原地坍塌方式下框架结构整体失稳条件研究

原地坍塌方式下框架结构整体失稳条件研究

李涛王刚金鹏

安徽江南爆破工程有限公司安徽242300

【摘要】框架结构爆破拆除是一个十分复杂的问题，它涉及到爆炸力学、结构力学、运动学、动力学、材料力学等多门学科，爆破成功与否，不仅与框架结构本身的结构特点有关，而且还与爆破拆除的方案等有关。由于拆除方案与框架结构的不同，框架结构爆破拆除后的破坏过程与倒塌规律也是不同的，所以，只有对框架结构的结构特点和其爆破拆除方式有深刻的认识，才能保证框架结构的爆破拆除万无一失，才能认清框架结构爆破拆除倒塌的规律。本论文对原地坍塌方式下的框架结构爆破拆除失稳条件进行研究。

【关键词】框架结构；原地坍塌；失稳条件

1框架结构的特点

框架结构是由柱和梁连结而成，梁柱连结处一般为刚性连接，为便于施工或由于其它的构造要求，有时也可将部分节点做成铰节点或半铰结点，框架的承载力和结构效能主要依赖于梁与柱的强度和节点刚度。框架结构为高次超静定结构，既承受竖向荷载，又承受侧向作用力(风荷载或地震作用)。为利于结构受力，框架梁宜拉通、对直，框架柱宜上、下对中，梁柱轴线宜在同一竖向平面。按施工方式的不同，框架结构可分为现浇框架(或称整体式框架)、预制框架(或称装配式框架)和现浇预制框架(或称装配整体式框架)三种类型。在框架结构中，梁、柱承担全部的荷载，框架间的填充墙只起围护和隔断作用，除承受自重荷载外，不起承重作用。按照承重方式的不同，框架结构可分为横向承重体系、纵向承重体系以及混合承重体系。框架结构经常采用横向承重方案，在横向由横向框架承受竖向荷载和水平荷载；在纵向设置联系梁，与横向框架相连，这些纵向连系梁实际上也与柱形成了几副纵向框架，承受平行于结构纵向的水平荷载。理论上，框架结构都属于空间结构，框架都处于空间受力状态。当横向、纵向各棉框架布置较完整，它们的刚度和荷载分布比较均匀时，每个方向的框架受力状态基本一致。

2框架结构爆破拆除设计原理

根据爆炸力学和结构力学原理，用爆破法拆除建筑物主要是破坏承重结构局部或大部的材料强度，使之失去承载能力，有时还需破坏结构的刚度，从而使建筑物整体失去稳定性，导致重心产生位移，在本身自重的作用下形成倾覆力矩，迫使建筑物原地坍塌或定向倒塌。基于上述原理和已有的实践经验，进行框架结构的爆破拆除方案设计时，应考虑以下几条原则：

2.1钢筋混凝土承重立柱是框架结构的主要承重构件，因此必须将立柱一定高度的混凝土加以充分破坏，或使其疏松或使其脱离钢筋骨架，方能使立柱在上部荷载作用下失稳，这是任何类型钢筋混凝土框架结构坍塌破坏的先决条件，不论采用何种爆破坍塌工艺，这一原则均是适用的。

2.2框架结构爆破坍塌时，还需形成相应足够的转动铰链，需在爆破过程中形成强大的倾覆力矩，在一定的条件下才能确保爆破坍塌的成功。

2.3对影响或阻碍框架结构整体坍塌的柱间框架梁、联系梁、承重墙、隔断墙等，须在爆破前一一加以破坏或与框架同时爆破，也可利用延期间隔起爆法超前加以破坏。

2.4框架结构的爆破拆除主要是靠以下三种作用使之解体：第一是通过关键承重部位钻孔爆破使建筑物失稳或解体；第二是建筑物爆破后在不均匀下落过程中，钢筋混凝土构件产生扭曲、拉、压破坏；第三是建筑落地时撞击破坏。后两种均属利用建筑物重力势能做功实现解体，应当尽量利用，不但经济而且有利于安全。因此，在制定爆破拆除方案时应在充分了解环境条件、拆除建筑物结构及拆除要求的基础上，重点考虑如何在环境允许的条件下利用上述三种作用使建筑物充分解体，或者说如何减少钻爆工作量，最有效地利用重力势能使建筑物充分解体。

3框架结构坍塌方式分类

进行爆破拆除方案设计，首先要针对爆破对象的结构特点，被爆破拆除建筑物周围环境状况、场地条件、以及清渣设备等工程具体要求确定建筑物的坍塌方式，然后再根据坍塌方式进行具体方案设计。

框架结构的爆破拆除坍塌方式大致可分为两大类：原地坍塌和定向坍塌。单向折叠坍塌、双向折叠坍塌和内向折叠坍塌均由定向坍塌方式派生出来。原地坍塌适用于楼房的高宽比小于1时的情况，否则爆破量过大，在经济上不合理。

在一般的工业厂房拆除爆破中，原地坍塌是一种常用的拆除钢筋混凝土框架结构的方法。其爆破的具体工艺是将全部的承重立柱或墙从底部开始爆破足够的高度，立柱顶部与梁的结合点同时布孔爆破，建筑物在重力的作用下，冲击地面而解体。在拆除多层或高层钢筋混凝土框架结构时，不宜采用原地坍塌方案，否则非常容易出现这样的情形，即炸毁最底层而上面的结构整体下坐而不坍塌，仅出现一些裂隙，出现高层框架变为低层危险框架的情况。原地坍塌爆破方案的优点是爆破工艺简单，要求四周场地的水平距离有1/4-1/3框架高度即可；主要缺点是钻爆工作量相对大一些，必须将全部钢筋混凝土承重立柱从底部爆破足够的高度，使框架达到“原地坍塌”破坏的目的，如果立柱之间有钢筋混凝土连系梁或砌筑有承重砖墙时，应予以充分破坏。

4原地坍塌方式下框架结构失稳分析

原地坍塌方式爆破拆除框架结构的过程中，承重立柱爆破后，构件内力将发生变化，当构件内力达到许可承载力后，结构体系就会发生变化，故可对框架结构进行几何构造分析来判断结构的失稳情况。爆破拆除框架结构实际上是一个建筑结构设计的反问题，建筑结构设计要保证结构的稳定性，使设计出的结构是一个几何不变体系；而爆破拆除则要破坏结构的稳定性，使结构完成从几何不变体系向几何可变体系转换，从而使结构失去稳定性。基于以上分析，框架结构原地坍塌失稳的临界条件应是：爆破后，在结构中形成了足够数目的破坏点(又称塑性铰)，结构从几何不变体系变成几何可变体系。

5原地坍塌方式下框架结构失稳条件推导

原地坍塌方式下框架结构的失稳是通过控制爆破高度来实现，为使框架结构垂直坍塌后充分解体，立柱的爆破高度必须达到一定的值，假定立柱爆破后，框架的垂直下塌为自由落体运动，最后对地面的冲击过程为弹性体与刚体的碰撞。于是，立柱冲击地面后，将在未施爆的立柱段中引起一维压缩波，立柱的冲击解体破坏条件是波后应力不小于立柱材料的压缩破坏极限，即：

6结论

本论文以框架结构楼房为研究对象，从框架结构的特点和爆破拆除设计原理入手，分析研究了原地坍塌方式下结构失稳条件，得出了以下主要结论：

(1)最小爆破高度应当是保证结构失稳的临界条件。

(2)原地坍塌方式下，框架结构失稳条件为使框架结构从几何不变体系变成了几何可变体系。

(3)框架结构的失稳条件是通过控制爆破高度来实现。

拆除爆破是一门综合性很强的交叉学科，其发展还有赖于其它学科的完整。随着我国城市现代化建设，爆破市场日益壮大，拆除爆破难度也越来越大，为了适应新的需求，工程实践经验有待积累，理论知识有待提高，计算方法也有待改进。

参考文献

[1]张云鹏.甘德清，郑瑞春等.拆除爆破[M].北京：冶金工业出版社，2002

[2]张正宇.中国爆破新技术[M].北京：冶金工业出版社，2004

[3]方普镐.多层与高层建筑结构[M]南京：东南大学出版社，1989

[4]李家宝.结构力学[M].北京：高等教育出版社，1999