高架桥爆破拆除塌落过程的高速摄像分析.pdf

第 31 卷 第 4 期 2014 年 12 月 爆 破 BLASTING Vol. 31 No. 4  Dec. 2014 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2014. 04. 019 高架桥爆破拆除塌落过程的高速摄像分析 武双章， 季茂荣， 毛益明， 方 向 （解放军理工大学 野战工程学院， 南京 210007） 摘 要 为了详细了解高架桥桥体的塌落过程， 研究高架桥桥体在塌落过程中的运动规律， 运用高速摄像 技术对高架桥桥体的塌落过程进行了观测。采用高亮 LED 灯带解决了夜间进行高速摄影时的进光量不足 的问题； 提出了进行高速摄像结果分析与计算的方法和公式； 获得了塌落位移、 速度和加速度随时间的变化 关系； 拟合获得了参考灯带东侧、 中部和西侧桥体在塌落过程中的速度和加速度公式； 可以得到对应部分桥 体的速度最大值分别为 8. 56 m/ s、 8. 70 m/ s、 8. 64 m/ s， 加速度最大值分别为 - 61. 02 m/ s2、- 82. 60 m/ s2、 -64. 95 m/ s2， 桥体的塌落时间为 0. 95 1. 00 s。结果表明 不同部位桥体塌落时间和塌落速度与起爆顺序 和起爆时差有一定的关系， 受桥墩爆破后碎混凝土块及钢筋的支撑作用和后塌落桥体的牵制作用共同影响， 导致高架桥桥体塌落速度最大值小于对应桥体的自由落体速度值。本研究对于爆破方案设计、 振动冲击危 害评估及安全防护都有极为重要的参考价值。 关键词 爆破拆除；高架桥；塌落过程；运动规律 中图分类号 TU746. 5 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2014） 04 -0087 -05 High-speed Photography Analysis of Collapse Process of Explosive Demolition of Viaduct WU Shuang-zhang， JI Mao-rong， MAO Yi-ming， FANG Xiang （Field Engineering Institute， PLA University of Science and Technology， Nanjing 210007， China） Abstract To understand the viaduct collapse process and the motion behavior of the viaduct collapse process ac- curately， the high-speed photography was used to monitor the viaduct collapse process. The problem of insufficient light of high-speed photography at night was solved by using highlight LED lamp belt. The and ula of a- nalysis and calculation of the results from high-speed photography were put forward. The relationship between the via- duct collapse displacement and velocity and acceleration with time were obtained. The velocity and acceleration for- mulas of the viaduct collapse process of the reference light with east， central and west were achieved by the data fit- ting. The maximum velocity of the corresponding part of the viaduct was 8. 56 m/ s， 8. 70 m/ s and 8. 64 m/ s respec- tively， and the maximum acceleration was -61. 02 m/ s2， -82. 60 m/ s2and -64. 95 m/ s2respectively. The viaduct collapse time was 0. 95 1. 00 s. Results showed that the viaduct collapse time and velocity were related to the deto- nating sequence and the initiation interval. The viaduct collapse maximum velocity was smaller than free fall velocity of the corresponding viaduct bridge， due to the combined effects of the supporting role of broken concrete blocks and constrain force from the piers and the diversionary effect from the subsequent collapse of the bridge body. The study provided important reference for the design of blasting scheme， the hazard assessment of vibration impact and the safety protection. Key words explosive demolition；viaduct；collapse process；motion behavior 收稿日期 2014 -09 -03 作者简介 武双章 （1977 - ） ， 男， 硕士研究生、 讲师， 主要从事炸药爆 炸及其应用方面的研究，（E-mail） shsnake163. com。 高架桥在爆破拆除过程中的运动规律， 对于爆 破方案设计、 振动冲击危害评估及安全防护都有极 为重要的参考价值。在高架桥的爆破拆除中， 爆破 危害效应最大的是桥体塌落引起的振动， 对地下管 线和附近建 （构） 筑物及各种设施的影响也很大， 因 此， 获得桥体的塌落运动规律至关重要。目前关于 高架桥爆破拆除过程中桥体的塌落运动规律研究的 较少， 采用高速摄像技术来研究高架桥在爆破拆除 过程中的运动规律更是鲜有报道， 为了详细了解高 架桥桥体的塌落过程， 研究高架桥桥体在塌落过程 中的运动规律， 采用高速摄像技术对高架桥桥体的 塌落过程进行观测， 经过对图像资料的分析， 获得其 塌落运动规律 ［1， 2］。 1 工程概况 位于南京市和燕路上的和燕路跨线桥因长时间 通行重载车辆， 导致桥体出现严重的损伤， 桥体多处 出现裂缝成为一座危桥， 严重威胁着过往车辆和行 人的交通安全。为了保证人民的生命财产安全不受 损害， 需要对该危桥采用控制爆破方法进行拆 除 ［3-6］， 为后续的隧道建设工程创造条件。该跨线 桥长 222 m， 桥面宽18 m， 双向四车道。上部结构为 九跨一联的钢筋混凝土连续箱梁， 单箱三室结构， 全 宽 18 m、 下口宽 9. 8 m、 高 1. 55 m； 下部结构桥墩 2 号和 7 号桥墩采用 φ 1. 4 m 的钢筋混凝土双柱式 墩， 其余均采用 φ 1. 6 m 的独立柱式钢筋混凝土墩， 共 10 根桥墩； 桥台为重力式 U 台。 跨线桥周边环境中的重点保护目标有 跨线桥 下方的地面以下埋设的各种市政设施管线、 电力设 施、 通信和有线电视设施管线； 跨线桥附近地面以上 沿路的各种建 （构） 筑物。 2 桥体塌落过程的高速摄像观测 2. 1 测试条件 测试地点位于南京市和燕路跨线桥北侧。由于 正式爆破时间为晚上 22 30， 路面灯光光线较暗， 对 于高频率拍摄难度较大， 为了能够明确显示桥体在 爆破时的塌落运动过程， 采用高亮度 LED 灯带 （位 于高架桥中间桥墩西侧护栏上， 灯带长 5 m） 来显示 桥顶位置 （LED 灯带 1） 、 地面位置 （LED 灯带 2） 及 对比标杆装置 （LED 灯带 3） ， 实物如图 1 所示。 采用高速摄像系统记录跨线桥桥体在爆破时的 塌落过程。高速摄像系统采用日本 Photron 公司的 FASTCAM 系统， 该系统由图像采集装置、 数据传输 线、 数据采集记录装置和笔记本电脑等四部分组成； 图像采集装置安装固定在三脚架上， 通过专用数据 传输电缆线与数据采集记录装置联接， 用 1394 数据 线联接数据采集记录装置和预装有 Photron FAST- CAM Viewer 2. 2 采集分析系统软件的笔记本电脑， 并将该系统设置于安全隐蔽的地方， 以确保高速摄 像系统的安全。图像采集的触发方式为手动触发， 拍摄频率为 1000 fps， 图像尺寸均为 1024 512。 图 1 指示灯带及高架桥桥体 Fig. 1 The zonal lights and viaduct 2. 2 测试方法 根据爆破现场周围环境和测试内容， 选择拍摄 点位于跨线桥北侧距离桥体指示灯带水平距离 101 m位置处。标杆设置于马路中央隔离带内， 距 离拍摄点 40 m。 t 0 时刻对应的照片编号为 n0， 照片上的参考 灯带长度为 l0（该值由数字式屏幕电子尺确定） ， 实 际参考灯带长度为 h0； 任一时刻 t ti（i 1， 2， 3， ） 时刻对应的照片编号为 ni， 照片上参考灯带距 原始位置的距离为 li（该值由数字式屏幕电子尺确 定） ， 实际塌落位移为 hi； 则任一时刻实际的塌落位 移 hi为 h h0 l0 li（1） 假设高速摄影的拍摄频率为 f， 任一时刻 t ti （i 1， 2， 3， ） 为 ti Δn f ni- n0 f （2） 通过拟合可以获得实际的塌落位移 h 随时间 t 的变化关系 h （t） ， 然后通过对 h （t） 求导可以获得桥 体塌落速度规律 v （t） ， 再对 v （t） 求导可以获得桥体 塌落加速度规律 a （t） 。 3 高速摄像拍摄结果与分析 3. 1 高速摄像拍摄结果 高速摄像拍摄的指示灯带和桥体如图 2 所示， 由于夜间光线不足， 故桥体在高速摄像中几乎分辨 不出来， 但 3 条指示灯带清晰可见。 由于拍摄过程中拍摄点距离桥面指示灯带的水 平距离不变， 所以在任意一幅图片上灯带的长度 l0为 一固定值156 （该值由数字式屏幕电子尺确定） ， 而实 际灯带的长度 h0也为固定值5 m， 故由式 （1） 知 88爆 破 2014 年 12 月 hi h0 l0 li 5 156li （3） 采用式 （3） 对高速摄像拍摄的图片进行处理后 获得的结果如表 1 所示， 表 1 中的数据以桥面指示 灯带 1 为参考， 东、 中和西是相对于该灯带而言的。 图 2 高速摄像拍摄的指示灯带 Fig. 2 The zonal lights by high-speed photography 表 1 桥体实际塌落位移 Table 1 The actual displacement of viaduct collapse 时间 t/ ms 东 桥体实际塌落 位移 h/ m 中 西 时间 t/ ms 东 桥体实际塌落 位移 h/ m 中 西 0000 500. 000. 030. 0310505. 005. 005. 06 1000. 060. 060. 1011005. 065. 035. 06 1500. 160. 190. 2211505. 195. 105. 06 2000. 290. 290. 3212005. 265. 135. 06 2500. 450. 480. 5412505. 355. 225. 10 3000. 610. 670. 7413005. 425. 265. 10 3500. 740. 800. 9613505. 485. 295. 13 4000. 961. 061. 2214005. 385. 195. 13 4501. 191. 251. 4714505. 325. 195. 13 5001. 351. 541. 7915005. 325. 135. 06 5501. 671. 862. 1215505. 295. 105. 03 6002. 022. 182. 5016005. 265. 065. 06 6502. 402. 602. 8816505. 295. 135. 13 7002. 793. 013. 3017005. 295. 135. 13 7503. 173. 403. 7217505. 295. 135. 13 8003. 653. 814. 1018005. 295. 135. 13 8504. 044. 234. 5818505. 295. 135. 13 9004. 394. 654. 8719005. 295. 135. 13 9504. 714. 905. 0619505. 295. 135. 13 10005. 005. 005. 0620005. 295. 135. 13 由表 1 数据可以获得桥体实际塌落位移 h 随时 间 t 的变化关系曲线如图 3 所示。 对图 3 所示曲线进行拟合， 可以得到桥体实际 塌落位移 h （m） 随时间 t （ms） 的变化关系为 h东 - 0.014 - 9.02058 10 -5t 1.24739 10-5t2 - 2. 99735 10 -8t3 4. 47017 10 -11t4 - 2. 21276 10 -14t5 （0 ≤ t ≤ 1000） （4） h中 0.00551 - 6.24511 10-4t 1.69155 10-5t2- 4. 08343 10 -8t3 5. 78021 10 -11t4 - 2. 82527 10 -14t5 （0 ≤ t ≤ 1000） （5） h西 0.01438 - 8.8966 10-4t 2.00046 10-5t2- 4. 58376 10 -8t3 6. 23066 10 -11t4 - 3. 0526 10 -14t5 （0 ≤ t ≤ 950） （6） 图 3 桥体实际塌落位移随时间变化关系曲线 Fig. 3 The curve of viaduct collapse displacement with time 式 （4） 式 （6） 对时间 t 进行求导， 可以获得相 应的桥体塌落速度随时间的变化关系分别为 v东 - 9. 02058 10 -5 2. 49478 10 -5t - 8. 99205 10 -8t2 1. 788068 10 -10t3 - 1. 10638 10 -13t4 （0 ≤ t ≤ 1000） （7） v中 - 6. 24511 10 -4 3. 3831 10 -5t - 1. 225029 10 -7t2 2. 312084 10 -10t3 - 1. 412635 10 -13t4 （0 ≤ t ≤ 1000） （8） v西 - 8. 8966 10 -4 4. 00092 10 -5t - 1. 375128 10 -7t2 2. 492264 10 -10t3 - 1. 5263 10 -13t4 （0 ≤ t ≤ 950） （9） 由式 （7） 式 （9） 可以得到桥体实际塌落速度 随时间变化关系如图 4 所示。 图 4 桥体实际塌落速度随时间变化关系曲线 Fig. 4 The curve of viaduct collapse velocity with time 式 （7） 式 （9） 对时间 t 进行求导， 可以获得相 98第 31 卷 第 4 期 武双章， 季茂荣， 毛益明， 等 高架桥爆破拆除塌落过程的高速摄像分析 应的桥体塌落加速度随时间的变化关系分别为 a东 2. 49478 10 -5 - 1. 79841 10 -7t 5. 364204 10 -10t2 - 4. 42552 10 -13t3 （0 ≤ t ≤ 1000）（10） a中 3. 3831 10 -5 - 2. 450058 10 -7t 6. 936252 10 -10t2 - 5. 65054 10 -13t3 （0 ≤ t ≤ 1000）（11） a西 4. 00092 10 -5 - 2. 750256 10 -7t 7. 476792 10 -10t2 - 6. 1052 10 -13t3 （0 ≤ t ≤ 950）（12） 由式 （10） 式 （12） 可以得到桥体实际塌落加 速度随时间变化关系如图 5 所示。 图 5 桥体实际塌落加速度随时间变化关系曲线 Fig. 5 The curve of viaduct collapse acceleration with time 3. 2 结果分析 从表 1 和图 3 中可以看出， 灯带西侧的桥体塌 落时间先于桥体中部和东侧， 桥体的塌落时间为 0. 95 1. 00 s。这是由于起爆顺序是从桥体的西侧 开始向东侧推进造成的。且灯带西侧的桥体的塌落 速度也略大于桥体中部和东侧。东侧和中部有一定 的小起伏， 可能是由于桥体冲击减震堤 （墙） 和剩余 部分桥墩时导致的， 最终趋于稳定。 从图 4 中可以看出， 桥体的塌落速度随时间先 快速增加， 约 740 780 ms 达到最大值， 随后又快速 下降。从图 5 中可以看出， 桥体的塌落加速度在约 740 800 ms 以内为正向加速度， 在该时间段内桥 体的塌落速度也在不断增加至最大值； 随后塌落加 速度变为负值， 方向与速度相反， 但其绝对值在逐渐 增加， 导致桥体的塌落速度迅速减小。根据拟合的 灯带东、 中和西侧桥体在塌落过程中的速度和加速 度公式， 可以得到对应部分桥体的速度最大值分别 为 8. 56 m/ s、 8. 70 m/ s 和 8. 64 m/ s， 小于该段桥体 的自由落体速度最大值约 10. 38 m/ s， 分别为桥体 的自由落体速度最大值的 82. 47％、 83. 82％ 和 83.24％， 分析其原因主要是桥墩爆破后还存在着钢 筋及部分碎混凝土块的支撑作用和后塌落桥体的牵 制作用； 对应部分桥体的加速度最大值分别为 -61. 02 m/ s2、 -82. 60 m/ s2、 -64. 95 m/ s2， 主要是 由于桥体碰到土袋构筑的堤坝、 橡胶轮胎等防护材 料以及爆破后剩余桥墩所引起的。 知道了桥体塌落的速度最大值 vmax和桥体质量 m， 可以由公式 F1 1 2 mv3 max计算出桥体塌落过程中 冲击铺设在桥体下方防护材料上表面时的总能量 F1， 若防护材料对冲击的衰减系数为 η， 则经防护材 料衰减后冲击地面的总能量为 F ηF1 1 2 ηmv2 max， 从而可以对爆破桥体时产生的塌落振动由式 （13） 进行估算 ［7， 8］， 为制定桥下管线及其它设施的安全 防护措施提供参考。 v kt mgH σ 1 3 [] R β kt F σ 1 3 [] R β （13） 式中 v 为塌落引起的地表振动速度， cm/ s； m 为塌 落构件的质量， t； g 为重力加速度， m/ s2； H 为构件中 心距离地面的高度， m； σ 为地面介质的破坏强度， 一般取 10 MPa； R 为观测点至冲击地面中心的距 离， m； kt、 β 为衰减系数， 一般取 kt3. 37， β 1. 66。 4 结论 （1） 高速摄像技术可以用来研究高架桥在爆破 时的塌落运动规律， 但如果在夜间光线不足的条件 下， 需要解决高速摄像时进光量不足的问题， 本文采 用高亮 LED 灯带来解决该问题。 （2） 提出了采用数字式屏幕电子尺来测量高速 摄像图片中待测对象相关参数的方法， 该方法可以 用于测量各类电子版图片中待测对象的尺寸。 （3） 高架桥桥体塌落速度最大值受桥墩爆破后 碎混凝土块及钢筋的支撑作用和后塌落桥体的牵制 作用共同影响， 导致该值小于对应桥体的自由落体 速度值。 （4） 获得了高架桥桥体在爆破时的塌落运动规 律后， 可以估算出塌落振动速度， 为相应的安全防护 设计提供参考。 参考文献 （References） ［1］ 孟吉复. 爆破测试技术 ［M］ . 北京 冶金出版社， 1990. 09爆 破 2014 年 12 月 ［2］ 武双章， 夏卫国. 高耸烟囱不同爆破切口位置破坏过 程摄像观测分析 ［J］ . 工程爆破， 2011， 17 （4） 79-81. ［2］ WU Shuang-zhang， XIA Wei-guo. 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