洪勇，于明亮，李越，郝光亮，喻智
(广东爆破工程有限公司，广东 广州 510700)
中山市御苑酒店位于中山市南头镇，框架结构16 层，建筑高度63.2 m，主楼长45 m，宽15 m，大楼原用途为酒店，楼层高，立柱大，最大立柱尺寸1100 mm×1100 mm，钢筋密布，建筑结构强度高,南面有5 层裙楼。酒店主楼一层、二层、三层每层有24 根立柱，酒店主楼E 排中部和左侧分别有一处电梯井，中间位置电梯井截面尺寸为4.68m×2.5 m，左侧电梯井截面尺寸为2.5m×2.5 m，剪力墙部分尺寸为250 mm×700 mm，由于规划变化，须将其拆除。周边环境非常复杂，如图1 所示。
图1 周边环境示意
2.1 爆破方案
待拆楼房北面有一块长为215 m 的空地可供倒塌。
依据现场环境，并综合考虑技术可行和经济效益，采用“向北方向单向定向倒塌”方案。在爆破之前将5 层裙楼机械拆除，拆除后1～3 层的平面图如图2 所示。
图2 主楼楼层结构（单位:mm）
2.2 预处理
（1）主楼墙体拆除。主楼爆破中需要预处理的主要有砖墙、隔断、门窗、楼梯以及电梯井墙体，首先采用长臂液压镐头机进入大楼内部，拆除砖墙、隔断、门窗、楼梯以及电梯井剪力墙及普通墙体等墙体，只保留立柱。将每段楼梯破开两个踏步，保留钢筋供施工人员上下楼，处理原则：楼梯处理层数比切口高1 层，即切口部位炸3 层，楼梯处理至第4 层。楼梯预处理方式如图3 所示。
图3 楼梯预处理方式
电梯井的承重墙预处理原则为变墙为柱，即在承重墙的中下部人工凿一个高2.5 m、宽1.5 m 的拱形，拱形结构具有受力均匀、承载能力强等优点。
（2）裙楼拆除。5 层的裙楼高度为19.4 m，采用长臂液压镐头机进行拆除，每次拆除两跨立柱为一循环：裙楼与主楼连接处的横梁→裙楼外部立柱→裙楼内部立柱→单循环拆除完毕。
2.3 切口设计
当拆除爆破倒塌模式确定了以后，为使该框架结构楼房按预定方向顺利倾倒，必须满足以下两个条件：一是通过爆破作用使预定倾倒方向一侧立柱等结构的混凝土脱离柱内配筋，在爆破切口内形成钢筋骨架；
二是通过爆破使得与预定倾倒方向相反的一侧立柱底部形成铰链。在倾倒一侧形成的钢筋骨架所受的载荷若大于其极限抗压强度，则钢筋骨架会被压弯发生塑性变形而导致骨架失稳破坏，从而导致整个框架结构的失稳[1]。综上所述，钢筋混凝土框架结构建筑物倾倒失稳的条件判据可以转化为压杆失稳问题的讨论，其核心是在一定载荷作用下压杆失稳临界高度的确定，即承重立柱爆高的确定。目前使用较多的最小爆高计算公式主要有以下几种。
方法一：经验计算公式。在大量工程实践和长期总结归纳的基础上，爆破工程技术人员总结出了简单实用的经验公式[2]：
式中，H1为爆破缺口高度；
Hmin为使建筑物失稳的最小爆破高度；
B为立柱截面边长，矩形截面取长边；
K为经验系数，取值1.5～2.0；
d为立柱内部纵向钢筋直径。
方法二：上端自由下端固定压杆。将立柱爆破后裸露出的钢筋网视为单根主筋，将该主筋等效为上端自由、下端固定的压杆[3]，如图4（a）所示，则最小爆破高度计算公式为：
式中，P为等效主筋所受载荷；
EI为等效主筋的抗弯刚度；
H2为裸露钢筋的长度即最小爆破高度。
方法三：上下端固定压杆。将立柱爆破后裸露出的钢筋网视为单根主筋，将主筋等效为两端均固定的压杆[4]，如图4（b）所示，则最小爆破高度计算公式为：
图4 爆高计算模型
式中，H3为裸露钢筋长度，即最小爆破高度，其它各字母符号所代表意义与上式相同。
方法四：切口高度H4应满足使竖向配筋稳定性破坏的条件[5]：
式中，[λ]为钢结构设计规范所规定的长细比，取[λ]=150；
μ为轴心压杆计算长度系数，刚度固定时μ=0.5。
被拆建筑物最大立柱尺寸 1100 mm×1100 mm；
质量为9831 t，共16 层，经过预处理后剩余三排立柱承重，E排共有10 根立柱，可计算得到每根立柱所受轴向荷载为2662 kN，取配筋最大的Z12进行计算（配有4 根Φ22 mm、16 根Φ20 mm 竖筋），得到等效竖筋半径D为45.7 mm，则等效竖筋的惯性矩代入公式I=πD4/64 计算得到214 102.57 mm4，竖筋弹性模量取200 kN/mm2，代入各计算公式计算得到的最小爆破切口高度见表1。
表1 最小切口高度不同公式计算结果
通过对比表1 数据可知，使该框架结构楼房失稳的最小切口高度为0.66～3.18 m 之间，其中方法三计算结果为方法二的4 倍、为方法一和方法四的2～3 倍，偏差较大，故舍弃方法三数据，取最小切口高度为0.7～1.7 m。
2.4 几何计算破坏高度
在建（构）筑物爆破切口形成以后，结构内产生一个倾覆力矩使结构失稳倾倒，顺利完成切口闭合阶段后，为了保证建（构）筑物继续按爆破设计预定的倾倒方向倒塌，在切口闭合时结构的重心应该处于切口闭合点的外侧，如图5 所示。
图5 爆破切口闭合示意
从图中可看出，楼房倒塌方向宽度为L，爆破切口高度为h，建筑物重心为O，其高度为HO，O1为切口闭合时重心的位置，G为建筑物自身所受重力，爆破切口的高度应满足公式（6）[6]：
代入数据计算得到h为4.45 m。
通过大量的框架结构楼房爆破拆除倾倒过程视频的研究发现，在倾倒方向反向第一排立柱起爆形成塑性铰后，爆破切口才会闭合。故在不发生后座的情况下，爆破切口闭合时图5 中的P点应为最后一排立柱爆破缺口上部点，所以爆破缺口高度H=h+h1，h1为最后一排立柱爆破高度。该楼房C排要求爆破之后形成铰链，其破坏高度H=（1.0～1.2）B，B指立柱截面边长，矩形截面取长边。结合实际情况，C排炸高设计为1.2 m。故爆破切口高度应大于5.7 m 才能保证在爆破切口闭合时楼房重心处于闭合点以外。
综合经验公式与几何计算公式设计：取爆破切口高度为7.5 m、切口倾角为23°，以确保按倾倒方向倒塌。
目前延期爆破技术已经广泛运用于拆除起爆网络[7]，因此需要研究不同排立柱在不同延时起爆的过程中楼房梁、柱的受力情况和承载能力，对预判楼房倒塌过程和避免事故发生有着重要的意义[8]。采用排间微差起爆网络时，起爆过程中先起爆前排立柱，在后排立柱还未起爆前，未起爆立柱的抗压强度低于实际压力时，会发生后坐现象。起爆过程中若梁的抗剪强度大于其所受的剪力，则楼房在起爆过程中就不会发生竖向剪切破坏。框架结构楼房由于结构规则，受力均匀，故可以提取一榀框架进行受力计算。
3.1 梁、柱承载能力计算
通过建筑物图纸和资料，以建筑物的配筋、混凝土型号和梁、柱、墙等各结构的尺寸为依据，计算出爆破切口上部结构所受重力G的大小[9]；
依据公式（7）计算出框架柱轴向受压最大承载能力Nu，通过比较上部荷载和立柱轴向最大承载能力Nu，即可对爆破切口形成过程中建筑物是否发生后坐作出判断。
式中，fc为混凝土抗压强度设计值；
为立柱内纵向钢筋抗压强度设计值；
A为立柱横截面面积；
为单个立柱内全部纵向钢筋横截面面积之和；
φ为钢筋混凝土轴心受压稳定性系数。
框架结构楼房的梁截面较小，且剪跨比大，在楼房爆破拆除倾倒过程中梁结构的破坏形式主要为斜拉剪切破坏，破坏过程有变形小、速度快的脆性性质。梁截面受剪切力的承载能力可由公式（8）计算得到。
式中：FV为梁截面抗剪承载力；
ft为混凝土抗拉强度；
b为截面宽度；
h0为截面有效高度（去除保护层厚度）；
fyV为箍筋抗拉强度；
Asy为箍筋总面积；
S为箍筋间距。
3.2 起爆过程中梁、柱受力计算
由于框架结构楼房爆破拆除起爆过程一般为同排立柱同时起爆，所以每一榀框架会发生基本一致的形变和位移。为简化计算，单独对一榀框架进行受力计算，可以对整个楼房的破坏过程进行预判。待拆建筑物在南北方向共有5 排立柱，南侧2排立柱为五层裙楼的结构，在爆破前已经被机械拆除。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，可以将平面框架简化为简支梁结构模型，如图6 所示。
图6 受力模型
通过静力平衡的条件求得第二排立柱的支撑力RB和第三排立柱的拉力RC：
通过静力平衡的条件对剪力FV和弯矩M进行计算，可计算得到梁结构任意截面所受的剪力和弯矩，假设梁结构上某一点与支座D的距离为X，则：
当X处在BC 段截面，即0≤X≤L1时，
当X在AB 段截面内，即L1≤X≤L2+L1时，
提取待拆建筑物从东向西11.4 m 处的一榀框架进行计算，D排柱Z8 断面为1000 mm×1000 mm，竖筋总面积为7850 mm2，混凝土轴心压杆稳定性系数取 0.98，C30 混凝土抗压强度取 30 MPa[10]，抗拉强度取1.43 N/mm2。梁截面宽度为240 mm，高度为600 mm，箍筋抗拉强度为300 MPa，箍筋为两圈Φ8 mm、总面积为201 mm2，箍筋间距为100 mm。经过计算发现在支座B所受压力最大，梁B点处所受剪力最大，结果见表2。
表2 承载力和最大受力计算结果/kN
由表2 可知，在第一排立柱起爆后，第二排立柱抗压承载力大于其所受的最大轴向力[10]，故在起爆过程中楼房不会发生后坐。框架梁的抗剪强度小于其在起爆过程中所受的剪力，故在楼房起爆倾倒过程中楼房会发生竖向剪切破坏。在倒塌过程中建筑物发生竖向剪切破坏可缩短倒塌距离[11]。
在该框架结构楼房实施爆破拆除过程中，楼房按照预定的向北方向顺利倒塌，倾倒过程中未发生后坐，梁结构有竖向剪切破坏现象，与理论计算结果一致。建筑物结构倒塌后触地振动在规程允许的范围内[12]，没有对周围建筑物产生影响，未产生飞溅距离超过15 m 的爆破飞石，触地飞溅物也在严格的控制范围内，本次爆破设计合理，施工精细，取得了良好的爆破效果。
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