定向爆破拆除框架结构厂房时后坐的产生原因及控制措施

定向爆破拆除框架结构厂房时后坐的产生原因及控制措施

当框架结构的房屋发生定向爆炸和拆除时，房屋的主要部分通常会发生相反方向的崩塌，局部构件（梁、柱、板、墙）会倒塌并掉落。这种现象被称为后坐。如果周边环境较好,倒塌方向和相反方向均有足够场地,则后坐不会造成不良后果;如果倒塌方向的场地不够充裕,而相反方向的场地允许较多的后坐时,则可利用楼房的后坐,减少楼房在预定倒塌方向的倒塌和堆积距离;如果相反方向需保护的建(构)筑物距待爆楼房较近,则后坐将对需保护的建(构)筑物构成威胁,甚至造成严重后果。定向爆破拆除框架结构楼房时,大多数情况都不允许楼房在倒塌时有过多的后坐。本文试图对定向爆破拆除框架结构楼房时后坐的产生原因及控制措施作初步的分析和探讨。1横向爆破法多层多跨框架结构楼房的梁与柱组成一个空间结构体系。从抵抗侧向位移的角度来看,结构的横向刚度较小,纵向刚度较大。定向爆破拆除时,通常采用横向倒塌,但如横向不具备倒塌条件时,也可采用纵向倒塌。以横向3排柱的多层多跨框架结构楼房为例,采用横向倒塌时,取如图1所示横向框架进行研究。1.1支护结构的受荷特点取底层框架ABCDEF为研究对象,其受力简图如图2所示。底层框架为超静定结构,PA、PB、PC为二层以上计算单元内荷载(梁、柱、板、墙等构件的自重)通过立柱分别作用在A、B、C点上的轴力。q为梁LAB、LBC及梁上板、墙的自重,为均布荷载。爆破前,3根立柱为受压构件:ZAD在荷载PA和ql1/2的作用下处于偏心受压状态;ZBE在荷载PB和q(l1+l2)/2的作用下处于轴向受压状态;ZCF在荷载PC和ql2/2的作用下处于偏心受压状态。立柱的截面内产生压应力,但其压应力小于立柱的抗压强度。梁LAB、LBC为受弯杆件,在均布荷载q的作用下,在梁下部截面内产生拉应力,在梁上部截面内产生压应力。因此,设计时在梁底布筋较多,较粗;在梁顶布筋较少,较细。梁截面最大压应力和最大拉应力均小于截面极限抗压强度和极限抗拉强度,此时刚架处于稳定状态。1.2横截面刚刚破裂的压力分析1.2.1梁lac的拉断部位定向爆破框架结构楼房时,通常前几排立柱爆破高度较大,后排立柱爆破高度较小,从前排向后排依次起爆,使楼房按预定方向倒塌。在前两排立柱已爆破并形成缺口,后排立柱尚未爆破(或不爆破)的瞬间,横向刚架的受力情况如图3a所示。假设立柱ZBE、ZCF的爆破高度足够大,爆破切口内的混凝土充分破碎并抛离,箍筋拉断,竖筋弯曲变形,失去承载能力。立柱ZAD在竖向荷载的作用下,截面内产生压应力,如果压应力大于其极限抗压强度,则立柱被压垮;在弯矩的作用下,立柱截面的外侧产生拉应力,如果拉应力大于极限抗拉强度,则立柱将被拉断。拉断的部位通常出现在立柱的薄弱处或立柱截面和配筋突变处,爆破工程实践证明,拉断部位首先出现在梁柱结点下端和立柱根部的可能性较大。如在梁柱结点附近断裂,则易发生后坐;如在根部发生断裂,则后坐较少。假设ZBE、ZCF爆破后,立柱ZAD具有足够的支撑强度,则梁LAC由爆破前的两端固定变为悬臂梁,最大弯矩位于梁A端,在弯矩的作用下,在梁截面的上部分产生拉应力,下部分产生压应力。因梁顶布筋较少,其抗拉强度较低,如果拉应力大于极限抗拉强度,则梁LAC的A端附近较薄弱处产生断裂,形成铰链,梁LAC将绕该铰链转动。若将其近似地看作刚体定轴转动,则转角与时间的关系式为:φ=ΣMA(F)2JAt2φ=ΣΜA(F)2JAt2式中:φ——转角;MA(F)——力对A点的力矩;JA——转动惯量;t——时间。可见,时间越长转角越大。如果立柱ZAD的支撑时间足够长(不爆破或延期时间较长),则梁LAC的C端首先着地,地面对梁产生支座反力(R),并通过梁作用于立柱A端。同时,上部荷载PA、PB、PC由原垂直方向变为倾斜方向(见图3b),其水平分力共同作用于立柱A端,最大弯矩位于柱的根部。因此,立柱ZA从根部断裂,并倒向后侧(后坐)的可能性较大。1.2.2zad与火炬在前两排立柱爆破足够高度的同时,将后排立柱ZAD的根部爆破酥松,虽然不能形成爆破缺口,但可形成铰链。如果立柱ZAD有足够的支撑强度,则刚架体系将在竖向荷载PA、PB、PC和均布荷载q的共同作用下,绕铰链D转动(见图4)。设柱ZAD高度为H1,梁LAC的C端着地时,转角为φ,则刚架向前的水平位移为x=H1sinφ,可有效避免(或减少)后坐。2发生后坐的爆破方案(1)预拆除时,将设计爆破切口所在楼层的非承重砖墙全部拆除,后排立柱的截面较小,支撑强度不够。(2)设计施工时,后排立柱未钻孔爆破,前几排立柱爆破后,后排立柱在弯矩作用下,首先在梁柱结点下端断裂,或先在梁的后端薄弱处断裂。楼房倾斜一定角度,或倒塌方向爆破切口闭合时,在水平分力的作用下后排立柱向后倒塌,第一层梁和楼板向后位移,即发生后坐。如常德市桥南市场住宅楼定向爆破拆除,该楼为钢筋混凝土框架结构,主体建筑有8层,长65m,宽10.5m,高24m。横向3排立柱,纵向21排立柱。采用横向倒塌方案,爆破3层,前排立柱爆破高度7.2m,中排立柱爆破高度5.4m,后排柱未钻孔爆破。按纵向划分起爆区段,段间起爆时差为0.5s,同区段内的立柱同时起爆。起爆后,后排立柱从梁柱结点下端断裂,并向后倒塌,后坐距离4.2m。(3)设计对后排立柱进行钻孔爆破,滞后于前排立柱起爆,且延期时间过长,产生与(2)类似的后坐现象。如常德市桥南市场办公楼爆破拆除,该办公楼为钢筋混凝土框架结构,主体建筑有7层,高22m,横向3排立柱,纵向9排立柱。采用横向倒塌方案,爆破3层,前排立柱爆破高度7.2m,中排立柱爆破高度5.4m,后排立柱钻3个炮孔实施酥松爆破。采用横向划分起爆区段,由前向后逐排起爆,排间起爆时差0.5s。起爆后,后坐距离5m。(4)未对平行于倒塌方向的梁进行钻孔爆破,梁前端着地时,地面(特别是刚性地面)对梁产生反作用力,并通过梁作用于后排立柱顶端,在水平分力的作用下,后排柱向后倒塌。3间起爆段大跨空间(1)在爆破前几排承重立柱的同时,对后排立柱根部进行爆破酥松,使该立柱由原来的固定支座变为固定铰支座。(2)采用横向倒塌爆破方案时,不按横向划分起爆区段,而采用纵向划分起爆区段,或采用层间划分起爆区段,使同楼层同区段内的全部立柱同时起爆。例如,岳阳荣达大厦爆破拆除,楼房框架结构,最高为10层,楼房东西长约60m,南北宽30m,最大高度约38m,建筑面积约12000m2。1～2层:横向(南北向)6排立柱(局部7排立柱0,纵向(东西向)12排立柱。为保证楼房按预定方向倒塌,并充分解体破碎,减少后坐,采用纵向和层间划分起爆区段,同层纵向划分为7个区段,层间划分2个区段(1～2层和3～5层各一个区段),共划分14个起爆区段。纵向起爆时差为500ms,层间起爆时差为100ms,同层同区段内全部立柱同时起爆。爆破后,楼房按预定方案从西向东逐段倒塌,解体破碎充分,堆渣高度不超过6m;北向最大倒塌距离8.5m,西向最大倒塌距离6.8m,南向第一层的楼板和梁向后位移1.2m,东向第一层的楼板和梁向后位移0.8m,第2层以上的柱、梁、墙、板均向预定方向倒塌和堆积。(3)如果必须采用横向划分起爆区段,则应尽量缩短后两排立柱的起爆时差,或使