高层框架剪力墙结构厂房爆破拆除

高层框架剪力墙结构厂房爆破拆除

1现场调查了现楼和现楼两面开放27.2007年12月4日上午4:30，保定市某酒店发生了爆炸爆炸。爆炸的整体效果是良好的。从实际堆放情况来看，爆炸是圆功产生的。爆炸后，结构完全解体，房屋被躺在预定的位置，充分利用了有效空间。基本上没有后部和飞石。它对环境和天然气管道、管道、板岩等保护目标没有产生负面影响，符合设计要求。但是,从倒塌过程中的录像观察到,楼房在起爆约1s后,在南北向第4跨后部(第5排立柱处)从中间自下而上出现明显的突然断裂,然后楼房在稍微停顿后继续向北侧预定方向倒塌,爆后观察后部有4~8层楼房的最后一排立柱整体性地竖直依靠在楼房南侧,倒塌过程及倒塌后南侧效果见图1、图2。本文针对这些情况进行了分析和研究,从建筑力学角度探讨了出现这些情况的原因。2项目施工和技术配置2.1大跨门墙结构及范围待拆除的酒店为框架剪力墙结构,呈“井”字形布局,高18层,地面以上16层,地面以下2层;自然地平以上高约48m,主楼体东西长32m,南北宽27m;从北向南共设6排立柱,第1排和第6排,每排7根0.7m×0.7m立柱,第2排和第5排,每排9根0.7m×0.7m立柱,第3排和第4排,每排4根0.7m×0.7m立柱,共计40根立柱。在“井”字的中间部分设有楼梯间、设备间和三部电梯间,墙体为剪力墙;楼板为钢筋混凝土现浇板,大部分隔墙为剪力墙,爆破工程量约为13824m2。待拆楼体北侧距地下燃气管线48m,距东风中路广告牌53m,距地下水管55m;南侧距待拆办公楼26m;西侧距朝阳南路广告牌42.8m,距地下燃气管线45m;东侧距大世界批发市场30m,距地下水管35m,距工商银行大楼43m,周围环境符合向北定向倒塌的条件。2.2向北定向倒塌控制方案根据周围环境和工期要求,采用人工、机械预先拆除副楼楼体,获得较有利的倒塌空间和倒塌条件,然后采用控制爆破技术将大楼向北定向倾倒爆破拆除。钢筋混凝土立柱和剪力墙是待爆楼房承重及稳定的主要构件,因此,将爆破切口范围内的立柱和剪力墙一定高度的混凝土充分破坏,使大楼在上部荷载作用下失稳而倒塌。根据现场环境条件,拟采用以下措施实现向北定向倒塌的控制爆破方案。(1)根据待拆楼体高度和倒塌空间,为保证北侧48m处地下燃气管道的安全,必须严格控制大楼的坍散范围和倒塌距离,故将爆破切口提高至4层起炸,使大楼的倒塌距离减小12m。(2)爆破切口提高以后,使大楼的高宽比1.77(48:27)降为1.33(36:27),常规的爆破切口已经不能保证大楼彻底倾覆,为此,将爆破切口的转铰点由第6排立柱移至第5排,使大楼的宽高比提高至1.85(36:19.5),有利于定向倾倒。(3)转铰点移至第5排立柱以后,必须确保5、6排立柱之间的第5跨随大楼整体塌落,并防止对大楼的整体塌落产生不利影响。故需采取以下措施提高可靠性:一是对4层第5排立柱的转铰点实施偏炸措施;二是切断第6排立柱外侧钢筋,以减小楼体倾倒时的拉力;三是拆除4层5、6排立柱之间的部分剪力墙和隔墙,减小大楼倾倒阻力。2.3爆炸试验设计根据待拆楼体高度和倒塌空间,为达到更好的爆破效果,确保周围建筑物和设施的安全,在4~7层进行爆破,形成爆破切口,切口形状见图3。2.4剪力墙预处理(1)在液压破碎锤能够作业的地方,用该锤将爆破切口内4、5、6层部分剪力墙进行预处理。(2)用风镐将爆破切口内其余剪力墙进行预处理。(3)将电梯井、楼梯及设备间的剪力墙进行预处理。(4)将爆破切口内的楼梯进行预处理,将每段楼梯上、下台阶各切开一个踏步,去掉混凝土,保留钢筋。2.5立柱和牛毛柱北侧第1、2排立柱,4、5、6层,每柱上布8个孔,7层每柱布4个孔;第3排立柱,4、5层,每柱上布8个孔,6层布4个孔;第4排立柱,4层每柱上布8个孔,5层每个柱子布4个孔;第5排立柱,4层每柱上布1个孔(偏眼);第6排立柱,在4层外侧靠近地板处进行剥离,割断露出钢筋。为减少施爆强度及确保满足建筑物的失稳条件,4至6层立柱均按“三段铰”形式钻孔布药施爆,7层前两排立柱布设4孔,其余不布孔。2.6成立爆破分区爆破参数在此不进行详细介绍,根据爆破时的观察,炸药爆炸能充分使钢筋混凝土解体。每个时区在竖向上设25ms微差延时,即4层首先起爆,5层及以上楼层滞后25ms起爆,爆破分区平面示意图见图4。图中实线表示剪力墙,虚线表示非剪力墙。2.7安装梁端钢筋(1)4层第5排立柱的转铰点没有实施偏炸措施;(2)4层第6排共切除5根立柱外侧钢筋,余2根立柱钢筋未切除;(3)爆破前爆破切口内4、5、6层第5排立柱向北的剪力墙、楼梯、电梯井已全部进行了预处理,仅留下了立柱。3脉冲臂和梁在爆炸后立即的承载量计算3.1抗压强度设计值立柱尺寸700mm×700mm,层高2.9m,混凝土为C35,纵向钢筋为12根∅32mm的HRB335钢筋。8~16层质量G1=(26.4m×31.2m-4×7.5m×3.9m)×9层×1.2t/m2=7729.344t;7层质量G2=(7.6m+7.5m)×31.2m×1.2t/m2=565.344t。Nu=0.9φ(fcA+f′yA′s)(1)式中φ——钢筋混凝土轴心受压构件的稳定系数,取1.0;fc——抗压强度设计值,取16.7N/mm2;f′y——纵向钢筋抗压强度设计值,取300N/mm2;A——构件截面面积,mm2;A′s——全部纵向钢筋的截面面积,mm2。计算得到单个立柱的受压承载力Nu=9970.4kN。爆破缺口形成后,最后两排立柱共余16根立柱,其可承载力为∑Nu=159527.4kN>M=81287.9kN。故爆破缺口形成后,余下立柱的支撑力能保证楼房不产生后坐。3.2楼地面荷载的构成图5是对楼房进行预处理和爆破缺口形成后的结果,根据建筑力学的原理,绘制了经简化处理后南北向梁的受力图(图6),其中楼房质量按楼房平面平均分布计算,按北为右方向,楼房南北梁均匀负重,简化为一根简支梁结构,8~16层楼房在梁上L1、L2、L3段形成均匀分布的载荷q1,7层楼房在梁上L1、L2段形成均匀分布的载荷q2。8~16层重力分布在梁上均布荷载q1=G1/L=292.78t,7层重力分布在梁上均布荷载q2=G2/(L1+L2)=37.44t。3.2.1采用静力平衡条件，抗支撑反作用力求得RA=5881.8t,RB=14172.8t。3.2.2两个特征点AB、BC、CD段受均布荷载的作用,其剪力图应为斜直线,寻找两个特征点即可以确定这条直线,其弯矩图为向下凸起的抛物线,可寻找三个特征点确定此抛物线。支座B位置,支座反力相当于一个集中荷载,剪力值会出现突变,因RB向上,弯矩图会出现向上尖突。3.2.3实际建筑物内内力计算求得:A截面:FA=-5881.8t,MA=0。B截面:FB左=-8358t,FB右=5813t,MB=53401.2t·m。C截面:FC左=3304.6t,FC右=3304.6t,MC=18749t·m。D截面:FD=0,MD=0。以上结果是在9层楼房和4根(B点左侧7根,C点右侧7根)南北纵向梁的基础上计算而得,由前面假设,可得到实际建筑物中简化为一根南北向矩形梁的内力:A截面:FA=-914.9kN,MA=0。B截面:FB左=-1300.1kN,FB右=1582.7kN,MB左=8306.9kN·m,MB右=14537.3kN·m。C截面:FC左=899.64kN,FC右=514.0kN,MC左=2916.5kN·m,MC右=5103.8kN·m。D截面:FD=0,MD=0。根据计算结果,绘制简化梁的剪力(F)图和弯矩(M)图,见图7、图8。3.3级钢筋已知梁截面尺寸b×h=300mm×600mm,纵向上部受压钢筋为2∅16mm的HRB335钢筋(即Ⅱ级钢筋),下部受拉钢筋为4∅25mm的HRB335钢筋,采用的是C35混凝土,箍筋为∅8mm的HRB235钢筋(即Ⅰ级钢筋),同一截面内箍筋支数为2,沿构件方向箍筋间距300mm。3.3.1fc—受弯构件(梁)正截面承载力计算由公式α1fcbx+f′yA′s=fyAs,求得x=93.5mm;x<ξbh0=0.55×562.5=309.4mm,x>2α′s=70mm,满足矩形截面受弯构件正截面承载力计算公式的适用条件。Μu=α1fcbx(h0-x2)+f′yA′s(h0-α′s)(2)Mu=α1fcbx(h0−x2)+f′yA′s(h0−α′s)(2)式中fc——混凝土轴心抗压强度设计值,取16.7N/mm2;ξb——界限相对受压区高度,取0.55;α1——系数(受压区混凝土矩形应力图的应力值,与混凝土轴心抗压强度设计值的比值),取1.0;fy——普通钢筋抗拉强度设计值,取fy=f′y=300N/mm2;As——受拉区纵向钢筋的截面面积,计算得1963.5mm2;A′s——受压区纵向钢筋的截面面积,计算得402.1mm2;α′s——纵向受压钢筋合力点至截面近边的距离,受压钢筋为一层,则α′s=35mm;h0——截面有效高度,h0=600-37.5=563.5mm。计算得梁的最大抗弯承载力矩Mu=397228485.4N·mm=397.2kN·m3.3.2s—剪力墙的正截面承载力计算Mu=fyAs(h0-α′s)式中fy——普通钢筋抗拉强度设计值,取fy=210N/mm2;As——受拉区纵向钢筋的截面面积,计算得1470.3mm2;α′s——纵向受压钢筋合力点至截面近边的距离,取α′s=300mm;h0——截面有效高度,h0=2900-200=2700mm。计算得剪力墙的最大抗弯承载力矩Mu=710138157.7N·mm=710.1kN·m。3.4斜拉破坏发生快由于梁截面较小,剪力很大,剪跨比大于3,梁容易发生的是斜拉破坏,当竖直裂缝一出现,就迅速向受压区斜向扩展,斜截面承载力随之丧失,破坏过程急骤,破坏前梁变形小,具有很明显的脆性。3.4.1受剪性能设计值经验算,截面尺寸hw=h0=565mm‚hwb=565300=1.88＜4hw=h0=565mm‚hwb=565300=1.88＜4;配筋率ρsv=Asvbs=nAsv1bs=0.00112＜ρsv=Asvbs=nAsv1bs=0.00112＜最小配筋率ρsvmin=0.24f1fyv=0.00163ρsvmin=0.24f1fyv=0.00163,满足受剪承载力计算公式的适用条件。V设计=0.7ftbh0+1.25fyvAsvsh0(3)式中ft——C35混凝土轴心抗压强度设计值,取1.57N/mm2;fyv——箍筋抗拉强度设计值,取210N/mm2;h0——矩形截面有效高度,h0=600-35=565mm;Asv——配置在同一截面内箍筋总截面面积,mm2;n——同一截面内箍筋的支数;Asv1——单支箍筋的截面面积,mm2;b——梁宽度,取300mm;s——沿构件长度方向箍筋的间距,mm。计算得梁的V设计=236.0kN,即为该构件(梁)能承受的最大受剪承载力值。3.4.2钢筋拉接筋率低对第4跨南北方向的两堵剪力墙,在这里作为薄腹梁计算其能承载的最大受剪承载力值,hwb=2900200=14.5＞4,墙高2.9m,厚200mm,混凝土为C35,拉接筋为∅6mm的HRB235钢筋(即Ⅰ级钢筋),间距500mm,水平和竖向钢筋为∅12mm的HRB235钢筋,间距200mm,配筋率ρsv=Asvbs=nAsv1bs=0.00141＜最小配筋率ρsvmin=0.24f1fyv=0.00163。计算后得剪力墙的V设计=852.7kN,即为该构件(剪力墙)能承受的最大受剪承载力值。4b点弯力分析(1)爆破后瞬间,楼房余下的第5、6排的16根立柱的抗压承载力能满足楼房不后坐的条件。(2)B点单梁受弯构件最大承载力力矩为397.2kN·m,梁、墙一体的最大承载力矩397.2+710.1=1107.3kN·m,均远小于爆破后建筑物赋予该部位的弯矩,MB左=8306.9kN·m,MB右=14537.3kN·m,且B点左侧有7根梁、5堵剪力墙,右侧仅有4根梁、2堵剪力墙,很明显右侧首先损坏,故在弯矩的作用下,B点左右两侧迅速出现破坏。(3)B点单梁受弯构件最大承载力为236.0kN,梁、墙一体的最大抗剪承载力为236.0+852.7=1088.7kN,均小于爆破后建筑物赋予该部位构件的剪力FB左=-1300.1kN,FB右=1582.7kN,故在剪力的作用下,该部位迅速出现斜拉破坏,且很明显右侧首先破坏。(4)A点构件受弯构件受到的弯矩为0,该处最大抗剪承载力为单梁236.0kN,梁、墙一体1088.7kN,大于爆破后建筑物赋予该