管理拆除工程的安全与风险

自1978年以来，21层的多米尼恩能源总部一直矗立在美国弗吉尼亚州里士满市中心。这座混凝土框架建筑也被称为詹姆斯河广场一号，拥有0.6公顷(1.5英亩)的广场空间，地下有三层停车场。

作为一个连续的单元，广场作为总部大楼的平台运行，它们一起占据了整个城市街区。虽然很多人都熟悉结构工程师在这样的建筑设计中所扮演的角色，但他们在拆除这些建筑中的作用却不那么为人所知。

当它建成时，很少有人能想到这个宽敞的广场——20世纪70年代办公楼设计的主要标志——有一天会被用作“浴缸”，在整个建筑内爆时捕捉到它。然而，这就是在2020年5月发生的事情，这是通过桑顿·托马塞蒂(Thornton Tomasetti)专家的广泛工程分析实现的。

拆除承包商DH Griffin公司聘请了该公司，除了工程分析外，该公司还提供了一系列其他服务，以解决由于城市环境紧张造成的风险和安全问题。Thornton Tomasetti的工程师与DH Griffin、内爆承包商Controlled Demolition、总承包商Hourigan和Clayco以及建筑业主合作。

詹姆斯河广场位于密集的城市环境中，三面被玻璃建筑包围，包括多米尼恩能源公司全新的总部，其南侧是I-95州际高速公路。该建筑由三种布局组成——路基地下室，一层至三层，四层至21层。该结构由沉箱基础和平地板支撑。

在地面以下，它由三层地下室组成，混凝土基础挡土墙由沉箱支撑。

地板由华夫板结构组成，9厘米(3.5英寸)厚的板过渡到柱子的垂板。

机械拆除
为了解决由于繁忙的城市环境所带来的风险和安全问题，多米尼克能源公司提供了一系列的工程服务。机械拆除的目的是创造一个盆地，主要上层建筑可以内爆。

三层停车场和广场框架的拆除工作是使用长臂挖掘机从街道层面完成的，而其余的结构，以及这些挖掘机无法到达的地方，则使用传统的机械拆除设备进行拆除。Thornton Tomasetti的团队与拆除承包商合作，根据建筑面积部分仔细划分机械拆除工作阶段，这反映了承包商的时间表。

在拆卸地盘范围的设计上，在不同的拆卸阶段，毋须使用支撑物或支具。这项工作还包括设计木材平台，以分配较重设备施加在现有板上的载荷，以在拆除活动期间保持建筑物的完整性。Thornton Tomasetti的工程师还进行了详细的地质结构工程分析，以确定拆除工作的顺序，以确保新的挡土系统的安装，因为在拆除过程中，周围的基础墙暴露在外。

工程师们进行了多次稳定性分析，以确认结构在预削弱和内爆前的削弱状态下能够承受侧向载荷。为了验证结构弱化方案的可行性，上部结构必须针对临时风荷载进行分析，并确认足够。

除了精确建模如此复杂的结构的细微差别之外，团队面临的一个技术挑战是确保结构梁在横向风荷载下的弯曲不会超过重力荷载下的设计弯曲。我们进行了涉及这些场景的迭代分析，直到团队确定了可接受的负载路径，并确认了可用性和强度需求。

在横向弯曲克服重力弯曲的位置，桑顿·托马塞蒂的工程师建议在地板上堆放碎片，以增加必要的重量。最后，随着载荷路径的确定和重量的增加，工程师们进行了多次稳定性分析，以确认结构可以安全地承受临时载荷。

关键的见解

桑顿·托马塞蒂(Thornton Tomasetti)的风险和安全管理的一个组成部分是在爆炸发生前提供几个关键的见解。详细的内爆分析使拆除和内爆承包商能够可视化结构倒塌的进程。工程师们还评估了碎片落在邻近物业上的风险，估计了碎片场的范围，以及评估了碎片撞击引起的地面振动对被埋公用设施和邻近建筑物基础的潜在破坏。他们甚至评估了尘埃体积和尘埃云的分散。

桑顿·托马塞蒂的工程师们采用了几种创新方法来解决令人生畏的技术挑战。考虑到建筑的规模和大小，其中包括广泛的建模工作。考虑到其坚固的结构，华夫板的失败也需要仔细考虑。二楼和三楼之间6.1米(20英尺)深转换梁的破坏建模也需要更高的分辨率。

为了准确地模拟建筑物的倒塌过程，需要了解密板式系统和转移梁的破坏。在建筑模型中嵌入密格板和转移梁的详细表示在计算上是不允许的。

为了克服这些挑战，工程师们开发了一个建筑的整体模型，简化了华夫板和转移梁的表示。此外，分别建立了密板式和转移梁的模型，并进行了分析，以表征这些结构构件的破坏。该团队使用这些模型的分析结果来为建筑内爆分析模型提供信息。这种方法是平衡精度和计算效率的关键。

内爆分析使用NLFLEX进行，NLFLEX是由Thornton Tomasetti开发的非线性瞬态分析有限元代码，自1981年以来被其工程师广泛用于解决一系列动态问题。

这些包括空气爆炸对结构的影响，导致不成比例的倒塌和控制拆除。NLFLEX已通过测试前预测和测试后与小型和大规模测试的相关性进行验证。它还被用于对许多结构倒塌事件进行分析，包括曼哈顿的世界贸易中心1号、2号和7号，新泽西州大西洋城的纯果乐停车场的倒塌，康涅狄格州纽黑文退伍军人纪念体育馆的拆除，以及亚特兰大标志性的乔治亚圆顶体育场的拆除。

取代混凝土

总的来说，分析包括按照内爆计划置换结构构件中的混凝土和钢，并模拟结构在自身重量下的渐进倒塌。分析包括预加载阶段和动力分析阶段。

在预载阶段，对建筑结构进行预应力并施加恒载以达到静力平衡。一旦结构处于静态平衡状态，就可以开始动态拆除阶段，其中结构元件按照内爆延迟序列被拆除。

在倒塌过程中，所有关键的相互作用，如结构构件之间的撞击和与地面的撞击，都被考虑在内，以确保倒塌结构的动力学被准确地表示出来。拆除阶段使我们能够评估由于混凝土和钢材局部破坏的综合影响以及重力对结构的相应影响而导致的拆除进程。

分析结果表明，内爆承包商方案是可行的。倒塌的过程证实了建筑在倒塌时的设计会略微向北倾斜，因此碎片会在拆除地下停车场的三层所形成的盆地中扩散。

对于地面振动分析，我们根据现有的岩土工程报告建立了建筑模型下面的土壤模型。其次，采用内爆-振动耦合分析方法，模拟了内爆碎片对土体模型的冲击引起的地面振动。结果表明，土壤峰值颗粒速度(PPV)低于阈值。

5月30日上午7时，该建筑被夷为平地，这与长期仔细和有系统的准备和工程是不相符的。正如预测的那样，大楼倒塌的每一块碎片都掉进了“浴缸”里。虽然只花了15秒，用了1360公斤(3000磅)的炸药和5公里(3英里必威体育如何)的引爆索，就把办公大楼炸毁了，但在这最后的时刻背后，有超过一年的计划。

作者的细节
Mahesh Raju Bailakanavar是Thornton Tomasetti的高级助理，Thornton Tomasetti是一家总部位于美国纽约市的工程咨询公司，在全球拥有50多个办事处，员工超过1500人。必威体育如何

• 文章最初发表于《拆除与回收国际》2020年11月至12月号