第一作者楊永強(qiáng)男，博士，助理研究員，1983年4月生

通信作者胡進(jìn)軍男，博士，副研究員，1978年6月生

沌陽(yáng)高架橋爆破拆除塌落引起的地面振動(dòng)特征

楊永強(qiáng)1，胡進(jìn)軍1，謝禮立1, 2，戴君武1，吳興和1

(1. 中國(guó)地震局地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱150080；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱150090)

摘要：利用實(shí)測(cè)結(jié)果分析了橋梁爆破拆除塌落引起的地面振動(dòng)加速度特征，結(jié)論如下：橋梁塌落地面振動(dòng)加速度峰值隨距離增大而降低，豎向分量加速度峰值顯著大于水平分量，隨距離增大差別變??；測(cè)線1的地面振動(dòng)加速度峰值頻率隨距離增加呈指數(shù)降低趨勢(shì)，受疊加效應(yīng)影響，測(cè)線2和測(cè)線3的地面振動(dòng)加速度峰值頻率隨距離的變化規(guī)律不明顯；測(cè)線1的切向振動(dòng)分量的峰值頻率最高，測(cè)線2次之，測(cè)線3最低；地面振動(dòng)加速度持時(shí)隨距離增加而變長(zhǎng)，水平分量持時(shí)大于豎向分量；減振措施在降低爆破塌落振動(dòng)峰值的同時(shí)也會(huì)降低地面振動(dòng)峰值頻率、延長(zhǎng)其持時(shí)；多個(gè)橋聯(lián)連續(xù)塌落產(chǎn)生的疊加效應(yīng)使得地面振動(dòng)加速度峰值增加、峰值頻率降低，不利于建筑結(jié)構(gòu)安全。

關(guān)鍵詞：沌陽(yáng)高架橋；爆破拆除；塌落；地面振動(dòng)；疊加效應(yīng)

基金項(xiàng)目：中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(2011B02);國(guó)家自然科學(xué)基金(51308516);浙江省自然科學(xué)基金(LQ12E08006)

收稿日期：2013-12-05修改稿收到日期：2014-03-14

中圖分類號(hào):O329文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Characteristics of ground vibration caused by blasting demolition collapse of zhuanyang viaduct

YANGYong-qiang1,HUJin-jun1,XIELi-li1,2,DAIJun-wu1,WUXing-he1(1. Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，Institute of Engineering Mechanics, CEA, Harbin 150080, China;2. School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

Abstract:Based on measured results, the ground vibration acceleration characteristics caused by blasting demolition collapse of Dunyang viaduct were analyzed. The conclusions were that the peak of ground vibration acceleration decreases with increase in distance; the acceleration peak of vertical component is greater than that of horizontal one, but the difference becomes smaller in the far field; the peak frequency of the ground vibration acceleration measured on line 1 drops exponentially with increase in distance, but the same trend is not found on measuring line 2 and line 3; the peak frequency of tangential component of ground vibration acceleration is the highest on line 1, that on line 2 is higher and that on line 3 is the lowest; the duration of ground vibration acceleration increases with increase in distance, and the duration of its horizontal component is longer than that of its vertical component; vibration reduction measures can reduce the peak value of ground vibration acceleration, and at the same time reduce the peak frequency and lengthen the duration of ground vibration acceleration; the vibration superposition effect of continuous collapse of multiple bridge spans increases the peak value of ground vibration acceleration and reduces the peak frequency, that is adverse to the building security.

Key words:Dunyang viaduct; blasting demolition; collapse; ground vibration; vibration superposition effect

拆除爆破是在清除二戰(zhàn)遺留建筑物的背景下興起的。隨著這門技術(shù)的日臻完善及城市現(xiàn)代化改造步伐的加快，拆除爆破在城市中進(jìn)行拆除工作越來(lái)越普遍，已成為拆除業(yè)中最有競(jìng)爭(zhēng)力的方法之一。同傳統(tǒng)開(kāi)鑿拆除方法相比，爆破拆除法具有拆除周期短，勞動(dòng)強(qiáng)度低，安全高效等優(yōu)點(diǎn)。目前，拆除爆破己在世界各地被廣泛地采用，尤其是在中國(guó)及歐美的許多國(guó)家拆除爆破的應(yīng)用范圍十分廣泛[1-2]。

拆除爆破在獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生一系列的負(fù)面效應(yīng)，比如震動(dòng)效應(yīng)，會(huì)對(duì)周圍建筑物造成危害。目前，拆除爆破方案設(shè)計(jì)時(shí)震動(dòng)控制主要依賴于經(jīng)驗(yàn)公式和一些定性的分析進(jìn)行，這些經(jīng)驗(yàn)公式都是由若干次爆破試驗(yàn)和實(shí)踐總結(jié)出來(lái)的，各類經(jīng)驗(yàn)公式表達(dá)各不相同，往往相差很大。隨著觀測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 以及人們對(duì)安全的關(guān)注程度增高和各國(guó)越來(lái)越嚴(yán)格的安全和環(huán)保法規(guī)的出臺(tái), 拆除爆破開(kāi)始走出過(guò)分依賴經(jīng)驗(yàn)的舊路, 將現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)手段應(yīng)用于研究中, 以便使拆除爆破向更科學(xué)、可控、準(zhǔn)確的方向發(fā)展，隨之爆破觀測(cè)及相關(guān)研究得到了較快發(fā)展。龍?jiān)吹萚3]研究了爆破震動(dòng)測(cè)試信號(hào)的處理方法，蔚立元等[4]采用數(shù)值模擬的方法研究了青島海底隧道爆破振動(dòng)響應(yīng)，為施工和監(jiān)測(cè)提供參考，徐澤沛等[5-6]分別研究了建(構(gòu))筑物爆破拆除塌落振動(dòng)對(duì)附近建筑物的影響，周家漢[7]對(duì)比了經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，指出采取減振措施后振動(dòng)峰值能降低70%以上。

拆除爆破工程實(shí)踐表明，建筑物拆除時(shí)塌落振動(dòng)往往比爆破振動(dòng)大，現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)公式估算值比實(shí)測(cè)值要大很多[8]。本次工程爆破將利用測(cè)振儀監(jiān)測(cè)橋面塌落時(shí)沿垂直橋面方向不同距離的地面振動(dòng)，為評(píng)價(jià)高架橋爆破對(duì)既有建筑、構(gòu)筑物的安全距離以及以后陸地高架橋爆破拆除提供參考。爆破拆除塌落振動(dòng)與自然地震動(dòng)存在較大差別，本文將從地震動(dòng)三要素(峰值、頻譜和持時(shí))分析本次高架橋爆破拆除塌落振動(dòng)的加速度特征。同時(shí)，本次振動(dòng)觀測(cè)還為發(fā)展建(構(gòu))筑物爆破拆除塌落振動(dòng)相關(guān)理論方法提供原型實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

1工程概述[9]

本次橋梁拆除范圍為318國(guó)道武漢市漢陽(yáng)區(qū)升官渡至東岳廟沌陽(yáng)高架橋，全橋總長(zhǎng)3 476.50 m，一次性爆破拆除全國(guó)未有先例。該高架橋?yàn)槲錆h市沌口開(kāi)發(fā)區(qū)城區(qū)主干道，橫跨5個(gè)十字路口，由北向南依次為車城北路、神龍大道、沌陽(yáng)大道、車城大道和車城南路，見(jiàn)圖1。其主橋?yàn)橄群?jiǎn)支后鋼構(gòu)-連續(xù)體系，上部構(gòu)造為先張法部分預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，橋?qū)挒?6 m，見(jiàn)圖2。全橋共181孔，其中18 m跨徑為26孔，16 m跨徑為154孔，15.5 m跨徑為1孔。18 m跨徑一般位于十字路口，其單跨單幅質(zhì)量約為150 t，橋面重心高度約為4.0 m。

圖1　沌陽(yáng)高架橋跨越道路分布圖 Fig.1 Crossing road map of Zhuanyang viaduct

圖2　主橋斷面圖(單位：cm) Fig.2 Sectional drawing of main bridge (unit: cm)

爆破方案為：

(1)采用一次點(diǎn)火起爆，自90#墩(橋梁中間，沌陽(yáng)大道南側(cè))向兩端起爆。

(2)所有墩柱均鉆孔爆破，炮孔內(nèi)裝MS16段導(dǎo)爆管雷管，橋墩間延時(shí)310ms。

(3)爆破飛散物防護(hù)采用覆蓋防護(hù)和近體防護(hù)相結(jié)合的綜合防護(hù)措施。

(4)地下管線采用鋪設(shè)鋼板、沙袋墻、輪胎等減振措施，見(jiàn)圖3。

圖3　沙袋墻、輪胎等減振措施 Fig.3 Vibration reduction measures such as sand wall, tires

2測(cè)量方案

由于橋梁較長(zhǎng)，且爆破從中間向兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行爆破，考慮到對(duì)稱性，在橋梁的北半段東側(cè)選取三個(gè)測(cè)線監(jiān)測(cè)塌落時(shí)地面振動(dòng)加速度，具體方案如下：

(1)測(cè)線的選擇：沿高架橋方向選取沌陽(yáng)大道、神龍大道和車城北路三個(gè)截面進(jìn)行測(cè)量，見(jiàn)圖1。

(2)觀測(cè)點(diǎn)的布置：橋梁東側(cè)距離橋面邊緣15 m、30 m、45 m、75 m和120 m的位置沿道路布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖4，三個(gè)測(cè)線類似。

(3)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)振儀布置：每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別沿垂直于橋梁方向(記為徑向)、平行于橋梁方向(記為切向)和豎向布設(shè)測(cè)振儀；本試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)測(cè)線，每個(gè)測(cè)線5個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)3個(gè)測(cè)振儀，共布設(shè)測(cè)振儀45只。

圖4　測(cè)點(diǎn)示意圖 Fig.4 Schematic diagram of measuring points

3地面振動(dòng)加速度測(cè)試結(jié)果及分析

此次爆破15個(gè)觀測(cè)點(diǎn)均完整記錄了橋梁爆破拆除塌落觸地地面震動(dòng)過(guò)程，限于篇幅僅給出三條測(cè)線的觀察點(diǎn)1的加速度時(shí)程，見(jiàn)圖5。

3.1加速度衰減規(guī)律

加速度峰值(PGA)往往是描述地震動(dòng)記錄最重要的參數(shù)，其大小表征地震動(dòng)的破壞作用大小。根據(jù)實(shí)

測(cè)結(jié)果，本文統(tǒng)計(jì)了三個(gè)測(cè)線的加速度峰值衰減曲線，見(jiàn)圖6。首先，對(duì)比不同測(cè)線的加速度可以看出，三條測(cè)線地面振動(dòng)各分量加速度峰值隨距離的變化規(guī)律相差不大；測(cè)線2和測(cè)線3的地面振動(dòng)加速度峰值明顯大于測(cè)線1，這與爆破過(guò)程相關(guān)，因?yàn)闇y(cè)線1處于起爆點(diǎn)，地面振動(dòng)疊加效應(yīng)不明顯，而測(cè)線2和測(cè)線3處于爆破體中間和末端，有一定的疊加效應(yīng)。其次，對(duì)比單個(gè)測(cè)線的豎向和水平向加速度可以看出，豎向加速度峰值顯著大于水平向，衰減速度也最快，在15 m處豎向加速度峰值約為水平向的4~8倍，但到120 m處時(shí)這個(gè)倍數(shù)降低到1.5~2。最后，對(duì)比單個(gè)測(cè)線水平向加速度的兩個(gè)分量可以看出，徑向加速度峰值隨距離增大緩慢衰減，而切向加速度峰值則基本不衰減，近距離時(shí)徑向加速度峰值大于切向，而遠(yuǎn)距離是反之，但兩者差別不大。

3.2峰值頻率與距離的關(guān)系

峰值頻率反映了地面振動(dòng)加速度的頻譜特征，表示這一頻率的建筑或體系受地面振動(dòng)的影響最為明顯，也就是說(shuō)地面振動(dòng)對(duì)此頻率建筑或體系最為不利。

圖5　地面振動(dòng)加速度測(cè)試結(jié)果 Fig.5 Test results of ground vibration acceleration

圖6　地面振動(dòng)加速度峰值衰減曲線 Fig.6 Attenuation curve of PGA

本文計(jì)算各個(gè)測(cè)點(diǎn)三個(gè)分量的振動(dòng)加速度峰值頻率，見(jiàn)圖7?？傮w上來(lái)看，由于每個(gè)橋墩處都采用沙袋減振，并且在地下管線上方采用沙袋墻和輪胎減振，致使此次高架橋爆破拆除塌落觸地振動(dòng)的峰值頻率偏低。沌陽(yáng)大道測(cè)線的三個(gè)方向地面振動(dòng)加速度峰值頻率隨距離增加呈指數(shù)降低趨勢(shì)，并且三個(gè)分量類似；神龍大道和車城北路測(cè)線與沌陽(yáng)大道測(cè)線不同，峰值頻率隨距離的變化規(guī)律不明顯，并且三個(gè)分量各不相同。初步分析認(rèn)為，由于從沌陽(yáng)大道起爆向兩側(cè)進(jìn)行爆破，故神龍大道和車城北路的地面振動(dòng)疊加效應(yīng)明顯高于沌陽(yáng)大道，造成這兩條測(cè)線的地面振動(dòng)加速度峰值頻率隨距離變化無(wú)規(guī)律。對(duì)比三條測(cè)線的切線振動(dòng)峰值頻率可以發(fā)現(xiàn)，三條測(cè)線的切線整體振動(dòng)頻率為沌陽(yáng)大道最高，神龍大道次之，車城北路最低，這也驗(yàn)證了切向振動(dòng)疊加效應(yīng)最明顯。

另外，從本次測(cè)量結(jié)果看，單個(gè)橋聯(lián)塌落振動(dòng)加速度的峰值頻率在第一個(gè)測(cè)點(diǎn)位置時(shí)較高，小于一般結(jié)構(gòu)的自振周期，隨距離增加頻率降低，但峰值也很快衰減，所以對(duì)既有建筑物影響不大，如測(cè)線1；當(dāng)多個(gè)橋聯(lián)連續(xù)塌落時(shí)，疊加效應(yīng)使得地面振動(dòng)加速度的峰值頻率降低，接近中低層建筑的自振周期，由3.1分析可知，疊加效應(yīng)還造成地面振動(dòng)加速度峰值的增大，如測(cè)線2和測(cè)線3，這都不利于建筑安全，在爆破拆除是應(yīng)盡量避免。

圖7　地面振動(dòng)加速度峰值頻率與距離關(guān)系 Fig.7 Relationship between peak frequency of ground vibration acceleration and distance

圖8　地面振動(dòng)加速度持時(shí)與距離關(guān)系 Fig.8 Relationship between duration of ground vibration acceleration and distance

3.3持時(shí)與距離的關(guān)系

持時(shí)(地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間)是地震動(dòng)特性三要素之一，對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞有重要影響，也是衡量地震動(dòng)破壞性的重要參數(shù)，持時(shí)加長(zhǎng)會(huì)在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生累積變形和累積破壞[10]。持時(shí)定義有多種，本文采用1/5分?jǐn)?shù)持時(shí)[11]，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8?？梢钥闯觯齻€(gè)分量的加速度持時(shí)都隨距離增加而變長(zhǎng)，徑向分量持時(shí)和切向分量持時(shí)隨距離增大互有長(zhǎng)短，但是均比豎向分量持時(shí)要長(zhǎng)。橋面塌落觸地振動(dòng)持時(shí)相比爆破和強(qiáng)夯的地面加速度持時(shí)明顯延長(zhǎng)[12-13]，與中、小級(jí)自然地震的加速度記錄持時(shí)相當(dāng)，這與采取沙袋和輪胎等減振措施相關(guān)。減震裝置明顯降低加速度峰值的同時(shí)，使得地面振動(dòng)加速度的峰值頻率降低、持時(shí)增加。峰值頻率和持時(shí)的這一變化對(duì)建筑結(jié)構(gòu)不利，因此，采取減振措施時(shí)應(yīng)考慮周邊既有建筑的自振特性，綜合考慮減震措施對(duì)峰值和持時(shí)的影響。

4結(jié)論

本文介紹了沌陽(yáng)高架橋爆破拆除塌落振動(dòng)觀測(cè)方案和觀測(cè)結(jié)果，利用觀測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)了峰值、峰值頻率、持時(shí)隨距離的變化規(guī)律，對(duì)比了三條測(cè)線的差異，結(jié)論如下：

(1)三條測(cè)線的地面振動(dòng)加速度峰值隨距離增大的變化規(guī)律相似；測(cè)線2和測(cè)線3的地面振動(dòng)加速度峰值相當(dāng)，并且明顯大于測(cè)線1；豎向分量加速度峰值顯著大于水平向，但隨距離增加迅速衰減，距離較遠(yuǎn)時(shí)與水平分量加速度峰值差異變??；水平分量加速度峰值隨距離增大緩慢衰減或不衰減。

(2)測(cè)線1的三個(gè)方向地面振動(dòng)加速度峰值頻率隨距離增加呈指數(shù)降低趨勢(shì)，并且三個(gè)分量類似；測(cè)線2和測(cè)線3的地面振動(dòng)加速度峰值頻率隨距離的變化規(guī)律不明顯，并且三個(gè)分量各不相同，分析認(rèn)為與振動(dòng)疊加有關(guān)；三條測(cè)線的切向振動(dòng)分量的峰值頻率為測(cè)線1>測(cè)線2>測(cè)線3，驗(yàn)證了疊加效應(yīng)的存在。

(3)三條測(cè)線各分量的地面振動(dòng)加速度持時(shí)都隨距離增加而變長(zhǎng)，水平分量持時(shí)大于豎向分量；橋面塌落振動(dòng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，這與采取沙袋墻和輪胎等減振措施相關(guān)。

(4)多個(gè)橋聯(lián)連續(xù)塌落觸地產(chǎn)生的疊加效應(yīng)使得地面振動(dòng)加速度峰值增加、峰值頻率降低，不利于建筑結(jié)構(gòu)安全，在爆破拆除時(shí)應(yīng)予以避免；沙袋、輪胎等減振措施，在降低地面振動(dòng)峰值的同時(shí)，也會(huì)降低地面振動(dòng)峰值頻率、延長(zhǎng)地面振動(dòng)持時(shí)，可能對(duì)中低層建筑產(chǎn)生不利影響，應(yīng)予以注意。

致謝：感謝武漢爆破有限公司對(duì)本次地面振動(dòng)觀測(cè)的協(xié)助和支持。

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