高架橋爆破拆除觸地振動速度特征分析

楊永強, 胡進軍, 謝禮立,2, 吳興和

(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)

高架橋爆破拆除觸地振動速度特征分析

楊永強1, 胡進軍1, 謝禮立1,2, 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)

以某高架橋爆破拆除工程為例，總結了高架橋爆破拆除塌落引起的地面振動特征，通過與經驗公式對比，分析了高架橋爆破拆除塌落觸地振動速度衰減規律與經驗公式之間的差異，主要結論如下：三條測線地面振動速度峰值中豎向分量最大，兩個水平分量較小；測線2和測線3各測點的地面振動速度峰值比測線1略大，說明地面振動存在一定的疊加，并且測點距離高架橋越遠疊加越明顯；本次高架橋爆破拆除塌落觸地振動的主振頻率偏低；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；在測點距離較小時，地面振動速度實測值小于經驗公式計算值，而距離較大時在相反，實測值與距離接近于線性關系；本次爆破拆除方案設計合理，周邊建筑物安全。

高架橋；爆破拆除；塌落；振動速度；疊加

近年，隨著城市現代化建設的發展,越來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、機械拆除和控制爆破拆除三大類[1]。隨著國內外大量爆破拆除實踐對工程經驗的充實，以及計算機模擬技術在爆破拆除中的運用，爆破拆除已成為拆除行業中最常用的方法之一。在中國、美國和眾多的西歐國家，爆破拆除占有重要地位[2-4]。

爆破拆除擁有諸多優點的同時，也會存在一些負面效應，比如振動效應，會對周圍建筑物帶來潛在威脅。目前，爆破拆除方案設計時振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。隨著人們對安全的關注程度增高, 爆破拆除開始走出過分依賴經驗的舊路，隨之爆破觀測及相關研究得到了較快發展。林繼清[5]總結了現場爆破加速度的衰減規律和它在各個方向的比例關系以及地形對加速度值的影響情況。徐澤沛[6]研究了建筑物爆破拆除過程和塌落觸地振動特征。姚瓊[7]評價了建筑物在實際爆破拆除塌落振動作用下的安全性，并討論了建筑物爆破拆除塌落觸地振動的特點。賀建輝[8]研究了建筑物，尤其是建筑物非結構構件，在爆破地振動作用下的安全性評價問題。周家漢[9]對比了塌落振動速度計算經驗公式和實測數據，指出采取減振措施后塌落振動峰值能降低70%以上。爆破拆除工程實踐表明，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[10-11]。

由上述分析可以看出，現有相關研究成果基本都是針對建筑物爆破拆除展開的，而高架橋爆破拆除觸地振動相關研究較少。本文將結合某高架橋爆破拆除實測數據，分析橋面塌落觸地振動特征，并與經驗公式對比，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國道武漢市漢陽區升官渡至東岳廟段高架橋，全橋總長3 476.50 m。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。全橋共181孔，其單跨單幅質量約為150 t，橋面重心高度約為4.0 m[12]。

采取橋墩間延時爆破方案，每個橋墩處采用沙袋減震。由于橋梁較長，且爆破從中間向兩側同時進行，考慮到對稱性，在橋梁的北半段東側選取三條測線監測橋面塌落時地面振動(見圖1)，具體方案見下文。

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

(1) 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2，三個測線類似。

(2) 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。

2測試結果及分析

本次測量的采集量為加速度，而《爆破安全規程》(GB6722-2011)以及現有經驗公式都采用速度指標，故本文對測量數據進行處理得到了各個測點的地面振動速度，限于篇幅僅給出了測線1中測點1的地面振動速度時程曲線，見圖3。

圖2　測點示意圖Fig.2 Schematic diagram of measuring points

圖3　地面振動速度時程曲線Fig.3 Curves of ground vibration velocity

2.1速度峰值

速度峰值(PGV)是描述地震動的常用參數之一，一般認為其大小表征地震動的能量大小。根據實測結果，本文統計了三個測線的速度峰值與測量距離的關系曲線，見圖4。首先，對比不同測線的速度峰值可以看出，三條測線地面振動各分量速度峰值隨距離的變化規律相似；其次，本工程為橋墩間延時爆破，測線1斷面為爆破起始點，故測線1上的各個測點振動疊加不明顯，而測線2和測線3位于爆破線路的中間和末端，各測點地面振動存在一定的疊加，所以從整體來看，測線2和測線3的地面振動速度峰值比測線1稍大；再次，對比單個測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，說明爆破拆除塌落觸地振動以豎向振動為主，這與自然地震動明顯不同；最后，除測線1的測點1以外，切向地面振動速度峰值均大于徑向速度峰值。

圖4　地面振動速度峰值與距離的關系Fig.4 Relationship between PGV and Distance

2.2主振頻率

早期的《爆破安全規程》(GB 6722-86)[13]將速度作為衡量爆破振動引起地面建筑物振動安全標準的唯一安全性指標，但是速度只能反映爆破振動因素，而忽視結構自身動力特性的因素，不能反映爆破地震動作用下的地表建筑物破壞機制。因此，《爆破安全規程》(GB6722-2003)[14]在借鑒國內外經驗的基礎上把爆破振動速度和主振頻率的共同作為衡量爆破地震動作用下建筑物安全性的指標。

主振頻率反映了地面振動速度的頻譜特征，表示地面振動速度在這一頻率上振幅最大，也就是說周邊建筑物自振頻率與此頻率越接近危險性越高。本文通過傅里葉變換得到了各個測點三個分量的主振頻率，見圖5?？傮w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，所以此次高架橋爆破拆除塌落觸地振動的主振頻率偏低，基本在1.5 Hz到12.5 Hz之間。對比三條測線，可以看出各個分量主振頻率與距離的關系不明顯，三條測線的平均主振頻率為測線2最高，測線1次之，測線3最低。從單條測線來看，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系Fig.5 Relationship between main vibration frequency and distance

3振動速度峰值衰減規律

研究爆破塌落觸地振動速度衰減規律，可以為爆破方案設計及周邊環境的安全性評價提供依據，具有重要的工程應用價值。從圖4可以看出，各個分量的豎向分量衰減速度最快，從15 m到120 m處時速度峰值衰減超過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，測線1到測線3增加趨勢越來越明顯。由經驗可知，若為單點爆破則各個分量的振動速度峰值必然隨距離增加而降低，因此可以推斷這種延時爆破方案會造成一定的地面振動疊加，并且切向分量振動疊加最明顯。

《爆破安全規程》(GB6722-2011)[15]爆破振動安全性評價中取質點振動速度三個分量中的最大值，因此本文利用豎向振動速度峰值來與文獻[9]中的經驗公式進行對比。文獻[9]中公式參數取值為Kt=3.37～4.09，β=-1.66～-1.80，故本文計算了經驗公式預測結果的最大值和最小值，見圖6。

圖6　PGV測量值與經驗公式計算值對比Fig.6 Comparation of PGVs measured and PGVs calculated by experience formulas

由圖6可以看出，在測點與橋面距離較小時，PGV的實測值明顯小于預測值，而距離較大時實測值明顯大于預測值，實測值的衰減速度較慢，與預測值相比，實測PGV隨距離增大更接近于線性衰減。這說明高架橋爆破拆除塌落觸地振動速度衰減關系與普通建(構)筑物明顯不同，其主要原因是高架橋一般長度較大，多采用從某個橋墩開始向一側或兩側依次延時爆破的拆除破方案，使遠距離地面振動產生了一定的疊加，并且這種疊加對近距離地面振動峰值影響不大。

現場調查可知，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、商業建筑物[12]，由實測結果和《爆破安全規程》(GB6722-2011)中表13-1可知，周邊建筑是安全的，本次爆破方案設計合理。

4結論

本文利用某高架橋爆破拆除塌落振動觀測結果，分析了高架橋爆破拆除塌落觸地振動速度特征，并與經驗衰減公式進行了對比，主要結論如下：

(1) 三條測線地面振動速度峰值與距離的關系相似；豎向分量的速度峰值最大，兩個水平分量速度峰值較小；測線2和測線3各測點的實測值比測線1略大，說明地面振動存在一定的疊加。

(2) 由于每個橋墩處均采取了減震措施，故本項目橋面塌落觸地振動的主振頻率偏低，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) 在測點與橋面距離較小時，PGV的實測值小于預測值，而距離較大時實測值明顯大于預測值，實測值隨距離增大接近于線性衰減。

(4) 本次爆破拆除方案設計合理，橋面塌落觸地振動對周邊建筑物影響在安全范圍以內。

致謝：感謝武漢爆破有限公司對振動觀測工作的協助和支持。

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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

黑龍江省自然科學基金項目(E201360)；國家自然科學基金(51308516)

2015-08-25修改稿收到日期：2015-12-06

楊永強 男，副研究員，博士，1983年生

O329

A