框剪結(jié)構(gòu)樓房爆破拆除傾倒過程攝影分析

侯云鋒，鄭長青，李 慶

(1.珠海爆破新技術(shù)開發(fā)有限公司,珠海519000;2.中冶武勘工程技術(shù)有限公司,武漢 430080)

在各類施工機(jī)械大發(fā)展的今天，爆破拆除法因具有經(jīng)濟(jì)、高效、安全風(fēng)險(xiǎn)低的特點(diǎn)，目前依然是拆除高大建筑物的首選方式。而城鎮(zhèn)拆除爆破，由于周邊環(huán)境復(fù)雜，樓房結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣，對(duì)施工技術(shù)、安全、環(huán)保要求的提高，給爆破拆除帶來了新的挑戰(zhàn)[1-3]。爆破拆除方案的設(shè)計(jì)又依賴于理論指導(dǎo)和工程經(jīng)驗(yàn)，為了優(yōu)化爆破方案，提高爆破的安全性和可靠性，當(dāng)前多采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行優(yōu)化或參考類似工程經(jīng)驗(yàn)。

崔正榮等為了確定原地坍塌爆破方案的最小爆破高度[4]，用LS-DYNA進(jìn)行了模擬，確定了最佳的爆破高度，并用于工程實(shí)踐，取得了較好的效果；蒙云琪等用ANSYS/LS-DYNA對(duì)原地倒塌略前傾和單向折疊倒塌兩種方案進(jìn)行了模擬分析[5]，并對(duì)爆破方案的參數(shù)就進(jìn)行了優(yōu)化，確定了最佳的爆破方案；張建華等用ANSYS/LS-DYNA對(duì)冷卻塔爆破拆除的傳統(tǒng)爆破技術(shù)和小缺口爆破技術(shù)進(jìn)行了模擬[6]，對(duì)比分析了倒塌范圍和觸地震動(dòng)，發(fā)現(xiàn)小缺口爆破技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)爆破技術(shù)。

數(shù)值模擬，是從爆破理論和數(shù)值模型出發(fā)，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行的正向模擬研究，盡管很多學(xué)者對(duì)爆破拆除的數(shù)值模擬做了很多工作，但是，由于高層樓房結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，各種樓房在爆破拆除的傾倒運(yùn)動(dòng)規(guī)律及破壞解體機(jī)理極其復(fù)雜，對(duì)模擬參數(shù)的準(zhǔn)確選取不易，且對(duì)于判斷數(shù)值模擬結(jié)果與真實(shí)情況是否相符，大多是進(jìn)行爆堆參數(shù)對(duì)比，對(duì)于倒塌過程的分析很少，而倒塌過程的運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)于研究倒塌機(jī)理具有重要意義。葉海旺等利用數(shù)值模擬對(duì)框架結(jié)構(gòu)樓房爆破拆除倒塌過程進(jìn)行了模擬[7]，應(yīng)用于具體項(xiàng)目，并將模擬的倒塌過程與倒塌結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，實(shí)現(xiàn)了較好的效果。部分學(xué)者采用攝影技術(shù)來獲取建筑物的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，崔曉榮等使用近景攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)建筑物的倒塌過程進(jìn)行測(cè)量分析[8-10]，通過圖像分析和數(shù)據(jù)處理獲得倒塌過程的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，測(cè)量精度滿足工程要求。鄭長青等使用高級(jí)數(shù)碼相機(jī)從不同角度對(duì)鋼筋混凝土煙囪的倒塌過程拍攝了數(shù)百張照片[11]，從轉(zhuǎn)角、角速度、角加速度等物理量定量分析了煙囪倒塌過程的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

依托一成功的22層框剪結(jié)構(gòu)樓房爆破拆除項(xiàng)目，采用攝影分析技術(shù)，建立了一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、簡便且可靠的圖像采集系統(tǒng)，運(yùn)用數(shù)字化分析方法，通過一組高級(jí)數(shù)碼相機(jī)拍攝的連續(xù)高清數(shù)碼圖片，捕捉樓體傾倒運(yùn)動(dòng)過程中特定觀測(cè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和可視化分析，繪制了樓頂前沿觀測(cè)點(diǎn)水平、豎直方向上的位移、速度、加速度、瞬時(shí)速度、瞬時(shí)加速度時(shí)程曲線，揭示了框剪結(jié)構(gòu)樓房爆破傾倒過程中振動(dòng)塌落的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和內(nèi)部結(jié)點(diǎn)高達(dá)20 g過載引起結(jié)構(gòu)破壞的解體機(jī)理。同時(shí)通過近景攝影，結(jié)合實(shí)際的運(yùn)動(dòng)軌跡、爆堆范圍等總結(jié)了類似樓房的傾倒的爆堆范圍、飛散距離計(jì)算公式，可供類似項(xiàng)目參考。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 前端采集系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要對(duì)象包括：具有連拍和毫秒級(jí)計(jì)時(shí)功能的高清數(shù)碼相機(jī)、拍攝機(jī)架、拍攝對(duì)象、參照(示蹤)對(duì)象、攝影無人機(jī)、圖像標(biāo)定與數(shù)據(jù)提取軟件、數(shù)據(jù)分析軟件。

分析機(jī)位選擇在位于樓房傾倒的垂直方向，選好水平、豎直向尺寸參照，定點(diǎn)、定平、定焦后，自起爆前到爆破傾倒完畢的全過程進(jìn)行高清連拍。樓房傾倒完畢、煙塵散盡后，在地面設(shè)置距離參照標(biāo)識(shí)后，在爆堆中心豎直上方采用無人機(jī)進(jìn)行空中攝影，獲取典型的爆堆特征影像。本次拍攝選擇佳能1DX高級(jí)數(shù)碼相機(jī)，于樓房傾倒垂直方向上拍攝，拍攝速率為9幀/s?？罩袛z影采用大疆御2無人機(jī)。

1.2 圖片影像后處理

圖片后處理包括以下幾方面：

(1)采用開源的Python圖像處理模塊PIL提取圖像名稱、拍攝時(shí)間(從文件exif信息中提取)。

(2)在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件AutoCAD文件中建立空間坐標(biāo)網(wǎng)格，根據(jù)圖片參照物按比例(1∶1)拉伸設(shè)置分析框架，編制Autolisp程序進(jìn)行圖像導(dǎo)入和切換[12]，逐幀標(biāo)定觀測(cè)點(diǎn)位置。CAD圖像分析空間坐標(biāo)網(wǎng)格建立效果見圖1。

圖 1 影像分析立面坐標(biāo)網(wǎng)格Fig. 1 Image analysis elevation coordinate grid

(3)利用編制的Autolisp程序提取與各幀圖片對(duì)應(yīng)的標(biāo)記點(diǎn)空間坐標(biāo)。

(4)利用開源的Python數(shù)據(jù)分析模塊Numpy、Pandas、Plotmatlib等進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化分析。

1.3 數(shù)據(jù)分析

通過對(duì)攝影圖像的后處理，以導(dǎo)爆管產(chǎn)生起爆火花時(shí)刻為起爆時(shí)刻，分別獲取每一張圖像的攝影時(shí)刻，記錄觀測(cè)點(diǎn)水平方向位移和豎直方向位移。由于樓體下墜過程中，持續(xù)受到不平衡力的影響，下墜運(yùn)動(dòng)過程極其復(fù)雜。在此，根據(jù)微分原理，假定在某一時(shí)間微區(qū)間內(nèi)水平、垂直方向加速度保持不變，均為定加速運(yùn)動(dòng)。

在上述假設(shè)下，根據(jù)速度(瞬時(shí)速度、平均速度)、加速度、位移關(guān)系，見式(1、2、3)

S=V0T+1/2aT2

(1)

Vt=V0+aT

(2)

Va=S/T

(3)

從第0張開始進(jìn)行迭代計(jì)算，分別計(jì)算每連續(xù)拍攝的兩張圖片之間的時(shí)間微區(qū)間T，樓體上特定觀測(cè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)位移S(m)、加速度a(m/s2)、瞬時(shí)速度Vt(m/s)、平均速度Va(m/s)。

計(jì)算過程如下：

…

2 案例分析

以河源龍川縣遠(yuǎn)東花園違建樓爆破拆除為案例，采用攝影分析技術(shù)對(duì)其傾倒過程進(jìn)行了分析。

2.1 案例工程概況

2.1.1 待拆樓房概況

待拆除樓房為22層鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)，總建筑面積16998 m2。主樓長26.6 m，寬25 m，高71.2 m，地下室2層。其中1～4層為裙樓，長32 m、寬25 m、高15.4 m。待拆除樓房東面65 m處為一層平頂鐵皮房，南面3 m處有一棟3層樓別墅，35 m有一棟2層住宅，東南面30 m處有一棟4層住宅，42 m處有一棟16層高樓，西面與西北面68 m處有三棟教學(xué)樓，北面為空地，周圍環(huán)境較復(fù)雜。待拆除樓房實(shí)景影像見圖2。

圖 2 待爆破樓房實(shí)景影像圖Fig. 2 Live image of the building to be blasted

2.1.2 爆破拆除方案

樓房為鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)，南北方向?yàn)?排立柱，東西方向?yàn)?排立柱，電梯間和樓梯間為剪力墻核心筒。承重柱有4種規(guī)格，截面尺寸為120 cm×60 cm、100 cm×60 cm、100 cm×40 cm和60 cm×60 cm，梁有2種規(guī)格，截面尺寸為85 cm×30 cm和70 cm×24 cm。1～4層保留西側(cè)和南側(cè)一跨裙樓，5～22層為H型結(jié)構(gòu)，待拆樓結(jié)構(gòu)平面見圖3。

圖 3 待爆破樓結(jié)構(gòu)平面圖(單位:m)Fig. 3 Structural plan of the building to be blasted(unit:m)

采用梯形爆破切口定向傾倒，設(shè)計(jì)炸高四層，爆破切口高H=13.5 m，爆破缺口的傾倒角36°。采用導(dǎo)爆管雷管起爆網(wǎng)路，孔內(nèi)分段，柱間逐排延時(shí)起爆。爆破切口及起爆網(wǎng)路延時(shí)見圖4。

圖 4 爆破切口與起爆網(wǎng)路延時(shí)布置圖(單位：m)Fig. 4 Schematic diagram and delay time of blasting incision(unit:m)

2.2 傾倒過程分析

利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件AutoCAD及二次開發(fā)程序，對(duì)連拍高清照片進(jìn)行后處理，標(biāo)記出特定點(diǎn)下落運(yùn)動(dòng)過程及最終軌跡見圖5。

圖 5 觀測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡提取過程Fig. 5 Extraction process of observation point trajectory

根據(jù)標(biāo)記軌跡圖，計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取各軌跡點(diǎn)時(shí)刻及坐標(biāo)數(shù)據(jù)。從樓頂前沿點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，結(jié)合現(xiàn)場爆堆分布情況，樓體在觸地前后樓頂明顯發(fā)生了前沖和爆碴飛射。本文取最能反映爆破傾倒特征的樓頂前沿點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析。以樓體爆破前前沿點(diǎn)位置為原點(diǎn)，分別計(jì)算不同時(shí)刻水平和豎直方向位移、速度、加速度值，為讓結(jié)果更直觀，同時(shí)計(jì)算各時(shí)間區(qū)間的平均速度，即能直觀觀察到的速度。樓體前沿點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算成果見表1。

為了進(jìn)行更為直觀的分析，我們將計(jì)算成果中各觀測(cè)點(diǎn)水平、豎直向的位移、加速度、瞬時(shí)速度、平均速度進(jìn)行可視化處理，可視化結(jié)果見圖6。

分析樓體前沿點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡水平、豎直向位移、加速度、瞬時(shí)速度、平均速度時(shí)程曲線，可直觀得出以下結(jié)論：

(1)樓體傾倒過程中各觀測(cè)點(diǎn)水平、垂直向的速度、加速度隨時(shí)間推移，均不斷發(fā)生變化，呈非線性運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

(2)觀測(cè)點(diǎn)水平、垂直向加速度隨時(shí)間不斷交替換向，說明樓體在倒塌過程中是不斷振動(dòng)向前、向下，其瞬時(shí)加速度可達(dá)20倍重力加速度以上，瞬時(shí)加速度的急劇變化，內(nèi)部結(jié)點(diǎn)處沖擊載荷對(duì)樓體結(jié)構(gòu)形成巨大破壞。前沿點(diǎn)在起爆后約2.7 s時(shí)(切口閉合時(shí))，下落平均速度達(dá)10 m/s左右時(shí)，逐漸趨于穩(wěn)定，此時(shí)加速度變化加劇，逐步達(dá)成動(dòng)態(tài)平衡。

(3)樓體向前下墜過程中，除受重力影響外，還不斷受到地面及下部不斷破壞的支撐結(jié)構(gòu)的反作用力影響，導(dǎo)致受力發(fā)生不規(guī)則的周期性變化，表明樓體下墜過程內(nèi)部不斷受到劇烈的拉伸、壓縮，導(dǎo)致樓體內(nèi)部在空中即發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。

表 1 特定裂紋長度所需壓力

圖 6 各向位移、加速度、瞬時(shí)速度、平均速度時(shí)程曲線Fig. 6 Time-history curves of displacement,acceleration,instantaneous speed and average speed

(4)通過對(duì)比觀察樓頂前、后沿點(diǎn)不斷變化的相對(duì)位置關(guān)系，表明樓體在向前下墜運(yùn)動(dòng)過程中，不同部位的速度、加速度方向、大小均發(fā)生著動(dòng)態(tài)變化，說明下墜過程中樓體內(nèi)部不斷發(fā)生著振動(dòng)變形，內(nèi)應(yīng)力形成的內(nèi)部結(jié)點(diǎn)沖擊過載導(dǎo)致樓體在空中即開始發(fā)生解體。

2.3 爆堆分析

爆破完成后，結(jié)合現(xiàn)場無人機(jī)空中攝影，對(duì)爆堆進(jìn)行了對(duì)比分析。通過爆破傾倒過程軌跡趨勢(shì)觀察及爆破后爆堆特征點(diǎn)對(duì)比分析，前沿點(diǎn)倒塌趨勢(shì)指向位置與前沿點(diǎn)實(shí)際倒塌位置具有一定差異，說明前沿點(diǎn)在觸地階段發(fā)生了前沖。根據(jù)倒塌前前沿點(diǎn)投影位置、趨勢(shì)指向位置、最終落點(diǎn)位置、爆堆最遠(yuǎn)散落點(diǎn)位置，將爆堆范圍分為三段，暫且將前沿點(diǎn)投影位置到指向落點(diǎn)稱為傾倒距離，將指向落點(diǎn)到實(shí)測(cè)落點(diǎn)距離稱為前沖距離，將實(shí)測(cè)落點(diǎn)距離至爆碴最大散落點(diǎn)稱為飛散距離。傾倒范圍與實(shí)測(cè)爆堆對(duì)比如圖7。

圖 7 傾倒范圍(左)與爆堆實(shí)測(cè)(右)對(duì)比圖Fig. 7 Comparison diagram of dumping range(left) and measured explosion pile(right)

爆堆圖像通過距離參照按1∶1的比例拉伸，根據(jù)樓房傾倒過程中前沿點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡趨勢(shì)和爆堆特征點(diǎn)，在圖上測(cè)量相關(guān)距離：

圖上實(shí)測(cè)前沿落點(diǎn)距傾倒前前沿點(diǎn)投影位置距離43.1 m；圖上實(shí)測(cè)爆堆前沿最大散落點(diǎn)距前沿點(diǎn)落點(diǎn)16.12 m。

為進(jìn)一步探究其動(dòng)運(yùn)軌跡與倒塌距離、前沖距離的關(guān)系，通過動(dòng)態(tài)攝影圖采樣前沿觀測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的位移坐標(biāo)，并將相關(guān)軌跡點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行高冪次多項(xiàng)式擬合分析。工程實(shí)際中為已知樓高，為了便于計(jì)算樓頂前沿倒塌落點(diǎn)，現(xiàn)選擇起始點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，豎直向位移作為自變量，水平向位移作為自變量，對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，導(dǎo)出前沿點(diǎn)水平位移與高度關(guān)系的計(jì)算公式。

從大量實(shí)際工程實(shí)例分析，樓體傾倒過程中，前沿點(diǎn)水平位移總是隨著樓高的增加呈增加趨勢(shì)，因此實(shí)際擬合時(shí)選擇以非軸對(duì)稱的奇次冪進(jìn)行高次多項(xiàng)式擬合。為了預(yù)測(cè)前沿點(diǎn)最終塌落位置，將自變量取值擴(kuò)大至覆蓋樓高的范圍。分別采用1、3、5、7次冪多項(xiàng)式擬合，擬合結(jié)果見圖8。

圖 8 前沿點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡擬合效果圖Fig. 8 Different fitting curves of the motion trajectory of the front point

通過對(duì)擬合結(jié)果的直觀分析，5次冪多項(xiàng)式擬合結(jié)果及延伸趨勢(shì)，與現(xiàn)場實(shí)際情形最為近似，擬合多項(xiàng)式見式(4)

x=2.872×10-7y5+4.388×10-5y4+0.002375y3

+0.04999y2+0.7252y-0.1276

(4)

根據(jù)水平位移的擬合公式，將本項(xiàng)目中北側(cè)地面以上樓高63 m代入擬合公式，計(jì)算出前沿點(diǎn)觸地時(shí)趨勢(shì)指向位置水平位移為x= -34.96 m(負(fù)號(hào)表示向左)。攝影圖上實(shí)測(cè)前沿落點(diǎn)距樓體傾倒前前沿垂直投影位置43.1 m，說明樓體前沿觸地時(shí)發(fā)生了前沖，前沿點(diǎn)前沖距離43.1-34.96=8.14 m，為樓體高度的12.89%。爆碴最遠(yuǎn)散落點(diǎn)距爆堆前沿落點(diǎn)16.12 m，為樓體高度的25.59%。

大量案例直觀分析前沖距離和飛散半徑均與墜落高度相關(guān)，假定均為線性相關(guān)，則可得樓房倒塌距離(傾倒距離)的計(jì)算公式，見式(5)

S1=x+0.129H

(5)

爆碴散落半徑估算公式，見式(6)

S2=0.256H

(6)

式中

x=2.872×10-7y5+4.388×10-5y4+0.002375y3+

0.04999y2+0.7252y-0.1276

S1為樓房傾倒距離，m；S2為爆碴散落半徑，m；x為不含前沖的水平位移，m；y為豎向位移，完全傾倒時(shí)為爆破前前沿點(diǎn)距地面高度，m；H為爆破前前沿點(diǎn)距地面高度，m。

以上計(jì)算公式，可根據(jù)不同類型案例進(jìn)行針對(duì)性驗(yàn)證修正各系數(shù)，從而可應(yīng)用于其他類型建筑物的傾倒運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)分析。

3 結(jié)論與展望

結(jié)合某22層框剪結(jié)構(gòu)樓房爆破拆除的成功案例，采用攝影分析技術(shù)和通用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件AutoCAD及開源工具，結(jié)合二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)了框剪結(jié)構(gòu)樓房爆破拆除傾倒過程的詳細(xì)分析，獲取了一批運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，得出以下結(jié)論：

(1)利用常規(guī)設(shè)備即可建立一套經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、簡便且可靠的圖像采集系統(tǒng)，采集到滿足樓房傾倒運(yùn)動(dòng)過程分析的且具有運(yùn)動(dòng)時(shí)程信息的高清圖片。結(jié)合通用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件AutoCAD和開源工具，進(jìn)行二次開發(fā)，較準(zhǔn)確地提取了高清數(shù)碼圖片的時(shí)空數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)了除特征點(diǎn)標(biāo)記外的所有數(shù)據(jù)自動(dòng)處理，可為大量類似工程信息采集、分析、積累數(shù)據(jù)提供參考。

(2)通過對(duì)特定觀測(cè)點(diǎn)的軌跡時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，探究了框剪結(jié)構(gòu)樓房爆破拆除傾倒運(yùn)動(dòng) 過程，揭示了樓體傾倒過程中的結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理，在高達(dá)20 g(g為重力加速度)的瞬時(shí)沖擊載荷作用下迅速發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞的機(jī)理。進(jìn)一步計(jì)算并擬合出的空間位移、速度、加速度、瞬時(shí)速度、瞬時(shí)加速度時(shí)程曲線，結(jié)合爆破振動(dòng)波形時(shí)程曲線，可判斷不同時(shí)刻所引起的振動(dòng)情況，可推測(cè)切口觸地閉合時(shí)樓體過載及破壞情況，為類似工程減振措施的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)提供支撐，亦可為不同結(jié)構(gòu)類型樓房爆破拆除切口類型及高度設(shè)計(jì)提供借鑒。

(3)對(duì)樓體前沿點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的冪次多項(xiàng)式擬合，并根據(jù)前沖距離、飛散半徑，給出了類似樓房拆除的傾倒范圍和飛散半徑的預(yù)測(cè)模型，結(jié)合不同類型案例進(jìn)一步優(yōu)化，成果可用于其他類型的傾倒運(yùn)動(dòng)分析，為類似工程實(shí)施提供計(jì)算參考。

(4)本次攝影觀測(cè)主要采用可視化觀測(cè)，受倒塌后的煙塵影響，僅提取了倒塌觸地前的大半段運(yùn)動(dòng)過程數(shù)據(jù)，后續(xù)可在樓體表面增加示蹤標(biāo)識(shí)(紅外或GPS電子定位裝置)，以完成觀測(cè)點(diǎn)全過程運(yùn)動(dòng)軌跡的追蹤，獲得更為完整的運(yùn)動(dòng)過程數(shù)據(jù)。