沌陽高架橋爆破拆除塌落引起的地面振動特征

第一作者楊永強男，博士，助理研究員，1983年4月生

通信作者胡進軍男，博士，副研究員，1978年6月生

沌陽高架橋爆破拆除塌落引起的地面振動特征

楊永強1，胡進軍1，謝禮立1, 2，戴君武1，吳興和1

(1. 中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室，中國地震局工程力學研究所，哈爾濱150080；2. 哈爾濱工業大學土木工程學院，哈爾濱150090)

摘要：利用實測結果分析了橋梁爆破拆除塌落引起的地面振動加速度特征，結論如下：橋梁塌落地面振動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，隨距離增大差別變小；測線1的地面振動加速度峰值頻率隨距離增加呈指數降低趨勢，受疊加效應影響，測線2和測線3的地面振動加速度峰值頻率隨距離的變化規律不明顯；測線1的切向振動分量的峰值頻率最高，測線2次之，測線3最低；地面振動加速度持時隨距離增加而變長，水平分量持時大于豎向分量；減振措施在降低爆破塌落振動峰值的同時也會降低地面振動峰值頻率、延長其持時；多個橋聯連續塌落產生的疊加效應使得地面振動加速度峰值增加、峰值頻率降低，不利于建筑結構安全。

關鍵詞：沌陽高架橋；爆破拆除；塌落；地面振動；疊加效應

基金項目：中國地震局工程力學研究所基本科研業務費專項(2011B02);國家自然科學基金(51308516);浙江省自然科學基金(LQ12E08006)

收稿日期：2013-12-05修改稿收到日期：2014-03-14

中圖分類號:O329文獻標志碼：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遺留建筑物的背景下興起的。隨著這門技術的日臻完善及城市現代化改造步伐的加快，拆除爆破在城市中進行拆除工作越來越普遍，已成為拆除業中最有競爭力的方法之一。同傳統開鑿拆除方法相比，爆破拆除法具有拆除周期短，勞動強度低，安全高效等優點。目前，拆除爆破己在世界各地被廣泛地采用，尤其是在中國及歐美的許多國家拆除爆破的應用范圍十分廣泛[1-2]。

拆除爆破在獲得巨大的經濟效益的同時，也會產生一系列的負面效應，比如震動效應，會對周圍建筑物造成危害。目前，拆除爆破方案設計時震動控制主要依賴于經驗公式和一些定性的分析進行，這些經驗公式都是由若干次爆破試驗和實踐總結出來的，各類經驗公式表達各不相同，往往相差很大。隨著觀測技術和計算機技術的發展, 以及人們對安全的關注程度增高和各國越來越嚴格的安全和環保法規的出臺, 拆除爆破開始走出過分依賴經驗的舊路, 將現代先進技術手段應用于研究中, 以便使拆除爆破向更科學、可控、準確的方向發展，隨之爆破觀測及相關研究得到了較快發展。龍源等[3]研究了爆破震動測試信號的處理方法，蔚立元等[4]采用數值模擬的方法研究了青島海底隧道爆破振動響應，為施工和監測提供參考，徐澤沛等[5-6]分別研究了建(構)筑物爆破拆除塌落振動對附近建筑物的影響，周家漢[7]對比了經驗公式和實測數據，指出采取減振措施后振動峰值能降低70%以上。

拆除爆破工程實踐表明，建筑物拆除時塌落振動往往比爆破振動大，現有的經驗公式估算值比實測值要大很多[8]。本次工程爆破將利用測振儀監測橋面塌落時沿垂直橋面方向不同距離的地面振動，為評價高架橋爆破對既有建筑、構筑物的安全距離以及以后陸地高架橋爆破拆除提供參考。爆破拆除塌落振動與自然地震動存在較大差別，本文將從地震動三要素(峰值、頻譜和持時)分析本次高架橋爆破拆除塌落振動的加速度特征。同時，本次振動觀測還為發展建(構)筑物爆破拆除塌落振動相關理論方法提供原型實測數據。

1工程概述[9]

本次橋梁拆除范圍為318國道武漢市漢陽區升官渡至東岳廟沌陽高架橋，全橋總長3 476.50 m，一次性爆破拆除全國未有先例。該高架橋為武漢市沌口開發區城區主干道，橫跨5個十字路口，由北向南依次為車城北路、神龍大道、沌陽大道、車城大道和車城南路，見圖1。其主橋為先簡支后鋼構-連續體系，上部構造為先張法部分預應力混凝土空心板，橋寬為16 m，見圖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，其單跨單幅質量約為150 t，橋面重心高度約為4.0 m。

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

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

(3)爆破飛散物防護采用覆蓋防護和近體防護相結合的綜合防護措施。

(4)地下管線采用鋪設鋼板、沙袋墻、輪胎等減振措施，見圖3。

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

2測量方案

由于橋梁較長，且爆破從中間向兩側同時進行爆破，考慮到對稱性，在橋梁的北半段東側選取三個測線監測塌落時地面振動加速度，具體方案如下：

(1)測線的選擇：沿高架橋方向選取沌陽大道、神龍大道和車城北路三個截面進行測量，見圖1。

(2)觀測點的布置：橋梁東側距離橋面邊緣15 m、30 m、45 m、75 m和120 m的位置沿道路布設觀測點，見圖4，三個測線類似。

(3)每個測點的測振儀布置：每個測點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)和豎向布設測振儀；本試驗設置3個測線，每個測線5個測點，每個測點3個測振儀，共布設測振儀45只。

圖4　測點示意圖 Fig.4 Schematic diagram of measuring points

3地面振動加速度測試結果及分析

此次爆破15個觀測點均完整記錄了橋梁爆破拆除塌落觸地地面震動過程，限于篇幅僅給出三條測線的觀察點1的加速度時程，見圖5。

3.1加速度衰減規律

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

測結果，本文統計了三個測線的加速度峰值衰減曲線，見圖6。首先，對比不同測線的加速度可以看出，三條測線地面振動各分量加速度峰值隨距離的變化規律相差不大；測線2和測線3的地面振動加速度峰值明顯大于測線1，這與爆破過程相關，因為測線1處于起爆點，地面振動疊加效應不明顯，而測線2和測線3處于爆破體中間和末端，有一定的疊加效應。其次，對比單個測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處時這個倍數降低到1.5~2。最后，對比單個測線水平向加速度的兩個分量可以看出，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，近距離時徑向加速度峰值大于切向，而遠距離是反之，但兩者差別不大。

3.2峰值頻率與距離的關系

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

圖5　地面振動加速度測試結果 Fig.5 Test results of ground vibration acceleration

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

本文計算各個測點三個分量的振動加速度峰值頻率，見圖7。總體上來看，由于每個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的峰值頻率偏低。沌陽大道測線的三個方向地面振動加速度峰值頻率隨距離增加呈指數降低趨勢，并且三個分量類似；神龍大道和車城北路測線與沌陽大道測線不同，峰值頻率隨距離的變化規律不明顯，并且三個分量各不相同。初步分析認為，由于從沌陽大道起爆向兩側進行爆破，故神龍大道和車城北路的地面振動疊加效應明顯高于沌陽大道，造成這兩條測線的地面振動加速度峰值頻率隨距離變化無規律。對比三條測線的切線振動峰值頻率可以發現，三條測線的切線整體振動頻率為沌陽大道最高，神龍大道次之，車城北路最低，這也驗證了切向振動疊加效應最明顯。

另外，從本次測量結果看，單個橋聯塌落振動加速度的峰值頻率在第一個測點位置時較高，小于一般結構的自振周期，隨距離增加頻率降低，但峰值也很快衰減，所以對既有建筑物影響不大，如測線1；當多個橋聯連續塌落時，疊加效應使得地面振動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，疊加效應還造成地面振動加速度峰值的增大，如測線2和測線3，這都不利于建筑安全，在爆破拆除是應盡量避免。

圖7　地面振動加速度峰值頻率與距離關系 Fig.7 Relationship between peak frequency of ground vibration acceleration and distance

圖8　地面振動加速度持時與距離關系 Fig.8 Relationship between duration of ground vibration acceleration and distance

3.3持時與距離的關系

持時(地震動持續時間)是地震動特性三要素之一，對結構的破壞有重要影響，也是衡量地震動破壞性的重要參數，持時加長會在結構中產生累積變形和累積破壞[10]。持時定義有多種，本文采用1/5分數持時[11]，計算結果見圖8。可以看出，三個分量的加速度持時都隨距離增加而變長，徑向分量持時和切向分量持時隨距離增大互有長短，但是均比豎向分量持時要長。橋面塌落觸地振動持時相比爆破和強夯的地面加速度持時明顯延長[12-13]，與中、小級自然地震的加速度記錄持時相當，這與采取沙袋和輪胎等減振措施相關。減震裝置明顯降低加速度峰值的同時，使得地面振動加速度的峰值頻率降低、持時增加。峰值頻率和持時的這一變化對建筑結構不利，因此，采取減振措施時應考慮周邊既有建筑的自振特性，綜合考慮減震措施對峰值和持時的影響。

4結論

本文介紹了沌陽高架橋爆破拆除塌落振動觀測方案和觀測結果，利用觀測結果統計了峰值、峰值頻率、持時隨距離的變化規律，對比了三條測線的差異，結論如下：

(1)三條測線的地面振動加速度峰值隨距離增大的變化規律相似；測線2和測線3的地面振動加速度峰值相當，并且明顯大于測線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，距離較遠時與水平分量加速度峰值差異變小；水平分量加速度峰值隨距離增大緩慢衰減或不衰減。

(2)測線1的三個方向地面振動加速度峰值頻率隨距離增加呈指數降低趨勢，并且三個分量類似；測線2和測線3的地面振動加速度峰值頻率隨距離的變化規律不明顯，并且三個分量各不相同，分析認為與振動疊加有關；三條測線的切向振動分量的峰值頻率為測線1>測線2>測線3，驗證了疊加效應的存在。

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

(4)多個橋聯連續塌落觸地產生的疊加效應使得地面振動加速度峰值增加、峰值頻率降低，不利于建筑結構安全，在爆破拆除時應予以避免；沙袋、輪胎等減振措施，在降低地面振動峰值的同時，也會降低地面振動峰值頻率、延長地面振動持時，可能對中低層建筑產生不利影響，應予以注意。

致謝：感謝武漢爆破有限公司對本次地面振動觀測的協助和支持。

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