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100m高煙囪拆除爆破沖擊振動測試與分析

2019-05-30 10:25:18 責任編輯:崔瑋娜

沈立晉1    汪旭光2    于亞倫1    楊小林3    張英才3

(北京科技大學.北京 100083;2.北京礦冶研究總院,北京 1OOO44; 3.焦作工學院,河南焦作 454100)

 

摘要 在新鄉電廠百米鋼筋混凝土煙囪爆破拆除工程中,布置了不同方向的兩條測線共9個測點,量測了爆破和煙囪倒塌觸地引起的地面質點振速和主振 頻率。從實測數據的分析認識到:煙囪頂部落地產生的沖擊力最大,線狀震源正前方測點的振速比其側向測點的振速要大;煙囪倒塌觸地產生的振動是各段筒體所產生的振動的疊加,它與各分段體的質量、位置高度、材質強度等因素有關;高大建(構)筑物落地沖擊地振動的頻率一般比爆破引起的地振動的頻率要低;鋪設緩沖材料、分段爆破等措施可減小觸地沖擊引起的地面振動強度。此外,利用實測數據進行擬合,得出了適用于描述本工程煙囪倒塌觸地沖擊地振動衰減規律的經驗公式。

關鍵詞 煙囪;爆破拆除;沖擊振動;監測

 

1引言

在工程爆破的振動監測中,國內外爆破工作者對于爆破引起的地震波的研究,無論是從理論上,還是從實踐的角度來說,都要比爆破對象落地沖擊地振動的研究深入得多。20世紀80年代中國科學院力學所周家漢等[1]對爆破對象落地沖擊地振動的衰減規律進行了較深入的研究,其后研究沖擊地震波的文章卻較少。在目前的拆除爆破中,由于爆破環境越來越復雜,特別是在城市爆破拆除中,需采用爆破技術拆除的建(構)筑物離需要保護的建(構)筑物的距離非常近,而且需拆除的建筑物體積及其質量往往很大,為了有效地保證爆破施工安全,非常有必要對爆破對象傾倒沖擊地面引起的地表振動進行更為深入的研究。本文結合實際爆破工程,根據現場振動測試結果,擬合出煙囪倒塌沖擊地振動的衰減規律,通過定性分析談談作者的一些見解。

2工程概況

可南省新鄉市火電廠在技改中需拆除老主廠房和一座100m高的鋼筋混凝土煙囪, 由于工期緊,故決定采用爆破方法拆除。在用整體定向傾倒方法拆除煙囪前,火電廠主廠房已被爆破拆除,但爆碴未清除,以便煙囪倒塌時爆碴起緩沖作用,減小觸地沖擊力。

該煙囪的爆破采用梯形爆破切口,在煙囪的傾倒方向的外側事先開挖減荷槽(即將煙囪底部距地面約10cm處的鋼筋全部割斷,槽長約15m),預留支撐部分的外側鋼筋也事先割斷,所開的槽約3m長。為做到萬無一失,爆前在切口中心處進行了試爆。煙囪爆破的總裝藥量約32kg,最大段爆破用藥量為20.2kg。采用導爆管分段起爆網絡。在煙囪倒塌中心線方向兩側按一定角度布置兩測線Y1和Y2,煙囪底部與兩測線Y1和Y2 的垂直距離分別約為53m和llOm。煙囪的設計倒向是東偏北18°。

該煙囪為鋼筋混凝土結構,高度為100m,底部外徑為10m,內徑為9. 16m,煙囪壁厚為42cm。圈梁以上正北方向有一個煙道(100cm×250cm),圈梁下方南北方向各有一個出入口(180cm×300cm)。煙囪為雙層鋼筋,內層豎向鋼筋為168mm Φ12mm.,外層堅向鋼筋160mmΦ16mm,內層環向鋼筋為Φ12mm @150mm,外層環向鋼筋Φ16mm @150mm。

 

3 爆破震動監測

3. 1 測試系統

目前國內外都以爆破引起的地面質點振動速度來衡量爆破對建(構)筑物的影響,因此測試中采用質點速度測試系統[2] (圖l)。各測點均量測垂直方向地振動參數。

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3.2 測點布置

測點布設在煙囪倒塌中心線兩側的地面上,共布9個測點,間距均為20m,每個測點均量測垂直方向的振速。爆區周圍環境及測點布置如圖2所示。

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4 爆破振動監測結果與分析

4. 1 爆破振動監測結果

部分測試數據列于表l。圖3是振動速度波形時間歷程圖。

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由圖3可知,測試的振動波形主要分為兩部分,首先到達的是切口爆破時的振動信號,最后到達的是煙囪傾倒觸地時的振動信號。

4.2 爆破效果及分析

爆后經測量,煙囪基本上按原設計方向(東偏北18°)倒塌,偏差不足l°。從煙囪體倒地后的情況來看,切口以上約50m筒身基本完整,破壞形式主要是局部開裂,在50m以上的上部筒身斷為三截,破碎較為充分,并且發生前沖,三截的前沖皆為 5m左右。由于已爆廠房的爆堆高度不同,煙囪在倒塌過程中上部筒身在不同的部位、不同的時間(盡管很短促)沖擊爆堆,而煙囪的質量和傾倒速度又很大,所以沖擊力非常大;當沖擊點處煙囪截面上由沖擊力轉變成的拉應力大于鋼筋混凝土的抗拉強度時,簡體就會被拉斷,并且已斷離的筒身在煙囪傾倒時的離心力作用下發生前沖,這就是筒身前沖的主要原因。由以上分析討論可知,煙囪觸地振動有以下特點:由于煙囪較高,觸地時筒身在全長上不是同時觸地,也并不是質心點先觸地,所以煙囪觸地振動效應是煙囪筒身各分段體觸地振動的合成,它與各分段體質量、高度、觸地速度和結構材料有關。

4.3 煙囪觸地后的振動與分析

通過對爆破效果和測試結果的分析,可得以下幾點認識:

(1)從實測振動波形時間歷程分析,煙囪從起爆到落地的時間約為11s,而從起爆到煙囪落地引發的地震波傳至測點的時間歷程則大于l3s。

(2)從測試結果(表1)可以看出,在所有測點中測點3/Y2的沖擊振速最大,而且煙囪頂部落地點附近的測點2/Y2、5/Y1、6/Y1的沖擊振速也較其他測點大,然而所有測點基本位于同一水平面上,它們之間不存在明顯的溝槽,因此作者認為,最大振速是由煙囪頂部沖擊地面所致。

(3)從振中距來看,測點3/ Y1的振中距比測點2/Y1、l/Y1要小,其振速理應大于后兩者,但實測數據正相反,主要原因在于3 /Y1測點是在廁所附近,而廁所的糞坑相當于一個溝槽,起到了一定的隔振作用。

(4)由表l及圖2可以看出,雖然測點5/Y1距煙囪頂部觸地點比測點3/ Y2近,而根據上面的分析,可知沖擊力最大處為煙囪頂部落地處,故5/Y1 測點的振速應比3/ Y2測點大,然而實際上也出現了反常。作者認為,出現這種現象的原因是:煙囪觸地沖擊地振動的大小還與測點位置(距離和方向)有關,也就是說,在線狀震源正前方測點的振速比其側向測點的振速要大。

(5)從表1中的數據可看出,高大煙囪落地沖擊引起的地振動頻率(一般為10~35Hz),普遍低于爆破引起的地振動頻率(一般為15~45 Hz),且更接近于建(構)筑 物的固有頻率。也就是說,高大建(構)筑物落地沖擊引起的地振動頻率往往比爆破引起的地振動頻率要低,為此建議,除振速外,主振頻率也應作為爆破震動安全判據[3-5]

4.4 煙囪倒塌沖擊地振動的衰減規律

本次爆破拆除的煙囪其質量為1262. 85t,煙囪重心高度為40.3m,煙囪體的破壞應力取σ=50MPa。煙囪倒塌沖擊地振動測試分析結果如表l。根據實測觸地振速結果,依據文獻[5]提供的經驗公式和表1所列實測數據,通過擬合得到系數K的值為 0.35,指數α的值為0. 6,因此對于本工程,煙囪倒塌沖擊振動的經驗公式為:

v = 0.35(2MgH/σR30.6

式中,M為煙囪的質量,t;H為煙囪的重心高度, m;σ為煙囪材料的破壞應力, MPa;R為振中距,m。

為便于分析.假設爆破對象觸地時其勢能(公式中的MgH)全部轉化為地面介質的彈性變形能,即沖擊能。由該公式可明顯地看出,具有不同質量或重心高度的爆破對象,即具有不同沖擊能的爆破對象,沖擊相同的地面時,在距沖擊點(重心著地點)相同距離處,沖擊能大時測得的地面振動速度大,反之則小。因此,可通過鋪設緩沖材料達到減振的目的,這是因為有一部分沖擊能量作用在緩沖材料上使其產生塑性變形,從而使轉變為沖擊地震坡的沖擊能減小[6]。顯然,要減小爆破對象傾倒沖擊地面引起的地表振動,可采取如下措施:①在爆破對象傾倒方向的地表一定范圍內鋪設緩沖材料,利用其受沖擊時產生塑性變形而消耗一部分沖擊能;②采取分段爆破,控制同時沖擊地面的沖擊能,使最大沖擊力得以降低。

5結論

(1從實測的數據分析可知,煙囪落地的最大沖擊力是由其頂部落地沖擊所致,線狀震源正前方測點的振速比其側向點的振速要大。

(2)高聳煙囪爆破倒塌觸地產生的振動是各段筒體所產生的振動的疊加,它與各分段體的質量、位置高度、材質強度等因素有關。

(3)高大建(構)筑物落地沖擊地振動的頻率一般比爆破引起的地振動的頻率要低。

(4)通過適當措施,如鋪設緩沖材料、分段爆破等,可減小爆破對象傾倒觸地沖擊引起的地面振動強度。

參考文獻

[1] 周家漢·楊人光,龐維泰.建筑物拆除爆破踏落造成的地面振動.中國力學學會工程爆破專業委員會.土巖爆破文集(第二集).北京:冶金工業出版社,1985.

[2]孟吉復,惠鴻斌.爆破測試技術.北京:冶金工業出版社.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]劉殿中. 工程爆破實用手冊.北京:冶金工業出版社,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《汪旭光院士論文選集》