪力墙和梁上的炮孔， 就近与相邻的立 柱同时起爆， 楼层之间不设时差。 图3 爆破切口图（ 单位mm） Fig. 3 Sketch of blasting cut（untmm） 3 安全防护措施 经过理论计算， 在没有安全防护措施的情况下， 49爆 破 2018年9月 万方数据 待爆楼房塌落所产生的触地振动， 诱发周边保护对 象质点振动速度峰值均未超过爆破安全规程 （GB67222014） 和相关行业标准所规定的安全允 许值， 能够保证保护目标的安全。为进一步降低结 构塌落时的触地冲击振动效应， 确保临近天然气、 供 水管等市政管道的绝对安全， 施工时采取以下降振 措施 （1） 预拆除楼房内部填充墙， 并削弱剪力墙； 同 时， 设置排间时差， 立柱逐排爆破， 降低楼体单次倒 塌触地的重量。 （2） 在楼体塌落前方开挖1. 5 m深的减震沟， 并在触地中心堆筑缓冲墙， 减小楼体塌落触地的冲 击力。 （3） 在管沟上方铺设一层沙袋， 防止个别飞散 物击穿盖板， 破坏管线。见表1、 图4。 表1 起爆延期时间表（单位ms） Table 1 Delay time of blasting（unitms） 楼层轴号 J Ⅰ区 LMN Ⅱ区 OSU 1 ～5层 孔外03106201080 1390 1700 2010 孔内1700 2010 2320 2780 3090 3400 3710 注 表中孔内时间表示孔内雷管起爆时刻。 图4 安全防护措施 Fig. 4 Safety measures 4 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， 即综合考虑混凝土和钢筋两种材料的力 学性能差异。混凝土单元选用SOLID164六面体实 体单元，MAT96材料模型（*MAT_BRITTLE_DAM- AGE） [10]； 该本构关系描述的是各向异性脆性损伤 材料模型， 能够有效地模拟混凝土的力学特征及响 应[ 11]。钢筋单元选用 BEAM161线型梁单元， 动态 弹塑性材料模型（*MAT_PLASTIC_KINEMATIC） 。 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， 在参数设置时将混凝土的屈服强度提高30％。 为节省计算时间， 建模时忽略建筑的楼板和墙体， 把 对应质量等效到混凝土立柱。楼体的网格尺寸设为 20 cm，整个模型单元数为175434，节点数为 379521。 数值模拟结果表明， 大楼可以按照设计方向顺 利倒塌。整个倒塌触地过程历时约6. 0 s， 爆堆长 64. 4 m， 宽58. 3 m， 最大高度为8. 3 m， 爆堆距离院 墙10. 3 m。Ⅰ区整体解体效果较好， 与Ⅱ区重叠的 区域， 由于两者碰撞挤压， 解体更为充分。Ⅱ区～ ，～轴之间， 采取了炸梁弱化刚度处理， 爆破 解体效果有明显改善。相比之下，～轴之间， 由于没有对梁进行处理， 整体仍呈现完整的框架姿 态。相比动态弹塑性材料模型， 选用*MAT96号模 型模拟混凝土材料（物理力学参数见表2） ， 其破碎 解体效果更为逼真。见图5、 图6。 表2 *MAT96号材料模型物理力学参数 Table 2 Physical and mechanics parameters of material model *MAT96 密度 ρ／ （kgm -1） 弹性模量 E／ GPa 泊松比v 抗拉极限 fn／ MPa 剪切极限 fs／ MPa 断裂韧性gc／ （MNm -3／2） 剪力传递 系数β 2500330GPa0. 173. 514. 50. 80. 03 5 爆破效果评价 烂尾楼的整体结构按照爆破设计方向顺利倒 塌， 圆满完成项目任务。爆破结束后， 根据现场踏勘 情况，Ⅰ区倒塌解体破碎效果较好，Ⅱ区楼体倒塌后 堆叠在Ⅰ区爆堆上，～轴之间6 ～10层楼体解 59第35卷 第3期 贾永胜， 黄小武， 王 威， 等 复杂环境下框剪结构烂尾楼定向爆破拆除 万方数据 体不彻底， 还保持着部分框架结构。Ⅱ区楼体倒塌 过程中，～轴起到了一定的支撑作用， 后排未 出现明显后坐现象。经现场测量，整个爆堆长 66. 5 m， 宽58. 4 m， 高8. 5 m， 爆堆头部按照设计砸 在缓冲层上， 院墙完好无损。 图5 大楼失稳倒塌运动过程 Fig. 5 Collapse process of the building 图6 爆堆形态及尺寸 Fig. 6 and size of blasting muck pile 经第三方安全监测， 临近的轨道交通3号线轨 面的振动速度峰值为1. 85 cm／ s， 主频为2. 2 Hz， 振 动数据在 爆破安全规程（GB67222014）允许的 安全范围之内； 同时， 轨面也没有水平和竖直位移变 化。爆破后， 烂尾楼周边交通迅速恢复正常， 东、 西 两侧道路下分布的电缆沟、 供水管、 天然气管道等市 政管网， 以及地铁3号线盾构隧道的运营安全未受 到影响。见图7。 图7 大楼爆破拆除倒塌效果图 Fig. 7 Collapse effect of demolition blasting 6 结论 城市建（ 构）筑物爆破拆除逐渐趋于规模大型 化、 结构多样化和环境复杂化， 爆破拆除工作的挑战 性越来越强。结合武汉原新能酒店烂尾楼爆破拆除 工程实践， 得到如下结论， 可供类似工程参考 （1） 在爆破对象周边倒塌空间受限的情况下， 适当提高爆破切口高度， 并对局部梁体进行爆破弱 化处理， 可缩小倒塌范围， 提高解体效果。 （2） 大楼多个独立的分区在同向倒塌运动过程 中，0. 5 s左右的延期时差可以满足先后运动的需 求， 避免相互影响。 （3） 运用LS-DYNA动力学有限元软件， 演算大 楼失稳倒塌的运动姿态和最终的爆堆形态，选用 *MAT96号模型模拟混凝土材料， 其解体破碎效果 更加逼真。 69爆 破 2018年9月 万方数据 参考文献（References） [1] 谢先启.精细爆破[M].武汉 华中科技大学出版社， 2010. 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