李小帅1，范龙泉2，赵子赫3，孙德权3
（1.辽宁科技大学 矿业工程学院，辽宁 鞍山 114051；2.中冶沈勘建筑工程有限公司，辽宁 沈阳 110016；3.辽宁省公安厅治安管理总队，辽宁 沈阳 110032）
摘 要：通过对高层建筑物倒塌过程中的后坐和前冲运动分析论述，阐明了毫秒微差爆破持续时间对运动过程的影响；介绍了毫秒微差爆破技术在18层框架结构楼房拆除中的应用情况。为使建筑物在拆除爆破中减少对周边环境的影响，采用合理的爆破网路参数设计，并且对主楼、墙体、剪力墙等结构进行预处理；采用适当的分段延时方法使得震动叠加，控制建筑物倒塌范围从而减少高层楼房塌落产生的危害。合理的分段时间增加了建筑结构体内力作用时间，保证了楼房的充分解体，达到了预期爆破拆除效果。
关键词：前冲；后坐；爆破持续时间；毫秒微差爆破；支撑体
Analysis of moving-up and backward collapse motion during demolition of buildings
Li Xiaoshuai1, Fan Longquan2
(1.School of Mining Engineering, University of Science and Technology Liaoning, Liaoning, Anshan, 114051, China; 2.Shen Kan Engineering＆Technology Corporation, MCC, Liaoning, Shenyang, 110016, China)
Abstract：Through the analysis and discussing of the motion of the collapse process of high-rise building, the influence on the movement process because of blasting duration is clarified. This paper introduces the application of millisecond delay blasting in 18 story frame structure buildings. To make the building to reduce the environmental impact in explosive demolition, the increase of blasting gap height, increase blasting opening corner blasting parameters design, and to the main building, wall, shear wall structure such as pretreatment; Using piece-wise delay increases in vibration superposition, and thus to minimize the harm of blast and segmented time delay the time increased the structure internal force, to ensure the full collapse of buildings so as to achieve the desired effect.
Key words：moving-up, backward collapse, blasting duration, millisecond delay blasting, support body
0 引 言
由于爆破拆除的高层建筑物多是位于人口稠密、建筑物密集、市政道路水电通信管线纵横交错、地上地下环境复杂的城市中心，亦或是工厂矿山的工业厂房、管路、电器等重要设施之中，所以对高层建筑物的倒塌方向和倒塌范围都提出了严格要求，从而控制高层建筑物塌落过程中产生的前冲、后坐问题也就成为爆破技术是否可行的关键因素。因此为了成功进行爆破施工，在进行爆破设计时，要合理的调整各种爆破参数，使楼体塌落过程的产生的前冲、后坐现象控制在有效范围内。
高层建筑物楼体塌落是一个极其复杂的运动过程。利用爆破技术控制其塌落过程涉及到许多门科学[1,2]。一般地，可以通过建筑学、动力学、结构力学、材料强度等理论分析计算，进行爆破参数的优化。
本文仅就楼体倒塌过程中的受力状况和运动规律予以分析阐述。
1 建筑物塌落过程中后坐与前冲运动分析
高层建筑物爆破拆除的倾倒过程十分复杂，它受多种条件和因素的影响，其中建筑结构的强度和稳定性，爆破作用持续的时间，定向开口的部位和大小，这三种因素直接影响了高层建筑物倾倒时产生的后坐和前冲[3]。
1.1 后坐问题
定向爆破拆除设计通常采用的方法是在其倾倒方向底部适当的部位和范围实施爆破，也就是在楼体底部爆破形成一个三角形、矩形或梯形的开口（足够的倒塌空间），而在其反方向保留一定的楼体作为支撑体。随着爆破的实施，开口部分形成，同时形成了上部楼体的重力W和底部支撑体产生的反力F反，它们是作用力和反作用力，方向相反，并互为扭力。（支撑体产生的最大反力由垂直方向墙体和立柱的最大承载力所决定）。这样上部楼体在自身重力W和底部支撑体产生反力F反的作用下，产生了以支撑体H轴为中心的扭转运动，如图1所示。
图1 爆破开口形成时倒塌受力分析图（第一阶段）
Fig.1 Stress analysis when blasting incision is formed for the first stage
根据楼体受力情况：
1）当重力mgcosθ = F反cosθ时（θ为楼体倾倒角度0~900），并且重力产生扭力不能破坏支承体时，上部楼体原地不动。
若产生的扭力破坏了支撑体（局部破坏H轴视为铰支）则上部楼体做定轴转动运动，此时楼体倒塌不产生后坐；
2）当重力mgcosθ > F反cosθ时，支撑体受到偏心力的作用超过其最大承载力，因强度不够而产生粉碎性破坏或弯折断裂破坏，此时上部楼体开始做类似于自由落体运动及绕H轴转动运动的合成运动。
此楼体塌落的合成运动可以分为两个阶段。
第一阶段：从爆破开口形成开始，经过支撑体完全破碎，到爆破开口完全闭合的运动阶段。
在此阶段内，支撑体由于强度不够，往往迅速发生破坏而出现上部楼体下沉现象，其下沉时并非垂直，而是倾斜一定角度。这样支撑体不断被挤压破坏，旋转轴H向后移动，于是出现楼体后坐现象。
第二阶段：爆破开口完全闭合到楼体完全倒塌落地的运动阶段。此时楼体底部产生支撑反力F’反，如图2所示。
根据图2可以知道（θ为楼体倾倒角度0~900）：
当mgcosθ= F’反cosθ 时，上部楼体以反力中心点为轴做定轴转动运动,楼体后坐现象可以忽略；
当mgcosθ > F’反cosθ 时，上部楼体继续做类似于自由落体运动及绕H轴转动运动的合成运动；亦即楼体根部破坏，从而出现下落现象；由于根部不断被挤压破碎，转动轴向后移动，于是出现较大楼体后坐现象。
图2 爆破开口闭合后倒塌受力分析图(第二阶段)
Fig.2 Stress analysis when blasting incision is closed for the second stage
1.2 前冲问题
通过对楼体倒塌过程的运动分析可知，前冲和后座是一个问题的两个方面；后座越小前冲越大，后坐越大前冲越小。
当mgcosθ = F’反cosθ 时，上部楼体以反力中心点为轴做定轴转动运动,楼体后坐现象可以忽略，此时产生的前冲最大；
当mgcosθ > F’反cosθ 时，上部楼体继续做类似于自由落体运动及绕H轴转动运动的合成运动；根部不断被挤压破碎，转动轴向后移动，出现较大楼体后坐现象，此时前冲较小。
当重力W远大于支撑反力F’反，且转动角度θ较小时（0~15°）时，楼体产生原地倒塌现象，此时前冲和后坐均较小。
根据动力学理论：
(1)
式中，M为合外力矩；I为转动惯量；β为角加速度；ω为角速度；t为时间。
当重力W大于反力F’反时，扭力F扭=F’反cosθ；力矩M=F’反cosθ·（H/2）sinθ，H为楼体高度。
所以角加速度：
(2)
从上式中可以看出，楼体的高度和转动惯量相对固定不变，所以角加速度与支撑反力成正比，支撑反力越大角加速度就越大，楼体倒塌速度就越快。当转动角度为450时，角加速度最大。所以只要控制支撑反力的大小就可以控制倒塌产生的前冲后坐。
2 爆破作用的持续时间分析
对某个固定的建筑（构）物，建筑结构的强度和稳定性是不变的。爆破作用持续的时间、定向开口的部位和大小需要通过爆破设计确定。在定向开口的部位和大小确定的前提下，爆破作用持续的时间是影响高层建筑物倾倒时产生的前冲和后坐直接因素。
爆破作用的持续时间T就是我们通常采用秒差、半秒差、毫秒差或是瞬发导爆雷管分段控制药包的起爆顺序所持续的时间。
对于高层建筑物爆破，当采用瞬发导爆雷管引爆建筑物底部（包括支撑部位装药）所有药包时，持续时间T=0，此时支撑反力F’反=0；楼体不发生扭转，进行自由落体运动。
当采用秒发（高段）导爆雷管分段引爆时，使持续时间T足够大，此时支撑反力F’反最大，楼体发生倾倒瞬间反力F’反=W=mg（上部楼体重力）。楼体发生固轴扭转。
所以采用毫秒导爆雷管控制爆破作用的持续时间T，用来控制高层建筑物爆破倒塌的前冲、后坐，可以满足某些爆破工程的安全需要。
下面以某工程为例介绍毫秒微差爆破在某高层楼房拆除中的应用。
3 案例
3.1 工程概况
（1）楼体周边环境
由于城市建设规划需要，拟对某大厦进行爆破拆除作业。该大厦位于市中心闹市区，周围环境复杂。在需爆破楼房的东侧50 m为一地下通讯光缆，164 m为一街道；在东南方向85 m为广播电台；南侧15 m为道路且路面地下埋深1.5 m处有一条通讯线缆；西侧19 m为站前地下商场入口，220 m为火车站。西北侧70 m为一大厦；北侧50 m为一道路。
（2）楼体结构
该大厦主楼建筑结构为钢筋混凝土框架剪力墙结构；大厦主楼高65.2 m，南北长34 m，东西宽15.3 m，共18层；框架柱体断面1~3层为800 mm×800 mm和4~18层为600 mm×600 mm两种规格，框架承重柱体共有18根，分为东西3排，每排6根；大厦主楼内H轴、8轴、11轴以及楼梯间、电梯井墙体为剪力墙结构。大厦主楼建筑平面结构如图3所示，其中A、B、C分别为800 mm×800 mm、600 mm×600 mm以及400 mm×400 mm规格的立柱，E、F为剪切力墙。
图3 主楼平面结构图（单位：mm）
Fig.3 Structure of the building（unit: mm）
3.2 爆破拆除方案
（1）总体方案设计
通过分析待拆除楼体周边环境情况，其倒塌方向只能为东向和东北两个方向。由于主楼南侧15 m地下通讯管线需重点保护，所以东偏北方向为最佳倒塌方向。然而正东方向50 m处有地下埋设通讯光缆，所以严格控制倒塌楼体的前冲就成为此次爆破成功与否的关键所在。
为确保楼体充分解体倒塌，减少前冲倒塌堆积及触地震动对周围环境的影响，楼体爆破方案宜通过对G轴（一层）局部装药，减弱支撑反力，同时确定恰当的起爆持续时间，所以必须选用毫秒微差起爆网路技术。而采用加大爆破缺口高度，增加爆破开口角，可以使被爆体在部分失去支承力的情况下，靠重力进行定向旋转塌落。
爆破前，南西北三面的三层附楼外墙予以保留，东面裙楼仅拆除南侧一翼，其他裙楼的拆除工作可在主楼爆破之后进行，在一定程度上，可利用四面附楼结构墙体对爆破产生的碎块进行天然防护，起到屏蔽作用。同时在主楼东侧（倒塌方向）40 m处挖一道宽4 m、深3 m的防震沟，以减少建筑倒塌前冲、触地振动及碎石飞溅，确保周围环境安全。
（2）预处理
1）主附楼结构分离预处理：利用机械对18层主楼与四周附楼底层结构连接处进行分割预拆除，使主楼与附楼结构完全分离。
2）砖结构墙体、剪力墙预处理：在确保楼体结构安全的情况下，在三层以下对建筑楼体局部的砖结构墙体、部分剪力墙结构墙体(包括电梯井、楼梯间)进行机械或人工破碎预处理。
通过以上预处理工作此次拆除爆破设计仅就主楼18根立柱及部分梁体予以设计施工。
（3）立柱炸高的确定
根据楼体框体结构，需要对其主要承重结构柱体进行炮孔爆破破碎，立柱炸高采用计算公式[4]如下所示：
(3)
式中，H为爆破高度；K为经验系数，一般取1.5~2.0；B1为立柱截面的最长边；Hmin为立柱最小破坏高度。
图4 爆破缺口图（单位：mm）
Fig.4 Schematic diagram of the blasting cuts
为使主楼最终解体倒塌，经公式（3）计算调整，确定出合理的立柱炸高：I轴：爆破1~4层，每层爆破柱高2.5 m；H轴：爆破1~2层，每层爆破柱高3.5 m；G轴：爆破第一层，爆破柱高1 m。最终主楼柱体爆破缺口高度15.4 m；倾倒角度47°。爆破缺口如图4所示。
（4）爆破参数的确定
本次爆破设计按主楼东偏北方向倒塌爆破方案，即楼体底层爆破柱体实现东侧定向倒塌。由于倒塌前方50 m地下为光缆设施，所以选择雷管时间间隔为100 ~150 ms，通过毫秒微差起爆网路技术[5,6]，调整起爆时间和顺序，实现向北偏移。选用Φ38 mm的钎头对每个柱体钻水平炮孔，沿竖直方向布置双排梅花孔，在柱体侧面的中心线两侧布置双排炮孔。
钻孔总计476个，总装药量99.63 kg。爆破参数如表1所示。
表1 爆破参数表
Table1 Blasting parameters table
（5）起爆系统设计
1）起爆顺序：为保证主楼向东偏北方向倒塌，顺次起爆主楼I轴、H轴柱体、G轴的柱体。柱体起爆顺序平面图如图5所示。
图5 柱体起爆顺序平面图
Fig.5 Ignition order
2）起爆网路：设计采用导爆管非电起爆系统，每段微差时间为100 ms，5段110 ms，7段210 ms，9段310 ms，11段460 ms，为确保所有雷管起爆的可靠性及安全性，雷管之间连接方法采用导爆四通相联。
主楼能否失稳取决于承重立柱爆破切口的高度，就需要在实施爆破过程中，立柱爆破切口内的竖筋必须达到失稳条件。
压杆的柔度极限为：
(4)
式中，E为钢筋的弹性模量；σp为钢筋的比例极限。
每根裸露钢筋（竖筋）爆破后的实际应力为：
(5)
式中，P为切口上部总载荷；N为筒身竖筋根数取24根；S为竖筋截面积。
由式（4）、（5）计算其柔度极限：
(6)
(7)
式中，d为竖筋直径；此钢筋结构中λj取200。
为使立柱爆破切口内的竖筋达到失稳条件，设计炸高应大于1.4 m。综合考虑楼体结构、爆破安全等因素，炸高取2.0~2.5 m，即可以保证大厦主楼在爆破过程中失稳倒塌，并按设计东偏北方向倾倒。
3.3 爆破效果
该大厦成功起爆，起爆后的高层建筑按照设计方向轰然倒塌。爆破后经过现场检查，楼顶倒塌前冲正好达到40 m防震沟处，爆破所产生的地震波、冲击波、噪声、飞石等有害效应均在合理控制范围内，未对周围建筑产生影响，爆破拆除取得圆满成功。爆破效果如图6所示。
4 结束语
微差（包括秒差）爆破网路技术在实际工程中有广泛的应用，通过对爆破楼体的定向倒塌的运动进行分析，以及毫秒微差网路在实际工程的应用进行探讨，得到如下结论：
（1）在导爆雷管的网路设计中，通过各种倒塌过程中的运动计算，可以调整合理爆破作用的持续时间，控制高层建筑物爆破倒塌的前冲后坐，对满足某些爆破工程的安全需要具有重要的意义。
（2）在爆破设计方案中，楼体上下分层（局部爆破）采用微差或秒差网路，以及减弱楼体的支撑反力，可以实现高层建筑物原地倒塌爆破。
（3）在定向倒塌爆破中，当采用半秒、秒发（高段）导爆雷管分段引爆时，最大的增加爆破持续时间T，充分利用楼体自重，可以使楼体倒塌运动发生固轴扭转，后坐最小。
参考文献：
[1] Park Hoon, Suk Chul-Gi, Choi Seung-Ho, Kang Hyeong-Min, Jeong Sang-Sun, Cho Sang-Ho. Relations between the explosive demolition design variables and progressive collapse resisting capacity of RC frame structures [J]. Science and Technology of Energetic Materials,2014,75(05-06):119-127.
[2] Park Hoon, Park Hyeong-Ki, Ko Jin-Hee, Suk Chul-Gi. Blast design for explosive demolition of a large-scale concrete foundation [J]. Science and Technology of Energetic Materials,2013,74(01-02):6-11.
[3] 杨阳, 杨仁树, 李清, 等. 复杂环境下加固型抗震大楼爆破拆除及数值模拟预测[J].工程爆破,2015,21(04):24-28+68.
[4] 费鸿禄, 刘志东, 戴明颖. 复杂环境下10层非对称框架结构楼房定向爆破拆除[J].爆破,2015,32(02):89-94.
[5] 马洪涛, 孟祥栋, 李远明, 支文超.高耸钢筋混凝土桥梁实体墩柱的拆除爆破[J].爆破,2011,28(01):74-77.
[6] 范作鹏, 黄治成, 刘高. 复杂环境下钢筋混凝土基础爆破拆除实践[J].矿冶工程,2010,30(05):9-11.
[7] 王小林, 靳龙, 曾庆元, 等. 混凝土围堰拆除爆破对大坝的安全影响分析[J].西安科技大学学报,2015,35(01):15-20.
[8] 孙金山, 谢先启, 王坤鹏, 等. 建(构)筑物墩柱爆破后裸露钢筋初弯曲失稳模型[J].爆破,2015,32(01):1-4+27.
[9] 杨建军, 黄磊, 蔡伟. 非对称钢筋混凝土框架结构楼房爆破拆除[J].爆破器材,2015,44(04):51-54+59.