高架桥爆破拆除触地振动速度特征分析

杨永强, 胡进军, 谢礼立,2, 吴兴和

(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)

高架桥爆破拆除触地振动速度特征分析

杨永强1, 胡进军1, 谢礼立1,2, 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)

以某高架桥爆破拆除工程为例，总结了高架桥爆破拆除塌落引起的地面振动特征，通过与经验公式对比，分析了高架桥爆破拆除塌落触地振动速度衰减规律与经验公式之间的差异，主要结论如下：三条测线地面振动速度峰值中竖向分量最大，两个水平分量较小；测线2和测线3各测点的地面振动速度峰值比测线1略大，说明地面振动存在一定的叠加，并且测点距离高架桥越远叠加越明显；本次高架桥爆破拆除塌落触地振动的主振频率偏低；竖向分量的主振频率最高，径向和切向主振频率较低且相近；在测点距离较小时，地面振动速度实测值小于经验公式计算值，而距离较大时在相反，实测值与距离接近于线性关系；本次爆破拆除方案设计合理，周边建筑物安全。

高架桥；爆破拆除；塌落；振动速度；叠加

近年，随着城市现代化建设的发展,越来越多的工程需要拆除重建或拆除改建。工程拆除一般分为：人工拆除、机械拆除和控制爆破拆除三大类[1]。随着国内外大量爆破拆除实践对工程经验的充实，以及计算机模拟技术在爆破拆除中的运用，爆破拆除已成为拆除行业中最常用的方法之一。在中国、美国和众多的西欧国家，爆破拆除占有重要地位[2-4]。

爆破拆除拥有诸多优点的同时，也会存在一些负面效应，比如振动效应，会对周围建筑物带来潜在威胁。目前，爆破拆除方案设计时振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。随着人们对安全的关注程度增高, 爆破拆除开始走出过分依赖经验的旧路，随之爆破观测及相关研究得到了较快发展。林继清[5]总结了现场爆破加速度的衰减规律和它在各个方向的比例关系以及地形对加速度值的影响情况。徐泽沛[6]研究了建筑物爆破拆除过程和塌落触地振动特征。姚琼[7]评价了建筑物在实际爆破拆除塌落振动作用下的安全性，并讨论了建筑物爆破拆除塌落触地振动的特点。贺建辉[8]研究了建筑物，尤其是建筑物非结构构件，在爆破地振动作用下的安全性评价问题。周家汉[9]对比了塌落振动速度计算经验公式和实测数据，指出采取减振措施后塌落振动峰值能降低70%以上。爆破拆除工程实践表明，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[10-11]。

由上述分析可以看出，现有相关研究成果基本都是针对建筑物爆破拆除展开的，而高架桥爆破拆除触地振动相关研究较少。本文将结合某高架桥爆破拆除实测数据，分析桥面塌落触地振动特征，并与经验公式对比，供以后高架桥爆破拆除工程参考。

1爆破拆除概况

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段高架桥，全桥总长3 476.50 m。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。全桥共181孔，其单跨单幅质量约为150 t，桥面重心高度约为4.0 m[12]。

采取桥墩间延时爆破方案，每个桥墩处采用沙袋减震。由于桥梁较长，且爆破从中间向两侧同时进行，考虑到对称性，在桥梁的北半段东侧选取三条测线监测桥面塌落时地面振动(见图1)，具体方案见下文。

图1　拆除高架桥位置图Fig.1 Map ofdemolished Viaduct

(1) 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2，三个测线类似。

(2) 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。

2测试结果及分析

本次测量的采集量为加速度，而《爆破安全规程》(GB6722-2011)以及现有经验公式都采用速度指标，故本文对测量数据进行处理得到了各个测点的地面振动速度，限于篇幅仅给出了测线1中测点1的地面振动速度时程曲线，见图3。

图2　测点示意图Fig.2 Schematic diagram of measuring points

图3　地面振动速度时程曲线Fig.3 Curves of ground vibration velocity

2.1速度峰值

速度峰值(PGV)是描述地震动的常用参数之一，一般认为其大小表征地震动的能量大小。根据实测结果，本文统计了三个测线的速度峰值与测量距离的关系曲线，见图4。首先，对比不同测线的速度峰值可以看出，三条测线地面振动各分量速度峰值随距离的变化规律相似；其次，本工程为桥墩间延时爆破，测线1断面为爆破起始点，故测线1上的各个测点振动叠加不明显，而测线2和测线3位于爆破线路的中间和末端，各测点地面振动存在一定的叠加，所以从整体来看，测线2和测线3的地面振动速度峰值比测线1稍大；再次，对比单个测线的竖向和水平向速度分量可以看出，竖向速度峰值显著大于水平向，说明爆破拆除塌落触地振动以竖向振动为主，这与自然地震动明显不同；最后，除测线1的测点1以外，切向地面振动速度峰值均大于径向速度峰值。

图4　地面振动速度峰值与距离的关系Fig.4 Relationship between PGV and Distance

2.2主振频率

早期的《爆破安全规程》(GB 6722-86)[13]将速度作为衡量爆破振动引起地面建筑物振动安全标准的唯一安全性指标，但是速度只能反映爆破振动因素，而忽视结构自身动力特性的因素，不能反映爆破地震动作用下的地表建筑物破坏机制。因此，《爆破安全规程》(GB6722-2003)[14]在借鉴国内外经验的基础上把爆破振动速度和主振频率的共同作为衡量爆破地震动作用下建筑物安全性的指标。

主振频率反映了地面振动速度的频谱特征，表示地面振动速度在这一频率上振幅最大，也就是说周边建筑物自振频率与此频率越接近危险性越高。本文通过傅里叶变换得到了各个测点三个分量的主振频率，见图5。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，所以此次高架桥爆破拆除塌落触地振动的主振频率偏低，基本在1.5 Hz到12.5 Hz之间。对比三条测线，可以看出各个分量主振频率与距离的关系不明显，三条测线的平均主振频率为测线2最高，测线1次之，测线3最低。从单条测线来看，竖向分量的主振频率最高，径向和切向主振频率较低且相近。

图5　主振频率与距离的关系Fig.5 Relationship between main vibration frequency and distance

3振动速度峰值衰减规律

研究爆破塌落触地振动速度衰减规律，可以为爆破方案设计及周边环境的安全性评价提供依据，具有重要的工程应用价值。从图4可以看出，各个分量的竖向分量衰减速度最快，从15 m到120 m处时速度峰值衰减超过70%；径向分量衰减速度次之，从15 m处到120 m处速度峰值降低一半左右；切向分量随距离变大先增加再降低，测线1到测线3增加趋势越来越明显。由经验可知，若为单点爆破则各个分量的振动速度峰值必然随距离增加而降低，因此可以推断这种延时爆破方案会造成一定的地面振动叠加，并且切向分量振动叠加最明显。

《爆破安全规程》(GB6722-2011)[15]爆破振动安全性评价中取质点振动速度三个分量中的最大值，因此本文利用竖向振动速度峰值来与文献[9]中的经验公式进行对比。文献[9]中公式参数取值为Kt=3.37～4.09，β=-1.66～-1.80，故本文计算了经验公式预测结果的最大值和最小值，见图6。

图6　PGV测量值与经验公式计算值对比Fig.6 Comparation of PGVs measured and PGVs calculated by experience formulas

由图6可以看出，在测点与桥面距离较小时，PGV的实测值明显小于预测值，而距离较大时实测值明显大于预测值，实测值的衰减速度较慢，与预测值相比，实测PGV随距离增大更接近于线性衰减。这说明高架桥爆破拆除塌落触地振动速度衰减关系与普通建(构)筑物明显不同，其主要原因是高架桥一般长度较大，多采用从某个桥墩开始向一侧或两侧依次延时爆破的拆除破方案，使远距离地面振动产生了一定的叠加，并且这种叠加对近距离地面振动峰值影响不大。

现场调查可知，周边建筑物与拆除高架桥的最近距离为38 m，并且均为一般民用建筑物或工业、商业建筑物[12]，由实测结果和《爆破安全规程》(GB6722-2011)中表13-1可知，周边建筑是安全的，本次爆破方案设计合理。

4结论

本文利用某高架桥爆破拆除塌落振动观测结果，分析了高架桥爆破拆除塌落触地振动速度特征，并与经验衰减公式进行了对比，主要结论如下：

(1) 三条测线地面振动速度峰值与距离的关系相似；竖向分量的速度峰值最大，两个水平分量速度峰值较小；测线2和测线3各测点的实测值比测线1略大，说明地面振动存在一定的叠加。

(2) 由于每个桥墩处均采取了减震措施，故本项目桥面塌落触地振动的主振频率偏低，基本在1.5 Hz到12.5 Hz之间；竖向分量的主振频率最高，径向和切向主振频率较低且相近。

(3) 在测点与桥面距离较小时，PGV的实测值小于预测值，而距离较大时实测值明显大于预测值，实测值随距离增大接近于线性衰减。

(4) 本次爆破拆除方案设计合理，桥面塌落触地振动对周边建筑物影响在安全范围以内。

致谢：感谢武汉爆破有限公司对振动观测工作的协助和支持。

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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

黑龙江省自然科学基金项目(E201360)；国家自然科学基金(51308516)

2015-08-25修改稿收到日期：2015-12-06

杨永强 男，副研究员，博士，1983年生

O329

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