大型框剪结构爆破拆除的安全监测与分析

大型框剪结构爆破拆除的安全监测与分析

与人工或机械拆除相比，爆炸拆除具有快速、高效、降低成本等特点。尤其是在城市建筑密集地区的大型建筑垃圾中，其优点是更为显著的。但爆破作业引起的大地震动,波及周围建筑物,影响建筑物安全并带来令人不快的震感,甚至造成爆破灾害性事故。爆破地震动又是无法消除且有害效应中最严重的,因此爆破中的地震动监测及周边临近建筑物监测具有重要的意义。1大楼主副楼爆破处理东风东路17号办公大楼位于昆明市主城区中心地带,周边与之相邻的是白塔花园住宅小区、昆明市中医院、建工大厦、邮电大楼、金格购物中心、昆明市轨道交通2号线和茶花公园等住宅、医院、商业商务及行政办公楼,均属需要重点保护的建筑设施。待拆办公大楼共22层,楼房东西长50m,南北宽33m,楼层高72.45m,楼房顶部设备层离地高82.65m。楼房整体为框架剪力墙结构,面积约30000m2,办公楼主体采取爆破拆除,选择朝北面的东风东路方向倒塌。爆破拆除工程实施前,通过爆破法、人工法和机械法等措施,已分别对主体爆破3个切口内高强度的剪力墙体与立柱、强度不高的门窗、楼梯踏步、砖墙隔断以及楼房底部强度高的首层及2层电梯井剪力墙等对象进行了预处理。主楼爆破的装药总孔数为5600个,使用炸药总量860kg,雷管6200发。最大一段齐爆药量为27.84kg。通过采用切口之间微差延期,没有同段雷管叠加,从第1响至最后1响历时3.5s。2地震试验的内容、条件和方法2.1办公大楼爆破振动的监测分别在待拆建筑的周围需重点监测的市中医院三号楼、建工大厦、电信大楼金格购物中心、茶花公园石房子以及白塔花园住宅楼等的地面布设地震仪,对办公大楼爆破拆除产生的振动进行监测。在白塔花园方向布设测线,观测办公楼爆破拆除时地面振动随距离的衰减情况。2.2错沉积三角洲昆明市东风东路17号办公楼位于昆明断陷盆地北部、龙头街—九甲—晋宁凹陷带內,地貌单元为河湖交错沉积三角洲平原,场点及附近为第四系河湖交错相堆积,松散层总厚度约150m。待拆办公楼房(即振源处)及其周边围绕保护建筑,均位于盆地河湖交错三角洲平原上,观测区域地形平坦,各测点基本处于同一高程内,待拆办公大楼(振源)与周边保护对象及布设振动检测点之间有人工开挖减振沟相隔。2.3强震动仪测量设备本次观测的振动测试系统,采用17台美国Kinematics公司生产的K2型、Etna型智能数字强震动仪。仪器观测时可选择自动或人工触发,以及定时触发与定记录长度等多种方式。根据此次爆破拆除特点及爆破现场要求,检测仪器采用了阈值触发、连续记录或定长度记录的方式。2.4城市轨道交通建筑设施此次爆破拆除振动观测的对象为分布在17号办公大楼周边的住宅、医院、商业商务及行政办公楼等建筑设施。具体包括待拆楼南面的白塔花园住宅小区、万寿巷15号及19号小区、海关宿舍区,东面的昆明市中医院,北面的建工大厦、邮电大楼、西面的金格购物中心、茶花公园石房子以及昆明市轨道交通2号线等需要重点保护的建筑设施。布设了3条测线、4个零散建筑共计17个测点。测点及测线布置情况见图1。3地震试验结果的处理和分析3.1爆破振动的地面试验共获取了17个观测点共计48条地面振动时程加速度记录,加速度记录经一次积分,可得到地面振动的速度时程。表1给出的是距离最近的测线1的地震动测试数据。由表1可见,此次观测记录到的最大水平向峰值加速度是74.3cm/s2、最大垂直向峰值加速度为54.4cm/s2,均出现在离振源最近的测点A1上,即白塔住宅小区北侧自行车棚自由地面。最大峰值速度为2.13cm/s,亦出现在测点A1的垂直向记录上。此次拆除爆破所使用的药包数量比较多(5600个装药孔),布设比较分散,单孔药量比较小,且药包一般都布置在承重的剪力墙和柱上,爆破产生的振动是通过建筑物的墙和柱传到基础后再传到地面的,此次药孔炸药起爆实际起爆总时长(即从爆破第1响至最后1响的时间)为3.5s。第1切口起爆后,楼房在倒塌过程中,切口之间首先会挤压碰撞,产生的振动会与其后的炸药爆破振动叠加。从离爆破中心最近的测点—测线一A1测点的地面振动记录中,仍可从记录头端中截取爆破振动记录,记录的最大峰值加速度值为4.1cm/s2(水平向)、最大峰值速度为0.12cm/s(垂直向),分别仅为该测点振动记录的峰值加速度的5.5%和峰值速度的5.6%。也就是说,此次爆破拆除产生的地面振动为办公大楼倒塌触地所主导。表1中第2列标出的是建筑物倒塌振源距,旨在强调这一点。3.2振动加速度、速度时间曲线和功率谱的图对原始加速度记录进行校正,计算加速度时程、速度时程和功率谱等,绘制出加速度时程曲线、速度时程曲线以及功率谱图,见图2。3.3振动强度测定结果分析(1)振动记录特征,从记录波形来看,此次爆破拆除的地面振动具有如下一些特征:①振幅特征:此次爆破拆除产生的地面振动的振幅,具有脉冲型高峰值、次大峰值多次出现的形式,当震源距变大时,此特征尤为明显。②频率特征:办公大楼倒塌坠地产生的地面振动主频以中低频成分为主,绝大多集中在2~5Hz间,与建筑物自振频率范围相近,而该测点前端记录的炸药爆破产生的振动主频水平向为54Hz,垂直向为54Hz,即在震源附近,结构体坠地产生的振动主频远低于爆破产生的振动主频。③持续时间:各测点记录到的地面有效振动持续时间在10s左右,与倒塌过程的时长相对应,另外,各测点振动的持续时间随震源距的大小也会呈现出一些差异,震源距大,有效持续时间相对会变长些,同时,在离震源较远处(昆明黑龙潭地震台),一些面波震相会出现,也会使有效振动持续时间变长些(图3),据云南省地震局黑龙潭基准地震台测定,这次爆破及大楼倒塌产生的能量相当于1.9级地震。(2)振动强度地面分布及衰减特征,以测线一为例,该测线也是此次检测方案中确定的地面振动衰减观测测线。可看出,该测线记录到的最大水平向峰值加速度是74.3cm/s2、垂直向最大峰值加速度为54.4cm/s2均出现在离振源最近的测点A1上;最大峰值速度为2.13cm/s,亦出现在测点A1的垂直向记录上。随着震源距的加大,地面振动加速度峰值或速度峰值逐渐减小,到测点A6时,加速度峰值减小到10cm/s2左右,峰值速度减小到0.5cm/s左右。该测线各测点的三分向峰值加速度记录,除A1测点以外,主要以垂直向为大;而峰值速度,均以垂直向为大。这体现了在大质量倒塌触地的近场范围内,结构体倒塌产生的振动在地面的传播特征。(3)爆破拆除地震动影响分析,现行国标没有建构筑物倒塌时冲击地表产生的振动安全速度标准,参照《中国地震烈度表》(GB/T17742—2008)及《爆破安全规程》(GB6722—2011)中的爆破振动安全允许标准对保护对象地面振速进行评价。表2给出了此次爆破拆除测线一各测点记录到的地面振动强度与国家相关标准的对比情况。从表2中可以看出:实测振动速度与按照《爆破安全规程》(GB6722—2011)13.2.4条计算得到的各测点振速值较小,此次观测获取各观测点处的地面振动速度均在国标允许范围内。需要指出的国标《爆破安全规程》(GB6722—2011)给出的安全振速并非是建构筑物坠地冲击振动的安全允许标准,所以在比较判据时,存在一定的局限性。4工作内容的确定由爆破点所在地理位置分析可知,周边存在大量老旧建筑、新建建筑、保护性建筑,各种类型的建筑结构又存在各种形式的浅埋或者深埋的基础形式。基于各种结构类型对地震动相应的差异及敏感性不同,为明确地震动对临近建筑的实际影响,应采取一定的方法对临近建筑物进行监测,为完善爆破拆除对周边环境的影响分析及纠纷鉴定提供辅助数据。通过对爆破工程实施前后建筑物的裂缝、垂直度偏差变化情况,来判断爆破对周边建筑物的影响情况,并就影响情况对房屋结构安全性的影响程度做出分析。以首次监测数据作为基准依据,爆破后监测数据与基准数据进行对比、分析,判定监测过程中各项参数的变化情况。本次临近建筑的监测内容主要为:(1)房屋裂缝及周边地坪情况:掌握房屋有无新增裂缝、现状裂缝的变化情况,并明确裂缝对房屋结构安全的影响。(2)房屋垂直度偏差情况:掌握房屋在爆破前后是否存是否发生沉降、倾斜等情况。爆破结束后情况描述:在爆破完成后,除中医院1#、2#住院楼、建工大厦及中国电信4#楼部分围护结构或窗户出现新的轻微变形外,其他房屋情况正常。5振动频率分析(1)办公大楼倒塌坠地产生的地面振动主频以中低频为主,大多集中在2~5Hz间,而测线一的测点A1处记录的炸药爆破产生的振动主频水平向为54Hz,垂直向为53Hz,即在震源附近,结构体坠地产生的振动主频远低于爆破产生的振动主频,且前者与周边建筑物自振频率较为接近,所以爆破拆除工作中应加强对建筑物坠地引起的振动的振速、频谱对结