沌阳高架桥爆破拆除塌落引起的地面振动特征

第一作者杨永强男，博士，助理研究员，1983年4月生

通信作者胡进军男，博士，副研究员，1978年6月生

沌阳高架桥爆破拆除塌落引起的地面振动特征

杨永强1，胡进军1，谢礼立1, 2，戴君武1，吴兴和1

(1. 中国地震局地震工程与工程振动重点实验室，中国地震局工程力学研究所，哈尔滨150080；2. 哈尔滨工业大学土木工程学院，哈尔滨150090)

摘要：利用实测结果分析了桥梁爆破拆除塌落引起的地面振动加速度特征，结论如下：桥梁塌落地面振动加速度峰值随距离增大而降低，竖向分量加速度峰值显著大于水平分量，随距离增大差别变小；测线1的地面振动加速度峰值频率随距离增加呈指数降低趋势，受叠加效应影响，测线2和测线3的地面振动加速度峰值频率随距离的变化规律不明显；测线1的切向振动分量的峰值频率最高，测线2次之，测线3最低；地面振动加速度持时随距离增加而变长，水平分量持时大于竖向分量；减振措施在降低爆破塌落振动峰值的同时也会降低地面振动峰值频率、延长其持时；多个桥联连续塌落产生的叠加效应使得地面振动加速度峰值增加、峰值频率降低，不利于建筑结构安全。

关键词：沌阳高架桥；爆破拆除；塌落；地面振动；叠加效应

基金项目：中国地震局工程力学研究所基本科研业务费专项(2011B02);国家自然科学基金(51308516);浙江省自然科学基金(LQ12E08006)

收稿日期：2013-12-05修改稿收到日期：2014-03-14

中图分类号:O329文献标志码：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战遗留建筑物的背景下兴起的。随着这门技术的日臻完善及城市现代化改造步伐的加快，拆除爆破在城市中进行拆除工作越来越普遍，已成为拆除业中最有竞争力的方法之一。同传统开凿拆除方法相比，爆破拆除法具有拆除周期短，劳动强度低，安全高效等优点。目前，拆除爆破己在世界各地被广泛地采用，尤其是在中国及欧美的许多国家拆除爆破的应用范围十分广泛[1-2]。

拆除爆破在获得巨大的经济效益的同时，也会产生一系列的负面效应，比如震动效应，会对周围建筑物造成危害。目前，拆除爆破方案设计时震动控制主要依赖于经验公式和一些定性的分析进行，这些经验公式都是由若干次爆破试验和实践总结出来的，各类经验公式表达各不相同，往往相差很大。随着观测技术和计算机技术的发展, 以及人们对安全的关注程度增高和各国越来越严格的安全和环保法规的出台, 拆除爆破开始走出过分依赖经验的旧路, 将现代先进技术手段应用于研究中, 以便使拆除爆破向更科学、可控、准确的方向发展，随之爆破观测及相关研究得到了较快发展。龙源等[3]研究了爆破震动测试信号的处理方法，蔚立元等[4]采用数值模拟的方法研究了青岛海底隧道爆破振动响应，为施工和监测提供参考，徐泽沛等[5-6]分别研究了建(构)筑物爆破拆除塌落振动对附近建筑物的影响，周家汉[7]对比了经验公式和实测数据，指出采取减振措施后振动峰值能降低70%以上。

拆除爆破工程实践表明，建筑物拆除时塌落振动往往比爆破振动大，现有的经验公式估算值比实测值要大很多[8]。本次工程爆破将利用测振仪监测桥面塌落时沿垂直桥面方向不同距离的地面振动，为评价高架桥爆破对既有建筑、构筑物的安全距离以及以后陆地高架桥爆破拆除提供参考。爆破拆除塌落振动与自然地震动存在较大差别，本文将从地震动三要素(峰值、频谱和持时)分析本次高架桥爆破拆除塌落振动的加速度特征。同时，本次振动观测还为发展建(构)筑物爆破拆除塌落振动相关理论方法提供原型实测数据。

1工程概述[9]

本次桥梁拆除范围为318国道武汉市汉阳区升官渡至东岳庙沌阳高架桥，全桥总长3 476.50 m，一次性爆破拆除全国未有先例。该高架桥为武汉市沌口开发区城区主干道，横跨5个十字路口，由北向南依次为车城北路、神龙大道、沌阳大道、车城大道和车城南路，见图1。其主桥为先简支后钢构-连续体系，上部构造为先张法部分预应力混凝土空心板，桥宽为16 m，见图2。全桥共181孔，其中18 m跨径为26孔，16 m跨径为154孔，15.5 m跨径为1孔。18 m跨径一般位于十字路口，其单跨单幅质量约为150 t，桥面重心高度约为4.0 m。

图1　沌阳高架桥跨越道路分布图 Fig.1 Crossing road map of Zhuanyang viaduct

图2　主桥断面图(单位：cm) Fig.2 Sectional drawing of main bridge (unit: cm)

爆破方案为：

(1)采用一次点火起爆，自90#墩(桥梁中间，沌阳大道南侧)向两端起爆。

(2)所有墩柱均钻孔爆破，炮孔内装MS16段导爆管雷管，桥墩间延时310ms。

(3)爆破飞散物防护采用覆盖防护和近体防护相结合的综合防护措施。

(4)地下管线采用铺设钢板、沙袋墙、轮胎等减振措施，见图3。

图3　沙袋墙、轮胎等减振措施 Fig.3 Vibration reduction measures such as sand wall, tires

2测量方案

由于桥梁较长，且爆破从中间向两侧同时进行爆破，考虑到对称性，在桥梁的北半段东侧选取三个测线监测塌落时地面振动加速度，具体方案如下：

(1)测线的选择：沿高架桥方向选取沌阳大道、神龙大道和车城北路三个截面进行测量，见图1。

(2)观测点的布置：桥梁东侧距离桥面边缘15 m、30 m、45 m、75 m和120 m的位置沿道路布设观测点，见图4，三个测线类似。

(3)每个测点的测振仪布置：每个测点分别沿垂直于桥梁方向(记为径向)、平行于桥梁方向(记为切向)和竖向布设测振仪；本试验设置3个测线，每个测线5个测点，每个测点3个测振仪，共布设测振仪45只。

图4　测点示意图 Fig.4 Schematic diagram of measuring points

3地面振动加速度测试结果及分析

此次爆破15个观测点均完整记录了桥梁爆破拆除塌落触地地面震动过程，限于篇幅仅给出三条测线的观察点1的加速度时程，见图5。

3.1加速度衰减规律

加速度峰值(PGA)往往是描述地震动记录最重要的参数，其大小表征地震动的破坏作用大小。根据实

测结果，本文统计了三个测线的加速度峰值衰减曲线，见图6。首先，对比不同测线的加速度可以看出，三条测线地面振动各分量加速度峰值随距离的变化规律相差不大；测线2和测线3的地面振动加速度峰值明显大于测线1，这与爆破过程相关，因为测线1处于起爆点，地面振动叠加效应不明显，而测线2和测线3处于爆破体中间和末端，有一定的叠加效应。其次，对比单个测线的竖向和水平向加速度可以看出，竖向加速度峰值显著大于水平向，衰减速度也最快，在15 m处竖向加速度峰值约为水平向的4~8倍，但到120 m处时这个倍数降低到1.5~2。最后，对比单个测线水平向加速度的两个分量可以看出，径向加速度峰值随距离增大缓慢衰减，而切向加速度峰值则基本不衰减，近距离时径向加速度峰值大于切向，而远距离是反之，但两者差别不大。

3.2峰值频率与距离的关系

峰值频率反映了地面振动加速度的频谱特征，表示这一频率的建筑或体系受地面振动的影响最为明显，也就是说地面振动对此频率建筑或体系最为不利。

图5　地面振动加速度测试结果 Fig.5 Test results of ground vibration acceleration

图6　地面振动加速度峰值衰减曲线 Fig.6 Attenuation curve of PGA

本文计算各个测点三个分量的振动加速度峰值频率，见图7。总体上来看，由于每个桥墩处都采用沙袋减振，并且在地下管线上方采用沙袋墙和轮胎减振，致使此次高架桥爆破拆除塌落触地振动的峰值频率偏低。沌阳大道测线的三个方向地面振动加速度峰值频率随距离增加呈指数降低趋势，并且三个分量类似；神龙大道和车城北路测线与沌阳大道测线不同，峰值频率随距离的变化规律不明显，并且三个分量各不相同。初步分析认为，由于从沌阳大道起爆向两侧进行爆破，故神龙大道和车城北路的地面振动叠加效应明显高于沌阳大道，造成这两条测线的地面振动加速度峰值频率随距离变化无规律。对比三条测线的切线振动峰值频率可以发现，三条测线的切线整体振动频率为沌阳大道最高，神龙大道次之，车城北路最低，这也验证了切向振动叠加效应最明显。

另外，从本次测量结果看，单个桥联塌落振动加速度的峰值频率在第一个测点位置时较高，小于一般结构的自振周期，随距离增加频率降低，但峰值也很快衰减，所以对既有建筑物影响不大，如测线1；当多个桥联连续塌落时，叠加效应使得地面振动加速度的峰值频率降低，接近中低层建筑的自振周期，由3.1分析可知，叠加效应还造成地面振动加速度峰值的增大，如测线2和测线3，这都不利于建筑安全，在爆破拆除是应尽量避免。

图7　地面振动加速度峰值频率与距离关系 Fig.7 Relationship between peak frequency of ground vibration acceleration and distance

图8　地面振动加速度持时与距离关系 Fig.8 Relationship between duration of ground vibration acceleration and distance

3.3持时与距离的关系

持时(地震动持续时间)是地震动特性三要素之一，对结构的破坏有重要影响，也是衡量地震动破坏性的重要参数，持时加长会在结构中产生累积变形和累积破坏[10]。持时定义有多种，本文采用1/5分数持时[11]，计算结果见图8。可以看出，三个分量的加速度持时都随距离增加而变长，径向分量持时和切向分量持时随距离增大互有长短，但是均比竖向分量持时要长。桥面塌落触地振动持时相比爆破和强夯的地面加速度持时明显延长[12-13]，与中、小级自然地震的加速度记录持时相当，这与采取沙袋和轮胎等减振措施相关。减震装置明显降低加速度峰值的同时，使得地面振动加速度的峰值频率降低、持时增加。峰值频率和持时的这一变化对建筑结构不利，因此，采取减振措施时应考虑周边既有建筑的自振特性，综合考虑减震措施对峰值和持时的影响。

4结论

本文介绍了沌阳高架桥爆破拆除塌落振动观测方案和观测结果，利用观测结果统计了峰值、峰值频率、持时随距离的变化规律，对比了三条测线的差异，结论如下：

(1)三条测线的地面振动加速度峰值随距离增大的变化规律相似；测线2和测线3的地面振动加速度峰值相当，并且明显大于测线1；竖向分量加速度峰值显著大于水平向，但随距离增加迅速衰减，距离较远时与水平分量加速度峰值差异变小；水平分量加速度峰值随距离增大缓慢衰减或不衰减。

(2)测线1的三个方向地面振动加速度峰值频率随距离增加呈指数降低趋势，并且三个分量类似；测线2和测线3的地面振动加速度峰值频率随距离的变化规律不明显，并且三个分量各不相同，分析认为与振动叠加有关；三条测线的切向振动分量的峰值频率为测线1>测线2>测线3，验证了叠加效应的存在。

(3)三条测线各分量的地面振动加速度持时都随距离增加而变长，水平分量持时大于竖向分量；桥面塌落振动持续时间较长，这与采取沙袋墙和轮胎等减振措施相关。

(4)多个桥联连续塌落触地产生的叠加效应使得地面振动加速度峰值增加、峰值频率降低，不利于建筑结构安全，在爆破拆除时应予以避免；沙袋、轮胎等减振措施，在降低地面振动峰值的同时，也会降低地面振动峰值频率、延长地面振动持时，可能对中低层建筑产生不利影响，应予以注意。

致谢：感谢武汉爆破有限公司对本次地面振动观测的协助和支持。

参考文献

[1]徐书雷, 郑学召, 王小林,等. 浅述国内外拆除爆破现状[J]. 爆破, 2003, 20(2): 20-23.

XU Shu-lei, ZHENG Xue-zhao, WANG Xiao-lin, et al.Brief description about current situation of demolition blasting at home and abroad[J]. Blasting, 2003, 20(2): 20-23.

[2]汪旭光, 于亚伦. 21世纪的拆除爆破技术[J]. 工程爆破, 2000(3): 32-35.

WNAG Xue-guang, YU Ya-lun. Demolition blasting technology faced with the 21 Century [J]. Engineering Blasting, 2000(3): 32-35.

[3]龙源, 谢全民, 钟明寿,等. 爆破震动测试信号预处理分析中趋势项去除方法研究[J]. 工程力学, 2012, 29(10): 63-68.

LONG Yuan, XIE Quan-min, ZHONG Ming-shou, et al. Research on trend removing methods in preprocessing analysis of blasting vibration monitoring signals[J]. Engineering Mechanics, 2012, 29(10): 63-68.

[4]蔚立元, 李术才, 徐帮树. 青岛小净距海底隧道爆破振动响应研究[J]. 土木工程学报, 2010, 43(8): 100-108.

WEI Li-yuan, LI Shu-cai, XU Bang-shu. Study on the effect of blasting vibration for Qingdao twin subsea tunnels [J]. China Civil Engineering Journal, 2010, 43(8): 100-108.

[5]徐泽沛. 爆破拆除塌落过程及触地震动的分析研究[D]. 长沙:长沙理工大学, 2004.

[6]姚琼. 建筑物爆破拆除塌落振动作用下周边结构的安全性分析[D]. 武汉:武汉理工大学, 2007.

[7]周家汉. 爆破拆除塌落振动速度计算公式的讨论[J]. 工程爆破, 2009, 15(1):1-5.

ZHOU Jia-han. Discussion on calculation formula of collapsing vibration velocity caused by blasting demolition [J]. Engineering Blasting, 2009, 15(1):1-5.

[8]Guo Y L, Zuo Y J, Wang D A. Discussion on collapse vibration caused by demolition blasting[C] //New Development on Engineering Blasting. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2007.

[9]武汉爆破有限公司. 武汉沌阳高架桥爆破拆除方案[R]. 2013.4.12.

[10]Tiwari A K, Gupta V K. Scaling of ductility and damage-based strength reduction factors for horizontal motions[J]. Earthquake Engineering Structure Dynamics, 2000, 29(7): 969-987.

[11]Justin J K, Jonathan P S. Prediction equations for significant duration of earthquake ground motions considering site and near-source effects[J]. Earthquake Spectra, 2006, 22(4): 985-1013.

[12]李昭. 强夯振动衰减与场地介质性质相关性研究[D]. 武汉：中国地质大学, 2002.

[13]林继清. 关于爆破加速度测量的几个问题[J]. 岩土力学, 1984, 5(1): 57-63.

LIN Ji-qing. The measuring of explosive acceleration for several problems[J]. Rock and Soil Mechanics, 1984, 5(1): 57-63.