爆破地震效应.pdf

第 2 1卷第 2期 2 0 0 4年 6月 爆 破 BLAS TI N G VO 1 ． 2 1 NO ． 2 J u n ． 2 0 0 4 文章 编 号 1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 0 4 0 2 0 0 0 1 0 5 爆破地震 效应 钱七 虎 ， 陈 士 海 1 ． 解放军理工 大学 ， r r 苏 南 京 2 1 0 0 0 7 ； 2． 山东科 技大学 ， 山东 泰安 2 7 1 0 1 9 摘 要 爆破地 震震动达到足够 强度 时， 就会 引起各种 破坏 现 象。寻找爆 破地震 烈度 工程标 准参数 ， 研 究 爆破 地震动 强度 ， 分析爆破地震 力对 结构的破 坏作用 ， 是 当前工程结构抗爆破地 震效应研究 的重 点问题。综 述 了爆破 地震烈度 的局 限性 ， 说 明了爆破地震加速度 扣速度 间的相 关性 ， 重点通过 分析 单质点 系的爆破 地震 反应 ， 计 算了结构 中的 内力， 进 而判断结构的破坏情 况， 得 出建筑 结构的震 害是 由爆破 地震运 动 的加 速 度或 速度 最大值 决定 ， 而岩土 工程 的震 害主要 由地面运动最 大速度 决定的结论。 关 键词 爆破 地震 ； 建筑结构 ； 岩 土工程 ； 烈度 ； 震 害 中图分类号 TD 2 3 5 文献标识码 A Bl a s t i n g Vi b r a t i o n Ef f e c t QI AN Qi h u 。 C HEN S h i h 口 i ， 1 ． P L A Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ， Na n j i n g 2 1 0 0 7 ， C h i n a ； 2 ． S h a n d o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， T a i a n 2 7 1 0 1 9 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e s e l e c t i o n o f t h e b l a s t i n g esh q u a k e i n t e n s i t y p r o j e c t s t a n d a r d p a r a me t e r s ，t h e g r o u n d v i b r a t i o n s i n d u c e d b y b l a s t i n g ，a n d a n a l y s i s o f t h e s h a k e f o r c e a g a i nst s t r u c t u r e 8 r e t h e p r e d o mi n a t e q u e s t i o ns o f p r o j e c t s t r u c t ure ．Th e b l a s t i n g l i m i t a ti o n o f b l a s t i n g v i b r a t i o n i n t e n s i t y i s i n t r o d u c e d，t h e d e p e n d e n c e o f b l as t i n g v i b r a t i o n a c c e l e r a t i o n a n d s p e e d i s a n a l y z e d ．Th r o u g h a n a l y z i n g t h e s i n g l e p a r t i c l e s y s t e m r e a c t i n g t O b l a s t i n g v i b r a t i o n．t h e i n t e r h a l f o r c e o f s t r u c t ure i s c a l c u l a t e d e s p e c i a l l y ．Th e c o n c l u s i o ns a r e d r a wn t h a t t h e v i b r a t i o n d i s a s t e r o f s t r u c t u r e i s d e t e r mi n e d b y b l a s t i n g v i b r a t io n a c c e l e r a t io n ma x i mu m o r b l ast i n g v i b r a t i o n v e l o c i t y ma x i mu m ， wh i l e v i b r a t i o n d i s a s t er o f r o c k s o i l p r o j e c t ma i n l y b y g r e a t s p e e d o f g r o u n d mo v e me n t ． Ke y wo r d s b l a s t i n g e a r t h q u a k e ；a r c h i t e c t u r a l s t r u c t u r e r ock soi l p r o j ect ；e a r t h q u a k e i n t e n s i t y ；v i b r a t io n d i s as t el 1 引 言 爆破 地 震与 天 然地震 有 显著 的 差异 。爆破 地震 有 如 下 的特 点 1 幅值 高 ， 衰 减 快 。 目前 世 界 上 记 录 到 的 天然 地 震 加 速 度 最 大值 仅 为 数 g， 而 在大 爆 破 的 近 区测 得 的加 速度 高达 2 5 ． 3 g 。 但 是爆 破震 动 衰减 很快 ， 破 坏 区范 围很 小 。 收稿 日期 2 0 0 4一O 2 2 4 ． 作 者筒介 钱七虎 1 9 3 7 一 ， 男 ； 中国工程 院士 ， 南京 解放军 理工大 学教授 ， 博士生导师 ， 主要从事抗爆工程研究工作 ． 2 震动频率高。天然地震震动的加速度的主频 率大都在 2 ～5周／ s ， 很少超过 1 O周／ s ， 但爆 破地震 动 的加 速度 主 频 率 大 都 在 1 0～3 0周 ／ s ， 有 的 高 达 5 0周 ／ s 。 与普通 工 程 结 构 的 自振 基 振 频 率 相 比 ， 前 者 与它相 接近 ， 后 者则 比它 高 得多 。 3 持续时间短。爆破地震的主震段持续时间一 般 不超 过 O ． 5 s ， 短者 小 于 O ． 1 s ， 比天 然地 震 要 短 的 多 。 天然地 震 加速 度最 大值 平 均 为 O ． 1 g时 ， 一 般 会 造 成房 屋一 定程 度 的 破 坏 ， 而 爆 破 地 震 加 速 度值 为 1 ． 0 g时 ， 才 会 引起 房 屋 的 轻 微 破 坏 ， 这 与爆 破地 震 维普资讯 2 爆 破 2 0 0 4年 6月 的频率高、 持续时间短、 幅值衰减快等特点有很 大的 关 系 。 爆 破地 震 效 应 的 研 究 重 点 是 1 地 震 震 动 随药 量 、 爆 心距 、 地 震 震 动传 播 的介 质 和场 地 条件 而 变化 的规律 ； 2 地震震动 的强度 ， 即爆破地震破坏力的大 小对建筑物的影 响； 3 降低地震动强度的措施。 2爆破地 震震级 和烈度 2． 1 爆 破地 震 的 震级 天然 地 震 震级 M 表 示地 震 本 身大 小 的尺 度 。 M l o g A A 是标 准地 震 仪 在 距 震 中 1 0 0 0 k m 处 纪 录 的 以 m 1 0 _ 4 为单 位的最大水平地动位 移。 如 A 1 0 mm 1 0 p m， 则 M l o g 1 0 4 ， 即为 4级地 震 。 粗 略 估 算 一 般 工 程 爆 破 地 震 震 级 的 经 验 公 式 为 M 3 ． 6 5l o g Q Q 为 药量 ， k t 。 如 江西 永 平 铜 矿 。 1 9 7 8年 1 2月 6 日进 行 了 1 次 9 8 5 ． 7 t硝 铵 炸药 爆 破 。 则 M 3 ． 6 4 。 2 ． 2爆 破地 震 的 烈度 地 震 烈 度是 地 震 时一 定 地 点 的地 面震 动 强 弱程 度 的 尺度 ， 是 该 地 点 一 定 范 围 内 地 面 震 动 强 度 的 平 均 水 平L l l 。 2． 3 地 震 烈度 表 的 局 限性 在 实 际 地 震 现 场 震 害 考 察 中 ， 发 现 与单 一 物理 量 相 对应 的地 震 烈度 表 有 不少 矛 盾 。 爆 破 地 震 中 。 一些 地 震 震 动 的 最 大水 平 加 速 度 虽然高达 0 ． 2 ～0 ． 7 g， 但 由于地震震动 的持续时间 很 短 ， 仅 仅 几 秒 钟 ， 震 害不 重 ， 烈 度 不 高 ； 相 反 ， 一 些 地 震 震 动 最 大 水 平 加 速度 虽 然 多 在 0 ． 2 g 以下 。 但 由于 地震 震 动 的 持 续 时 间长 达 2 0 ～3 0 S以 上 ， 震 害 严 重 ， 烈度 较 高 。 因此 ， 影响建筑物 的地震震动参数至少应包括 地震动的幅值 、 频谱和震动持续时间 3个主要参数 。 但 是 ， 天 然 地震 的发 生地 点 、 时间 和大 小很 难 准 确预 测 ， 因而 仍 保 留烈 度 的概 念 。 而 在 爆 破 地 震效 应 的 研 究 中 ， 这 方 面 有 有 利 条 件 爆 破震 源 的大小 和位 置 以及 作用 方 向可 以控 制 。 爆破 震 动 的延 续 时 间 可 以 知 道 ， 爆 破 震 动 对 结 构 的 效 应 可 以进 行 控 制 。 因 此 在 爆 破 地 震 效 应 的 研 究 中 ， 可抛 弃 应 用 预 测 地 震 震 动 强 度 的 经 验 公 式 和 不 足 以表 征建 筑 物 破 坏 特 征 的 烈 度 工 程 标 准 。 而 直 接 代 之 以动 力 分 析方 法 。 3 爆 破地震震 动的工程 参数 3 ． 1 爆破地震工程参数的选择标准 在工 程 中选 用地 面 震 动 的什 么参 数 来 表示 地 面 震 动 的特 征 ， 主要 决 定 于 什 么 参 数 对 建 筑 结 构 和 构 筑物 的破 坏 起 主要 作用 。 作 为 烈度 工程 标 准 的参 数 ， 可 以用 下 列 3条 鉴 别标 准来 选 择 1 它 是 决 定 爆 破 地 震 破 坏 力 的 主要 因素， 和宏观烈度有 良好的相关性 ； 2 它与药量和爆 心距有较好 的相关性 ； 3 能用简单的仪器来测定 。 总 起来 说 ， 1 地 震 动峰 值 比较 能全 面 满 足 3条 标 准 ； 2 单一的地震动物理量不可能完善地代 表宏观 裂 度 ， 但 想把 地 面震 动 的 幅度 、 频 率 和 震动 持 续 时 间 3个参 数 都 纳 入 到 烈 度 工 程 标 准 的 定 义 中是 困 难 的 3 宏 观 裂 度 是 反 映 震 害 现 象 的 。震 害 现 象 决 定 于工 程 结 构 物 和 构 筑 物 对 地 面 震 动 的 反 应 效 应 ， 它不仅决定 于地 面震动的特征 ， 而且决定 于千 变万 化 的工 程 结 构 的特 征 。例 如 高 大 烟 囱 、 高塔 结 构 的破 坏主 要受 低 频 部 分 震 动 强 度 的影 响 。 而 低 矮 房屋 的破坏主要受 较高频部分震动强度 的影响 ， 而 重 型设 备 的移 动 主要 受震 动 脉 冲 总量 的影 响 。地 面 震动的峰值、 频率 和持续 时间三 因素 的影 响大小也 随工 程结 构 特性 而 异 ， 随工 程 结构 的破 坏程 度 而 异 。 3 ． 2地面 震 动 峰值 中地面 加 速 度和 速 度 的峰 值 1 爆 破地 震 加 速度 峰 值 和速 度 峰值 之 间 存在 较 好 的相关 性 图 1 以 二 次 实 际爆 破 测 量 的 爆 破 震 动记录为例 。 可表示为 VT a 应用 回归分 析 。 分 别 得 回归 系数 和 相 关 系数 。 r 8． 4 5 1 0一 y 0． 9 58 式 中 ， a为地 震 动 最 大 加 速度 ， m／ s 2 ； V 为 地 震 震 动 最大 速 度 ， c m／ s 。 2 加速 度 和速 度 的 比较 加速度 的优点 是能 和地 震产生 的惯性 力相联 系 ， 可 以直 接从 加 速度 记 录量 出 ， 便 于 作 用 于建 筑 物 的爆 破地 震 荷 载 的换 算 。 从 而 进 行 建 筑 物 的应 力 分 析 。 利用速度的优点是能和地震波所携带的能通量 所产 生 的 地应力 相 联 系 ， 并 和 岩 土 工 程 构 筑 物 的 应 力 分析 相 联 系 。 ． 所 以 ， 加 速度 和 速度 各 有 优点 。 3 ． 3 衡 量 定量 地 震 烈度 工 程标 准 根 据 大 量 爆 破 地 震 速 度 观 测数 据来 看 。 爆 破 地 维普资讯 第 2 l卷第 2期 钱七 虎等爆破 地震 效应 3 震动 的 垂直 向速 度 常 常 不 是 最 大 ， 而 径 向速 度 往 往 比较大 ； 在爆心距较小时 ， 径向与垂直向加速度同一 量级 ， 在 远 离爆 心 时 ， 地 震 震 动 以 径 向 加 速 度 为 主 。 且 由 于建 筑物 在 竖 向远 比水平 向具有 较 强 的抗震 能 力 ， 所 以把 水 平 向 最 大 速 度 值 或 最 大 加 速 度 值 作 为 地 震动 烈 度 的物 理 标 准 比较 适宜 。 2 V ／ c m‘ s。 1 1 爆 破地震震 动最大加 速度与最大 速度之间 的关 系 4 爆破地震震动强度的预测 爆 破 时 ， 影 响地 震 动强 度 的 因 素很 多 ， 主要 包括 爆源 变 量 药 量 、 埋 深 、 爆 源 介 质 物 理 参 数 、 爆 破 方 式 、 放 置 炸 药 的 孔硐 的 自然性 质 等等 ， 以及传 播 途径 的变量 爆心距、 传播途径的地 质背景、 岩土条件等。 要完 全 考 虑 这些 变 量是 困难 的 ， 可 近 似地 选 择炸 药 量 Q 和爆心距 R作为主要变量 ， 其它变量归纳到常 系 数 中去 。 震动幅值 A KQ R一 ， K、 、 l 为常系数。 、 我 国常用 的 为苏 联 萨道 夫 斯基 经 验 公式 V K 抛 掷 爆 破 时 为 ， V 譬 为 岩石特性等因素有关 的常数 ， 采用地震 动最大加速 度的经验公式亦为 ， n。 原苏联和我国各单位 的经 验系数值 K， a变化 很大 。 实 际应 用 时 ， 宜 在 爆 破 现 场 进 行 小 当量 预先 试 爆 ， 整理 观 测数 据 ， 用 回归分 析 的方 法 或 紧绳 法 整 理 得 出 K 。a。 5 爆破 地震效应 的建筑 结构反应 和爆 破地 震荷载 爆 破 时 ， 建 筑结 构 的破 坏 决 定 于 爆 破 地 震 效 应 引起 的建 筑结 构 反 应 位 移 和 内力 的大 小 。 因此 ， 要充 分 理 解爆 破 地 震 破 坏 的烈 度 工 程 标 准 ， 必 须 研 究爆 破 地 震效 应 引 起 的建 筑结 构 反 应 。 5 ． 1 单质点系的爆破地震反应 以烟 囱为例来说 明。烟 囱如何受 力 ， 如何 破坏 的 ， 与 哪些 因素 有 关 。爆 破 地 震 烈 度 工 程 标 准 应 该 如 何 确 定 为了分析简单起见 ， 先分析单质点的爆破地震 反 应 如 图 2 。 - - 1 豳 2烟 1 町模 型 简 化 的单 质 点 爆 破 地 震 反 应 不 意 图 震 动 由于爆破地震的 弛烟囱震动 ’ 研究烟 囱 M d t 一 dtK 震 动 ⋯ 2 “ 一 F M a M x H Kx 一 M x。 F 一K _d x X ’ 2 ＆ 0 1 2 一互 o Q￡ K d 2 。 ∞ 、 2 葡 2 1 维普资讯 4 爆破 2 0 0 4年 6月 1 是单 质点 系在 地震 地面运 动影 响下 的运 动方 程 ， z 0 是 地 面运 动 位 移 。地 震 效 应 发 生 前 地 面 静 止 ， 则 方程 的积 分 为 z ￡ 一 r e - t r s in ∞ ￡ 一 d W J 0 u ／ 1一 ∞ 经过 简 单 运 算 ， 可 得 体 系 的相 对 速 度 主 t 和 绝对 加速 度 U t 芏 t 0 t 分别 为 主 ￡ 一I ‘ o r e 一 r [ c o s u ￡ 一r 一 s i n u ￡一r ] d r 、 ／ 。 ⋯ 、 ‘ ‘ ‘ z‘ ￡ ∞ ， r 。 r e 一 t r [ 1 一 zt ￡ J 。 。 r e 一 ‘ 一 [ 1一 南 S ．n cu ， 卜r C O S “ ￡ 一 ] d r 丽u 川 2 3 一 般 情况 下 ， 结 构 的阻 尼 比 很 小 [ r 0 ] ， 岩土介质就 出现滑移 。 图 4结构弹塑性体系的恢 复力与位移关系 所 以， 此时地震荷载不是 由地 面运动最大加速 还应指 出， 材料 的允许应力或材料 的应力强度 度决定， 而是 由地面运动最大速度决定， 当然还要 由 极限是与加载速率有关 ， 这又和地运动的波形或频 岩 土 介 质特 性决 定 。 6 结 语 震动运动方程式 1 、 式 7 等价， 结构的震动效 应 完 全相 同 。 因此 ， 国 内外 爆 破震 动 安全 判 据 既 有 速度 ， 也有加速度。考虑到地震加 速度最大值主要 反映 高 频成 分 的振 动 ， 而 岩 土 工程 的爆 破 地 震 效 应 反应 由地面运动最大速度决定 ， 作为统一， 采用爆破 震动 地 面运 动最 大 速度 为 爆破 震 动安全 判 据是最 佳 的。 率 成份有 关 。 应加 强 爆破 震 动持 续时 间对 结构 累积损 伤破 坏 以及 爆破 震 动频 率对 结构 爆破 震 动 安全 标准 影 响研 究 。 参考文献 [ 1 ] 张 雪亮 ． 爆 破 地震 效 应 [ M] ． 北京 地震 出版 社 ， 1 9 8 1 6 9 8 ～1 0 3 ． 1 3 9 ～1 8 1 ． [ 2 ] 刘 伯权． 建筑结 构 抗震设 计 [ M ] ． 北 京 中国 建材 工业 出版社。 1 9 9 6 1 O 2 5 ～9 4 ． 维普资讯