烟囱爆破拆除及其振动测试分析.pdf

2 0 1 3 年6 月 烟囱爆破拆除及其振动测试分析闫鸿浩等 2 1 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 8 3 5 2 ．2 0 1 3 ．0 3 ．0 0 5 烟囱爆破拆除及其振动测试分析拳 闰鸿浩刘智远李晓杰 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室 辽宁大连，1 1 6 0 2 4 [ 摘要]针对4 1 m 高钢混结构烟囱爆破拆除，采用梯形缺口方式，设计了合理的烟囱爆破参数，并对爆破振动、 塌落振动进行监测。通过分析振动图谱，得出烟囱从起爆到塌落共需7 s 左右。介绍了振动主频的两种求解方法， 一种是国标规定的最大振动速度对应的频率；另一种是最大能量密度处由F F T r 分析快速傅里叶变换得到的频率。 虽然两者之问存在较大差异，但都证明了爆破振动的主频要高于塌落振动的主频，塌落振动频率更接近于建筑物 的固有频率，容易引起共振。 [ 关键词] 爆破拆除爆破参数爆破振动塌落振动F F r 变换 [ 分类号] T D 2 3 5 ．3 7T U 7 4 6 ．5 引言 在城市扩建与厂房改建等工程中，常常涉及到 废弃烟囱的爆破拆除问题。本次爆破根据以前烟囱 拆除的经验设计爆破参数剖和经验公式，粗略地计 算需保护建筑处的振动速度，使用爆破测振仪对拆 除过程进行了监测，记录下测点的振动速度与振动 频率，这为研究烟囱爆破后的运动过程及状态提供 了准确、科学的依据。 1 爆破设计 某烟囱高4 1 i n ，底部直径3 ．3 4 m ，顶部直径 2 ．0 0 m 。烟囱西侧紧邻一住房，东南侧6 8 m 处有一 厂房。烟囱周围地质为上元古界震旦系长岭子组， 主要岩性为灰绿色一黄褐色的泥质板岩和绢云钙质 板岩。风化程度总体上自上而下为由强至弱的渐变 关系。本次爆破采用梯形切口，实际爆破时，切口位 于 3 m 处，切口处外直径D 为3 ．2 5 m ，壁厚6 为 1 7 c m ，根据以往爆破拆除经验，切口圆心角取值范 围为2 1 6 0 一2 4 0 0 ，本次拆除取为2 4 0 0 ，故切口长度 为L , r r D 2 4 0 ／3 6 0 6 ．8 m ，预留长度为3 ．4 m ；切 口闭合角取3 5 。，孔距0 ．2 m ，行距0 ．2 m ，孔径 4 0 m m ，采用梅花布孔方式，总共孔数为6 0 个，孔深 为1 2 1 3 e m ，装药后用泥土封堵炮孔，封堵高度为 7 c m ；切口高度h 3 ～5 8 0 ．5 1 ～0 ．8 5 m ，此处 取为1 ．1 m ，设计参数见图1 。单孔药量为4 0 9 ，采用 M S 一5 塑料导爆管雷管起爆，总使用药量Q 为2 ．4 k g 。装药后，使用草袋覆盖爆破区，并用帆布包裹， 一16b 2 0 黧美 1 2 0 黜1 2 0 烈，、∞2 4 ．6 钏 图1 爆破横截面及切1 3 展开图 单位c m F i g ．1U n f o l d i n gd i a g r a mo fb l a s t i n gc r o s s s e c t i o na n dc u t u n i t c m 然后用铁丝捆绑，以防飞石伤人及损坏周边建筑物。 2 塌落触地时间与振动速度估算 2 ．1 塌落触地时间估算 切口以上烟囱总质量约为1 3 4 ．5 t ，重心距地面 高度为3 ．0 1 7 ．4 2 0 ．4 m 。忽略爆破拆除的起爆 与破碎时间，烟囱倒塌实际上是中空锥台的倒塌计 算问题。以被保留部位的最远点为转动绞点 忽略 绞点的反向力矩影响 ，有角加速度、角速度公式存 在 J o O R o M g c o s 0 ；O J 0 4 2 ∞o ～／s i n 0 0 一s i n 0 ；0 9 ； R o M g ／1 0 g ／R o 1 式中0 为重心与转动绞点连线跟地平线的夹角；0 ’ 为角速度；0 “为角加速度；o o a r c t a n 1 7 ．3 8 7 6 ／ 1 ．6 2 5 8 4 ．6 6 0 ，为初始角；M 为上部烟囱质量；g 为重力加速度；瑞 2 0 ．5 2 m 为惯性转动半径；J o 为 绕绞点转动惯量。 转动角度与时间的关系见图2 ，从开始8 4 ．6 6 0 崇收稿日期2 0 1 3 - 0 3 - 0 7 基金项目国家自然科学基金资助项目 1 0 8 7 2 0 4 4 ，1 0 9 7 2 0 5 1 ，1 0 9 0 2 0 2 3 ，辽宁省自然科学基金项目 2 0 0 8 2 1 6 1 作者简介闰鸿浩 1 9 7 5 一 ，男，博士，副研究员，博导，主要研究方向气相爆轰合成纳米材料。E - m a i l h o n g h a o y a n r i p ．s i n a ．c o m 通信作者刘智远 1 9 8 8 一 。男。硕士，主要研究方向水相爆速测量。E - m a i l s h i j i z h i x i n 9 8 5 2 1 6 3 ．c o m 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第4 2 卷第3 期 转动到一8 ．5 3 。 其中烟囱底部预留高度为3 m ，烟囱 底部到初始触地点的距离为2 0 m ，估算触地时间为 5 ．8 s 。 图2 转动角与时I 司关系 F i g ．2 R e l a t i o n s h i pb e t w e e nr o t a t i o na n g l ea n dt i m e 2 ．2 振动速度估算 烟囱从起爆到倒塌理论上应有4 个振动区域， 即爆破、闭合、前沿触地、倒塌。爆破时采用的同段 别雷管，近似认为同时爆破引起振动；如果忽略反向 力矩影响，对于3 5 。的闭合角，从图2 可以看出，闭 合振动应处于4 ．7 5 s 左右，由于其引起的振动小于 仪器的触发阈值，所以振动图谱在此位置处未见明 显振动。振动总体上分布在两个区域，一是爆破振 动区域，二是塌落振动区域。依据上节估算，两个区 域间隔时间约为5 ．8 s 。 根据我国G B 6 7 2 2 - - 2 0 0 3 爆破安全规程的规 定，对埋于地下集中炸药包爆炸，其爆炸引起的质点 振动速度，可采用萨道夫斯基爆破振动经验公式 2 K 沏尺 。 2 大量观测数据表明，在爆破拆除建筑物时，振动 预测公式中需要增加修正系数K ‘，才能使计算结果 更接近于实际，从而可以得到∞J 秽 K ’K 7 _ ／R 。 3 式中口为质点振动速度，c m ／s ；K 、O ／为与地形、地质 有关的系数，取K 3 3 ．6 ，O t 1 ．6 ；Q 为单响最大 药量，k g ；R 为测点到爆源的距离，m ；K 为爆破拆除 折减系数，取0 ．2 5 1 ．0 0 ，此处取0 ．2 5 。 移0 ．2 5x 3 3 ．6 河／6 8 1 ～0 ．0 1 5 7 e m ／s 塌落振动常用振动速度校核公式为o7 I 铲K 俘尺 卢 4 式中％为质点振动速度，c m ／s ；K t 、卢为衰减系数， 一般取K 3 ．3 7 ，届 1 ．6 6 ；o r 为介质的破坏强度， M P a ；R 为冲击地面中心到建筑物的最近距离，m ；g 为重力加速度9 ．8 ，m ／s 2 ；M 为烟囱质量，t ；H 为烟囱 重心高度，m 。 倒塌引起的地面质点振动速度为 口 3 ．3 7 1 3 4 ．5 x9 ．8x 2 0 ．4 ／5 4 1 0 ．3 5 4 5 c m ／s 由计算结果可看出，爆炸振动速度远小于塌落 振动速度。根据爆破安全规程 G B 6 7 2 2 - - 2 0 0 3 规定，选取被保护物的爆破振动安全速度允许范围 为2 ．0 ～3 ，0 c m ／s ，经过计算，最大振动速度为 0 ．3 5 4 5 c m ／s ，满足标准。 3 振动速度监测 3 。1 布点位置 本工程采用T c 4 8 5 0 爆破测振仪测试爆破及 塌落振动速度和频率，烟囱倒塌方向为南偏东1 0 。 左右，在烟囱倒塌斜后方和斜前方各布有一个点，仪 器编号分别为2 8 和6 9 ，2 8 号仪器到爆炸点和塌落 中心的距离分别为3 0 m 、4 6 m ；6 9 号仪器爆心距与塌 落中心距分别为6 8 m 、5 4 m ，仪器具体位置见图3 。 仪器设置采集率为2k H z ，根据估算触地时间为 5 ．8 s ，所以设置仪器采集时间长度为1 0 s 。 北 2 ◆东 i 々垂＼ 尔 图3 仪器布点图 F i g ．3 I n s t r u m e n t sl o c a t i o nd i a g r a m 3 ．2 仪器测试结果及F F I 频谱分析 由于本次仪器设置的触发阀值为0 ．0 5 c m ／s ，而 总起爆药量较小，导致2 8 号仪器没有爆破振动的触 发，由此可知其速度峰值小于0 ．0 5 c m ／s ，远低于建 筑物的安全允许振速，不会对建筑物造成损害。6 9 号仪器测得的振动合速度，爆破振动与塌落振动的 数据见表1 ，图谱见图4 合速度是同时记得的三维 速度的矢量合成 。 从图4 分析可以得到振动分两个区域，第一个 为爆破振动区域，持续时间为5 0 0 m s 左右；第二个 为塌落振动区域，持续1 0 0 0 m s 左右，触地时刻为 7 0 0 0 m s 。假设爆破振动完毕后，预留体爆破松散失 去支撑能力，那么烟囱从启动到触地大致为7 0 0 0 5 0 0 6 5 0 0 m s ，而估算触地时间为5 8 0 0 m s ，相差 7 0 0 m s 左右。这是因为计算时忽略了铰点的反向力 矩，所以持续时间会长一些。 万方数据 2 0 1 3 年6 月 烟囱爆破拆除及其振动测试分析闫鸿浩等 2 3 图4 振动全过程合速度 F i g ．4 T o t a lv i b r a t i o np r o c e s sr e s u l t a n tv e l o c i t yd i a g r a m 由表1 可看出，塌落振动的频率远比爆炸振动 的频率低，更接近于周围建筑物的固有频率 3 ～ 1 1 H z ，易因共振而导致建筑物破坏；比较6 9 号仪 器测得的爆炸振动速度与塌落振动速度，却发现爆 炸振动速度反而大，这是因为烟囱的质量较轻，且烟 囱重心比较低，因而引起塌落振动速度比较小。 为了更好地表达烟囱爆炸拆除过程中振动问 题，将振动测试波形图提出两个部分，即爆炸振动与 塌落振动，各自振动合速度波形见图5 与图6 。 为了进一步研究振动主频，这里又采用快速傅 里叶变换 F F T 计算各自的振动主频旧J 。先对当前 通道波形的数据进行窗函数处理，然后做F 丌分 析，寻求最大幅值下的振动频率，计算公式为 1 y 鬈 { 7 2 X 建 W 忍 e ～乒”““ 5 』V 式中X n 为输入波形序列；W n 为窗函数序列， 图5 爆破振动合速度 F i g ．5B l a s t i n gr e s u l t a n tv e l o c i t yd i a g r a m 0 O 0 ，0 l 0 虽o 。0 0 图6 塌落振动合速度 F i g ．6 T o u c h d o w nr e s u l t a n tv e l o c i t yd i a g r a m 取W 凡 1 的矩形窗；Ⅳ为参加FF I ’计算的序列点 数，n 值从0 一N 一1 ；y K 是复数序列取模运算得到 幅值谱I 】， K I ，不对其作对数归一化处理；Y K 对 应的频率计算为[ 采集率 i 1 ／I X ] ，i - 1 ～I X ，其 中I X I n t 1 0 9 n ／l 0 9 2 1 、I X 2 “。 选择6 9 号仪器测试原始数据分区对z 向做 F F r 频谱分析，见图7 与图8 。爆破振动z 向振动 主频为9 0 ．3 3 H z ，塌落振动z 向振动主频为4 7 ．3 6 H z 。表1 中6 9 号的振动主频分别为8 3 ．3 3H z 、 1 6 ．3 9 H z 。此处F 胛频谱分析是功率图谱中能量密 度最大处的频率，而仪器测试显示的主频是最大振 动速度处的频率，这两种频率虽然算法不同，但同时 说明了爆破振动频率大于塌落振动频率，塌落振动 频率更接近于周围保护建筑的固有频率。 4 结束语 4 1 m 高钢混结构烟囱爆破拆除，采用梯形切口 加{ z 图7 爆破振动Z 向频谱图 F i g ．7B l a s t i n gv i b r a t i o ns p e c t r u md i a g r a mi nZd i r e c t i o n 万方数据 2 4 爆破器材E x p l o s i v e M a t e r i a l s 第4 2 卷第3 期 f 粤 吕 o ≤ 图8 塌落振动Z 向频谱图 F i g ．8 T o u c h d o w nv i b r a t i o ns p e c t r u md i a g r a mi nZd i r e c t i o n 方式，并对整个拆除过程进行了追踪测试，不管是从 爆炸及倒塌振动的频率分析，还是从振动速度分析， 整个烟囱拆除过程都是安全的。通过理论计算与测 试分析得出倒塌时问分别为5 ．8 s 、7 ．O s ，说明了烟囱 倒塌过程中存在着铰接点反向力矩的影响；本文中 介绍了振动主频的两种求解方法，虽然两者之间存 在较大差异，但都证明了爆破振动的主频要高于塌 落振动的主频，塌落振动频率更接近于建筑物的固 有频率，容易引起共振；因此，在以后的高耸建筑拆 除工程中，要重点考虑塌落振动的破坏作用。 参考文献 [ 1 ]池恩安，魏兴，温远富．1 0 0 m 钢筋砼烟囱和8 0 m 砖烟 囱定向；爆破拆除[ J ] ．工程爆破，2 0 0 2 ，8 1 2 7 3 0 ． C h iE n ’a n ，W e iX i n g ，W e nY u a n f u ．D e m o l i t i o no f1 0 0 一 m e t e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ea n d8 0 ．．m e t e rb r i c k ．．s t r u c t u r a l c h i m n e y sb yd i r e c t i o n a lb l a s t i n g [ J ] ．E n g i n e e r i n gB i a s ． t i n g ，2 0 0 2 ，8 1 2 7 3 0 ． [ 2 ]黎丹清，俞诚，汤月华，等．2 1 0 m 钢筋混凝土烟囱定向 爆破拆除[ J ] ．工程爆破，2 0 0 9 ，1 5 1 4 8 - 5 1 ． L iD a n q i n g ，Y uC h e n g ，T a n gY u e h u a ，e ta 1 ．D e m o l i t i o no f a2 1 0 m ．- h i g hr e i n f o r c e d ．- c o n c r e t ec h i m n e yb yd i r e c t i o n a l [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] b l a s t i n g [ J ] ．E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，2 0 0 9 ，1 5 1 4 8 ．5 1 ． 王健，付武，姚晓军．1 2 5 m 高钢筋混凝土烟囱定向折叠 爆破拆除[ J ] ．爆破，2 0 1 0 ，2 7 3 5 8 - 6 0 ． W a n gJ i a n ，F uW u ，Y a oX i a o j u n ．E x p l o s i v ed e m o l i t i o no f 1 2 5 mr e i n f o r c e dc o n c r e t ec h i m n e yb yd i r e c t i o n a la n df o l d e d [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 0 ，2 7 3 5 8 - 6 0 ． 谢先启．1 5 0 m 钢筋砼烟囱爆破拆除技术与分析[ J ] ． 工程爆破，2 0 0 8 ，1 4 1 5 4 - 5 7 ． X i eX i a n q i ．B l a s t i n gt e c h n o l o g ya n de f f e c t a n a l y s i s i n d e m o l i t i o no far e i n f o r c e dc o n c r e t e c h i m n e y o f1 5 0 m h e i g h t [ J ] ．E n g i n e e r i n gB l a s t i n g ，2 0 0 8 ，1 4 1 5 4 5 7 ． 罗先南，方向，谭雪刚，等。1 8 0m 烟囱爆破拆除减振技 术与振动分析[ J ] ．爆破，2 0 0 9 ，2 6 2 9 2 - 9 5 ． L u oX i a n n a n ，F a n gX i a n g ，T a nX u e g a n g ，e ta 1 ．V i b r a t i o n r e d u c t i o nt e c h n i q u ea n dv i b r a t i o na n a l y s i so fd e m o l i t i o n b l a s t i n go f1 8 0 mc h i m n e y [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 0 9 ，2 6 2 9 2 9 5 ． 邓祖明，姜防．8 0m 砖一钢筋混凝土复合结构烟囱爆 破拆除[ J ] ．爆破，2 0 1 0 ，2 7 1 6 7 - 7 0 ，9 5 ． D e n gZ u m i n g ，J i a n gF a n g ．T h eb l a s t i n gd e m o l i t i o no fa8 0 - m e t e rh i 【g hb r i c ka n dr e i n f o r c e dc o n c r e t ec o m b i n e ds t r u c t u r ec h i m n e y [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 1 0 ，2 7 1 6 7 - 7 0 ，9 5 ． 王晨，高文乐，方昌华，等．1 0 0 m 高钢筋混凝土烟囱的 双向折叠爆破拆除[ J ] ．工程爆破，2 0 1 0 ，1 6 3 6 8 - 7 1 ． W a n gC h e n ，G a oW e n l e ，F a n gc h a n h u a ，e ta 1 ．B i d i r e c t i o n a lf o l d i n gb a s t i n gd e m o l i t o no fal o o m h i g hr e i n f o r c e d c o n c r e t ec h i m n e y [ J ] ．E n i g e e r i n gB l a s t i n g ，2 0 1 0 ，1 6 3 6 8 ．7 1 ． 徐岩，张晓明，王瑜，等．基于离散傅里叶变换的频谱 分析新方法[ J ] ．电力系统保护与控制，2 0 1 1 ，3 9 1 1 3 8 _ 4 1 ． X uY a n ，Z h a n gX i a o m i n g ，W a n gY u ，e ta 1 ．An e w m e t h o do fs p e c t r u ma n a l y s i sb a s e do nD F T [ J ] ．P o w e r S y s t e mP r o t e c t i o na n dC o n t r o l ，2 0 11 ，3 9 11 3 8 ．4 1 ． C h i m n e yB l a s t i n gD e m o l i t i o na n dA n a l y s i so fV i b r a t i o nM e a s u r e m e n t Y A NH o n g h a o ，L I UZ h i y u a n ，L IX i a o j i e S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fS t r u c t u r a lA n a l y s i sf o rI n d u s t r i a lE q u i p m e n t ， D a l i a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y L i a o n i n gD a l i a n ，11 6 0 2 4 [ A B S T R A C T ]B ym e a n so ft r a p e z o i d a lc u t ，t h ed e s i g no fr e a s o n a b l eb l a s t i n gp a r a m e t e r sa n dt h em o n i t o ro fb l a s t i n ga n d t o u c h d o w nv i b r a t i o n sw e r ec o n d u c t e df o rt h es u c c e s s f u ld e m o l i s h i n go fr e i n f o r c e dc o n c r e t ec h i m n e yo f4 1m h i 。g h ．A c c o r d i n g t ot h ea n a l y s i so fv i b r a t i o ng r a p h i c ，i tt a k e sa b o u ts e v e ns e c o n d sf r o md e t o n a t i o nt ot o u c h d o w n ．T w od i f f e r e n ta p p r o a c h e st o s o l v i n gt h ev i b r a t i o nm a i nf r e q u e n c ya r ei n t r o d u c e d T h ef i r s tf r e q u e n c yc o r r e s p o n d st om a x i m u mv i b r a t i o nv e l o c i t ya c c o r d - i n gt ot h eG Bs t a n d a r d s ，w h i l et h es e c o n df r e q u e n c yc o r r e s p o n d st om a x i m u me n e r g yd e n s i t ya n db ea c h i e v e db yF o u r i e r t r a n s f o r m ．I ns p i t eo ft h eg r e a td i f f e r e n c ei nc a l c u l a t i o n ，b o t ho ft h e ms u p p o r tt h ef a c tt h a tt h em a i nf r e q u e n c yo fb l a s t i n g v i b r a t i o ni sl a r g e rt h a nt h a t o ft o u c h d o w nv i b r a t i o n ，a n dt o u c h d o w nv i b r a t i o nf r e q u e n c yi sm o r ec l o s et ot h ei n h e r e n tf r e q u e n c yo fb u i l d i n g s ，w h i c hi se a s yt ol e a dt or e s o n a n c e ． [ K E YW O R D S ]b l a s t i n gd e m o l i t i o n ，b l a s t i n gp a r a m e t e r ，b l a s t i n gv i b r a t i o n ，t o u c h d o w nv i b r a t i o n ，F a s tF o u r i e rT r a n s f o r m a t i o n 万方数据