沈立晋1    汪旭光2    于亚伦1    杨小林3    张英才3

（北京科技大学．北京 100083；2.北京矿冶研究总院，北京 1OOO44； 3.焦作工学院，河南焦作 454100） 

 

摘要 在新乡电厂百米钢筋混凝土烟囱爆破拆除工程中，布置了不同方向的两条测线共9个测点，量测了爆破和烟囱倒塌触地引起的地面质点振速和主振 频率。从实测数据的分析认识到：烟囱顶部落地产生的冲击力最大，线状震源正前方测点的振速比其侧向测点的振速要大；烟囱倒塌触地产生的振动是各段筒体所产生的振动的叠加，它与各分段体的质量、位置高度、材质强度等因素有关；高大建（构）筑物落地冲击地振动的频率一般比爆破引起的地振动的频率要低；铺设缓冲材料、分段爆破等措施可减小触地冲击引起的地面振动强度。此外，利用实测数据进行拟合，得出了适用于描述本工程烟囱倒塌触地冲击地振动衰减规律的经验公式。

 

关键词 烟囱；爆破拆除；冲击振动；监测

 

1引言

 

在工程爆破的振动监测中，国内外爆破工作者对于爆破引起的地震波的研究，无论是从理论上，还是从实践的角度来说，都要比爆破对象落地冲击地振动的研究深入得多。20世纪80年代中国科学院力学所周家汉等［1］对爆破对象落地冲击地振动的衰减规律进行了较深入的研究，其后研究冲击地震波的文章却较少。在目前的拆除爆破中，由于爆破环境越来越复杂，特别是在城市爆破拆除中，需采用爆破技术拆除的建（构）筑物离需要保护的建（构）筑物的距离非常近，而且需拆除的建筑物体积及其质量往往很大，为了有效地保证爆破施工安全，非常有必要对爆破对象倾倒冲击地面引起的地表振动进行更为深入的研究。本文结合实际爆破工程，根据现场振动测试结果，拟合出烟囱倒塌冲击地振动的衰减规律，通过定性分析谈谈作者的一些见解。

 

2工程概况

 

可南省新乡市火电厂在技改中需拆除老主厂房和一座100m高的钢筋混凝土烟囱， 由于工期紧，故决定采用爆破方法拆除。在用整体定向倾倒方法拆除烟囱前，火电厂主厂房已被爆破拆除，但爆碴未清除，以便烟囱倒塌时爆碴起缓冲作用，减小触地冲击力。

 

该烟囱的爆破采用梯形爆破切口，在烟囱的倾倒方向的外侧事先开挖减荷槽（即将烟囱底部距地面约10cm处的钢筋全部割断，槽长约15m），预留支撑部分的外侧钢筋也事先割断，所开的槽约3m长。为做到万无一失，爆前在切口中心处进行了试爆。烟囱爆破的总装药量约32kg，最大段爆破用药量为20.2kg。采用导爆管分段起爆网络。在烟囱倒塌中心线方向两侧按一定角度布置两测线Y1和Y2，烟囱底部与两测线Y1和Y2 的垂直距离分别约为53m和llOm。烟囱的设计倒向是东偏北18°。

 

该烟囱为钢筋混凝土结构，高度为100m，底部外径为10m，内径为9. 16m，烟囱壁厚为42cm。圈梁以上正北方向有一个烟道（100cm×250cm），圈梁下方南北方向各有一个出入口(180cm×300cm）。烟囱为双层钢筋，内层竖向钢筋为168mm Φ12mm.，外层坚向钢筋160mmΦ16mm，内层环向钢筋为Φ12mm @150mm，外层环向钢筋Φ16mm @150mm。

 

3 爆破震动监测

 

3. 1 测试系统

 

目前国内外都以爆破引起的地面质点振动速度来衡量爆破对建（构）筑物的影响，因此测试中采用质点速度测试系统［2］ （图l）。各测点均量测垂直方向地振动参数。

3.2 测点布置

 

测点布设在烟囱倒塌中心线两侧的地面上，共布9个测点，间距均为20m，每个测点均量测垂直方向的振速。爆区周围环境及测点布置如图2所示。

4 爆破振动监测结果与分析

 

4. 1 爆破振动监测结果

 

部分测试数据列于表l。图3是振动速度波形时间历程图。

由图3可知，测试的振动波形主要分为两部分，首先到达的是切口爆破时的振动信号，最后到达的是烟囱倾倒触地时的振动信号。

 

4.2 爆破效果及分析

 

爆后经测量，烟囱基本上按原设计方向（东偏北18°）倒塌，偏差不足l°。从烟囱体倒地后的情况来看，切口以上约50m筒身基本完整，破坏形式主要是局部开裂，在50m以上的上部筒身断为三截，破碎较为充分，并且发生前冲，三截的前冲皆为 5m左右。由于已爆厂房的爆堆高度不同，烟囱在倒塌过程中上部筒身在不同的部位、不同的时间（尽管很短促）冲击爆堆，而烟囱的质量和倾倒速度又很大，所以冲击力非常大；当冲击点处烟囱截面上由冲击力转变成的拉应力大于钢筋混凝土的抗拉强度时，简体就会被拉断，并且已断离的筒身在烟囱倾倒时的离心力作用下发生前冲，这就是筒身前冲的主要原因。由以上分析讨论可知，烟囱触地振动有以下特点：由于烟囱较高，触地时筒身在全长上不是同时触地，也并不是质心点先触地，所以烟囱触地振动效应是烟囱筒身各分段体触地振动的合成，它与各分段体质量、高度、触地速度和结构材料有关。

 

4.3 烟囱触地后的振动与分析

 

通过对爆破效果和测试结果的分析，可得以下几点认识：

 

（1）从实测振动波形时间历程分析，烟囱从起爆到落地的时间约为11s，而从起爆到烟囱落地引发的地震波传至测点的时间历程则大于l3s。

 

（2）从测试结果（表1)可以看出，在所有测点中测点3/Y2的冲击振速最大,而且烟囱顶部落地点附近的测点2/Y2、5/Y1、6/Y1的冲击振速也较其他测点大，然而所有测点基本位于同一水平面上，它们之间不存在明显的沟槽，因此作者认为，最大振速是由烟囱顶部冲击地面所致。

 

（3）从振中距来看，测点3/ Y1的振中距比测点2/Y1、l/Y1要小，其振速理应大于后两者，但实测数据正相反，主要原因在于3 /Y1测点是在厕所附近，而厕所的粪坑相当于一个沟槽，起到了一定的隔振作用。

 

（4）由表l及图2可以看出，虽然测点5/Y1距烟囱顶部触地点比测点3/ Y2近，而根据上面的分析，可知冲击力最大处为烟囱顶部落地处，故5/Y1 测点的振速应比3/ Y2测点大，然而实际上也出现了反常。作者认为，出现这种现象的原因是：烟囱触地冲击地振动的大小还与测点位置（距离和方向）有关，也就是说，在线状震源正前方测点的振速比其侧向测点的振速要大。

 

(5）从表1中的数据可看出，高大烟囱落地冲击引起的地振动频率（一般为10～35Hz），普遍低于爆破引起的地振动频率（一般为15～45 Hz)，且更接近于建（构）筑 物的固有频率。也就是说，高大建（构）筑物落地冲击引起的地振动频率往往比爆破引起的地振动频率要低，为此建议，除振速外，主振频率也应作为爆破震动安全判据[3-5]。

 

4.4 烟囱倒塌冲击地振动的衰减规律

 

本次爆破拆除的烟囱其质量为1262. 85t，烟囱重心高度为40.3m，烟囱体的破坏应力取σ＝50MPa。烟囱倒塌冲击地振动测试分析结果如表l。根据实测触地振速结果，依据文献［5］提供的经验公式和表1所列实测数据，通过拟合得到系数K的值为 0.35，指数α的值为0. 6，因此对于本工程，烟囱倒塌冲击振动的经验公式为：

 

v = 0.35(2MgH/σR3）0.6

 

式中，M为烟囱的质量，t；H为烟囱的重心高度， m；σ为烟囱材料的破坏应力， MPa；R为振中距，m。

 

为便于分析．假设爆破对象触地时其势能（公式中的MgH）全部转化为地面介质的弹性变形能，即冲击能。由该公式可明显地看出，具有不同质量或重心高度的爆破对象，即具有不同冲击能的爆破对象，冲击相同的地面时，在距冲击点（重心着地点）相同距离处,冲击能大时测得的地面振动速度大,反之则小。因此,可通过铺设缓冲材料达到减振的目的，这是因为有一部分冲击能量作用在缓冲材料上使其产生塑性变形,从而使转变为冲击地震坡的冲击能减小［6］。显然,要减小爆破对象倾倒冲击地面引起的地表振动,可采取如下措施：①在爆破对象倾倒方向的地表一定范围内铺设缓冲材料,利用其受冲击时产生塑性变形而消耗一部分冲击能；②采取分段爆破,控制同时冲击地面的冲击能，使最大冲击力得以降低。

 

5结论

 

(1）从实测的数据分析可知，烟囱落地的最大冲击力是由其顶部落地冲击所致，线状震源正前方测点的振速比其侧向点的振速要大。

 

(2）高耸烟囱爆破倒塌触地产生的振动是各段筒体所产生的振动的叠加，它与各分段体的质量、位置高度、材质强度等因素有关。

 

(3）高大建（构）筑物落地冲击地振动的频率一般比爆破引起的地振动的频率要低。

 

(4）通过适当措施，如铺设缓冲材料、分段爆破等，可减小爆破对象倾倒触地冲击引起的地面振动强度。

 

参考文献

 

[1] 周家汉·杨人光，庞维泰．建筑物拆除爆破踏落造成的地面振动.中国力学学会工程爆破专业委员会.土岩爆破文集（第二集）．北京：冶金工业出版社，1985.

 

[2]孟吉复，惠鸿斌.爆破测试技术.北京：冶金工业出版社.1990.

 

[3] Dong-Soo kim, et al. Propagation and attenuation characteristics of various ground vibrations. Soil Dynamics and Earthquake Engineering,2000, 19, 115～126.

 

[4] Guo W M，et al. Assessment of structure damage to blasting induced ground motions. Engineering Structures, 2000, 22: 1378～1389.

 

[5]刘殿中. 工程爆破实用手册.北京：冶金工业出版社，1999.

 

[6]Hong H， et al. Damage assessment of masonry infilled RC frames subjected to blasting induced ground excitations. Engineering Structures,2002, 24: 799～809.

 

摘自《汪旭光院士论文选集》