楊永強(qiáng), 胡進(jìn)軍, 謝禮立,2, 吳興和

(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)

高架橋爆破拆除觸地振動(dòng)速度特征分析

楊永強(qiáng)1, 胡進(jìn)軍1, 謝禮立1,2, 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)

以某高架橋爆破拆除工程為例，總結(jié)了高架橋爆破拆除塌落引起的地面振動(dòng)特征，通過(guò)與經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比，分析了高架橋爆破拆除塌落觸地振動(dòng)速度衰減規(guī)律與經(jīng)驗(yàn)公式之間的差異，主要結(jié)論如下：三條測(cè)線地面振動(dòng)速度峰值中豎向分量最大，兩個(gè)水平分量較??；測(cè)線2和測(cè)線3各測(cè)點(diǎn)的地面振動(dòng)速度峰值比測(cè)線1略大，說(shuō)明地面振動(dòng)存在一定的疊加，并且測(cè)點(diǎn)距離高架橋越遠(yuǎn)疊加越明顯；本次高架橋爆破拆除塌落觸地振動(dòng)的主振頻率偏低；豎向分量的主振頻率最高，徑向和切向主振頻率較低且相近；在測(cè)點(diǎn)距離較小時(shí)，地面振動(dòng)速度實(shí)測(cè)值小于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值，而距離較大時(shí)在相反，實(shí)測(cè)值與距離接近于線性關(guān)系；本次爆破拆除方案設(shè)計(jì)合理，周邊建筑物安全。

高架橋；爆破拆除；塌落；振動(dòng)速度；疊加

近年，隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展,越來(lái)越多的工程需要拆除重建或拆除改建。工程拆除一般分為：人工拆除、機(jī)械拆除和控制爆破拆除三大類(lèi)[1]。隨著國(guó)內(nèi)外大量爆破拆除實(shí)踐對(duì)工程經(jīng)驗(yàn)的充實(shí)，以及計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在爆破拆除中的運(yùn)用，爆破拆除已成為拆除行業(yè)中最常用的方法之一。在中國(guó)、美國(guó)和眾多的西歐國(guó)家，爆破拆除占有重要地位[2-4]。

爆破拆除擁有諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也會(huì)存在一些負(fù)面效應(yīng)，比如振動(dòng)效應(yīng)，會(huì)對(duì)周?chē)ㄖ飵?lái)潛在威脅。目前，爆破拆除方案設(shè)計(jì)時(shí)振動(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)公式是由若干次爆破試驗(yàn)和實(shí)踐總結(jié)出來(lái)的，各類(lèi)經(jīng)驗(yàn)公式表達(dá)各不相同，往往相差很大。隨著人們對(duì)安全的關(guān)注程度增高, 爆破拆除開(kāi)始走出過(guò)分依賴經(jīng)驗(yàn)的舊路，隨之爆破觀測(cè)及相關(guān)研究得到了較快發(fā)展。林繼清[5]總結(jié)了現(xiàn)場(chǎng)爆破加速度的衰減規(guī)律和它在各個(gè)方向的比例關(guān)系以及地形對(duì)加速度值的影響情況。徐澤沛[6]研究了建筑物爆破拆除過(guò)程和塌落觸地振動(dòng)特征。姚瓊[7]評(píng)價(jià)了建筑物在實(shí)際爆破拆除塌落振動(dòng)作用下的安全性，并討論了建筑物爆破拆除塌落觸地振動(dòng)的特點(diǎn)。賀建輝[8]研究了建筑物，尤其是建筑物非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在爆破地振動(dòng)作用下的安全性評(píng)價(jià)問(wèn)題。周家漢[9]對(duì)比了塌落振動(dòng)速度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，指出采取減振措施后塌落振動(dòng)峰值能降低70%以上。爆破拆除工程實(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[10-11]。

由上述分析可以看出，現(xiàn)有相關(guān)研究成果基本都是針對(duì)建筑物爆破拆除展開(kāi)的，而高架橋爆破拆除觸地振動(dòng)相關(guān)研究較少。本文將結(jié)合某高架橋爆破拆除實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析橋面塌落觸地振動(dòng)特征，并與經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比，供以后高架橋爆破拆除工程參考。

1爆破拆除概況

本次橋梁拆除范圍為318國(guó)道武漢市漢陽(yáng)區(qū)升官渡至東岳廟段高架橋，全橋總長(zhǎng)3 476.50 m。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(chē)城北路、神龍大道、沌陽(yáng)大道、車(chē)城大道和車(chē)城南路，見(jiàn)圖1。全橋共181孔，其單跨單幅質(zhì)量約為150 t，橋面重心高度約為4.0 m[12]。

采取橋墩間延時(shí)爆破方案，每個(gè)橋墩處采用沙袋減震。由于橋梁較長(zhǎng)，且爆破從中間向兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行，考慮到對(duì)稱性，在橋梁的北半段東側(cè)選取三條測(cè)線監(jiān)測(cè)橋面塌落時(shí)地面振動(dòng)(見(jiàn)圖1)，具體方案見(jiàn)下文。

圖1　拆除高架橋位置圖Fig.1 Map ofdemolished Viaduct

(1) 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2，三個(gè)測(cè)線類(lèi)似。

(2) 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。

2測(cè)試結(jié)果及分析

本次測(cè)量的采集量為加速度，而《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2011)以及現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式都采用速度指標(biāo)，故本文對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到了各個(gè)測(cè)點(diǎn)的地面振動(dòng)速度，限于篇幅僅給出了測(cè)線1中測(cè)點(diǎn)1的地面振動(dòng)速度時(shí)程曲線，見(jiàn)圖3。

圖2　測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of measuring points

圖3　地面振動(dòng)速度時(shí)程曲線Fig.3 Curves of ground vibration velocity

2.1速度峰值

速度峰值(PGV)是描述地震動(dòng)的常用參數(shù)之一，一般認(rèn)為其大小表征地震動(dòng)的能量大小。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，本文統(tǒng)計(jì)了三個(gè)測(cè)線的速度峰值與測(cè)量距離的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖4。首先，對(duì)比不同測(cè)線的速度峰值可以看出，三條測(cè)線地面振動(dòng)各分量速度峰值隨距離的變化規(guī)律相似；其次，本工程為橋墩間延時(shí)爆破，測(cè)線1斷面為爆破起始點(diǎn)，故測(cè)線1上的各個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)疊加不明顯，而測(cè)線2和測(cè)線3位于爆破線路的中間和末端，各測(cè)點(diǎn)地面振動(dòng)存在一定的疊加，所以從整體來(lái)看，測(cè)線2和測(cè)線3的地面振動(dòng)速度峰值比測(cè)線1稍大；再次，對(duì)比單個(gè)測(cè)線的豎向和水平向速度分量可以看出，豎向速度峰值顯著大于水平向，說(shuō)明爆破拆除塌落觸地振動(dòng)以豎向振動(dòng)為主，這與自然地震動(dòng)明顯不同；最后，除測(cè)線1的測(cè)點(diǎn)1以外，切向地面振動(dòng)速度峰值均大于徑向速度峰值。

圖4　地面振動(dòng)速度峰值與距離的關(guān)系Fig.4 Relationship between PGV and Distance

2.2主振頻率

早期的《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-86)[13]將速度作為衡量爆破振動(dòng)引起地面建筑物振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)的唯一安全性指標(biāo)，但是速度只能反映爆破振動(dòng)因素，而忽視結(jié)構(gòu)自身動(dòng)力特性的因素，不能反映爆破地震動(dòng)作用下的地表建筑物破壞機(jī)制。因此，《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)[14]在借鑒國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上把爆破振動(dòng)速度和主振頻率的共同作為衡量爆破地震動(dòng)作用下建筑物安全性的指標(biāo)。

主振頻率反映了地面振動(dòng)速度的頻譜特征，表示地面振動(dòng)速度在這一頻率上振幅最大，也就是說(shuō)周邊建筑物自振頻率與此頻率越接近危險(xiǎn)性越高。本文通過(guò)傅里葉變換得到了各個(gè)測(cè)點(diǎn)三個(gè)分量的主振頻率，見(jiàn)圖5。總體上來(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，所以此次高架橋爆破拆除塌落觸地振動(dòng)的主振頻率偏低，基本在1.5 Hz到12.5 Hz之間。對(duì)比三條測(cè)線，可以看出各個(gè)分量主振頻率與距離的關(guān)系不明顯，三條測(cè)線的平均主振頻率為測(cè)線2最高，測(cè)線1次之，測(cè)線3最低。從單條測(cè)線來(lái)看，豎向分量的主振頻率最高，徑向和切向主振頻率較低且相近。

圖5　主振頻率與距離的關(guān)系Fig.5 Relationship between main vibration frequency and distance

3振動(dòng)速度峰值衰減規(guī)律

研究爆破塌落觸地振動(dòng)速度衰減規(guī)律，可以為爆破方案設(shè)計(jì)及周邊環(huán)境的安全性評(píng)價(jià)提供依據(jù)，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。從圖4可以看出，各個(gè)分量的豎向分量衰減速度最快，從15 m到120 m處時(shí)速度峰值衰減超過(guò)70%；徑向分量衰減速度次之，從15 m處到120 m處速度峰值降低一半左右；切向分量隨距離變大先增加再降低，測(cè)線1到測(cè)線3增加趨勢(shì)越來(lái)越明顯。由經(jīng)驗(yàn)可知，若為單點(diǎn)爆破則各個(gè)分量的振動(dòng)速度峰值必然隨距離增加而降低，因此可以推斷這種延時(shí)爆破方案會(huì)造成一定的地面振動(dòng)疊加，并且切向分量振動(dòng)疊加最明顯。

《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2011)[15]爆破振動(dòng)安全性評(píng)價(jià)中取質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度三個(gè)分量中的最大值，因此本文利用豎向振動(dòng)速度峰值來(lái)與文獻(xiàn)[9]中的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對(duì)比。文獻(xiàn)[9]中公式參數(shù)取值為Kt=3.37～4.09，β=-1.66～-1.80，故本文計(jì)算了經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)結(jié)果的最大值和最小值，見(jiàn)圖6。

圖6　PGV測(cè)量值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值對(duì)比Fig.6 Comparation of PGVs measured and PGVs calculated by experience formulas

由圖6可以看出，在測(cè)點(diǎn)與橋面距離較小時(shí)，PGV的實(shí)測(cè)值明顯小于預(yù)測(cè)值，而距離較大時(shí)實(shí)測(cè)值明顯大于預(yù)測(cè)值，實(shí)測(cè)值的衰減速度較慢，與預(yù)測(cè)值相比，實(shí)測(cè)PGV隨距離增大更接近于線性衰減。這說(shuō)明高架橋爆破拆除塌落觸地振動(dòng)速度衰減關(guān)系與普通建(構(gòu))筑物明顯不同，其主要原因是高架橋一般長(zhǎng)度較大，多采用從某個(gè)橋墩開(kāi)始向一側(cè)或兩側(cè)依次延時(shí)爆破的拆除破方案，使遠(yuǎn)距離地面振動(dòng)產(chǎn)生了一定的疊加，并且這種疊加對(duì)近距離地面振動(dòng)峰值影響不大。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知，周邊建筑物與拆除高架橋的最近距離為38 m，并且均為一般民用建筑物或工業(yè)、商業(yè)建筑物[12]，由實(shí)測(cè)結(jié)果和《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2011)中表13-1可知，周邊建筑是安全的，本次爆破方案設(shè)計(jì)合理。

4結(jié)論

本文利用某高架橋爆破拆除塌落振動(dòng)觀測(cè)結(jié)果，分析了高架橋爆破拆除塌落觸地振動(dòng)速度特征，并與經(jīng)驗(yàn)衰減公式進(jìn)行了對(duì)比，主要結(jié)論如下：

(1) 三條測(cè)線地面振動(dòng)速度峰值與距離的關(guān)系相似；豎向分量的速度峰值最大，兩個(gè)水平分量速度峰值較?。粶y(cè)線2和測(cè)線3各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值比測(cè)線1略大，說(shuō)明地面振動(dòng)存在一定的疊加。

(2) 由于每個(gè)橋墩處均采取了減震措施，故本項(xiàng)目橋面塌落觸地振動(dòng)的主振頻率偏低，基本在1.5 Hz到12.5 Hz之間；豎向分量的主振頻率最高，徑向和切向主振頻率較低且相近。

(3) 在測(cè)點(diǎn)與橋面距離較小時(shí)，PGV的實(shí)測(cè)值小于預(yù)測(cè)值，而距離較大時(shí)實(shí)測(cè)值明顯大于預(yù)測(cè)值，實(shí)測(cè)值隨距離增大接近于線性衰減。

(4) 本次爆破拆除方案設(shè)計(jì)合理，橋面塌落觸地振動(dòng)對(duì)周邊建筑物影響在安全范圍以內(nèi)。

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

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Characteristics of ground vibration velocity in viaduct blasting demolition

YANG Yong-qiang1, HU Jin-jun1, XIE Li-li1,2, WU Xing-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)

Based on the measured results, ground vibration velocity characteristics caused by blasting demolition of a viaduct was analyzed and the difference between collapsing touch ground vibration velocity attenuation law of viaduct blasting demolition and empirical formulas was discussed. The main conclusions were that the vertical component peak of ground vibration velocity is the largest, peaks of the two horizontal component are smaller; the peak value of ground vibration velocity of each measured point on line 2 and line 3 is slightly larger than that on line 1; there is a super position of ground vibrations, the superposition becomes more obvious with increase in the distance between the measured point and the viaduct; the main vibration frequencies are lower in this case, the main vibration frequency of the vertical component is the highest at every measured point; when the distance between the measured point and the viaduct is smaller, the measured values of ground vibration velocity are less than the calculated ones with empirical formula, and when the distance is larger the situation is the opposite; the relation between the measured values and distance is close to a linear one; the design scheme of blasting demolition is reasonable and the surrounding buildings are safe.

viaduct; blasting demolition; collapse; vibration velocity; superposition

10.13465/j.cnki.jvs.2016.11.023

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E201360)；國(guó)家自然科學(xué)基金(51308516)

2015-08-25修改稿收到日期：2015-12-06

楊永強(qiáng) 男，副研究員，博士，1983年生

O329

A