爆炸荷载作用下礁沙地基钢塔架结构动力响应试验探究.pdf

第38卷第1期 2021年3月 Vol. 38 No.l Mar. 2021 bMg d o i10.3963/j. issn . 1001 -487X. 2021.01.002 爆炸荷载作用下礁沙地基钢塔架结构 动力响应试验探究* 钟冬型二耕护2,孟庆雷学文;何理“2,司剑峰二杜泉 1.武汉科技大学，武汉430065 ；2,湖北省智能爆破工程技术研究中心，武汉430065； 3.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，武汉430071 摘要爆炸荷载作用下礁砂地基钢塔架结构动力响应的研究，对我国的国防和岛礁工程建设具有重要的 参考和现实意义。通过模型试验对不同礁砂地基类型、药量、爆心距等工况下钢塔架结构加速度动力响应信 号进行测试，结合量纲分析与o r定理,得到钢塔架结构模型的加速度动力响应计算公式，并利用试验所采集 的数据对计算公式进行参数拟合,得出了在礁沙地基下钢塔架模型的加速度动力响应经验公式。 关键词礁砂地基；量纲分析；f定理；加速度动力响应 中图分类号TU391 文献标识码A 文章编号1001 -487X202101 -0008 - 06 Experimental Study on Dynamic Response of Steel Tower Frame Structure on Reef Sand Foundation under Explosion Loading ZHONG Do ng-wang,2 ,DAI Jio ng-lan1,2 ,MENG Qing-shan3 ,LEI Xue-wen , HE Li1-2 ,SI Jian-f eng12 ,DU Quan1 1. Wu ha n Un iver sit y o f Sc ien c e a n d Tec hn o l o gy, Wu ha n 430065 , Chin a ； 2. Hu bei Pr o vin c e I n t el l igen t Bl a st in g En gin eer in g Tec hn o l o gy Resea r c h Cen t er, Wu ha n 430065, Chin a；3. I n st it u t e o f Ro c k a n d So il Mec ha n ic s, Chin ese Ac a d emy o f Sc ien c es, St a t e Key La bo r a t o r y o f Geo t ec hn ic a l Mec ha n ic s a n d En gin eer in g, Wu ha n 430071, Chin a Abstract The research on the dynamic response of steel tower frame structure on reef sand foundation under ex plosion loading has important practical significance for our national defense and reef engineering construction. In this work, the acceleration dynamic response signals of steel tower frame structure for different reef sand foundation types, explosive charges, distances to blasting center and other working conditions were tested through model tests. Com bined with dimensional ula and tt theorem, the acceleration dynamic response calculation ula of the steel tower frame structure model is obtained. Then this ula is fitted by using the data collected from the tests to deter mine the related parameters. Finally, the acceleration dynamic response empirical ula of steel tower frame model on reef sand foundation is obtained. Key words reef sand foundation ； dimensional analysis ； theorem ； acceleration dynamic response 收稿日期2020-12-16 作者简介钟冬望1963 -，男，博士、教授，从事矿山工程力学、爆 炸理论及其应用等方面的教学与科研工作,E-mail 1057831589 qq. comQ 通讯作者孟庆山1974 -，男,研究员、博士生导师，从事珊瑚岛礁 工程地质和力学特性方面的研究工作,E-mail qsmeng whrsm. ac. cno 基金项目国家自然科学基金项目51574184、51404175；湖北省教 育厅科学技术研究项目Q20181109；冶金工业过程系统 科学湖北省重点实验室开放基金项目Y201717 随着我国海洋战略的提出，利用开发海洋资源 与维护我国的海洋权益日趋成为人们关注的一个焦 点，海洋安全不仅关系到我国的国防安全，更使我国 由一个传统的陆地强国逐步转型为一个新兴的海洋 强国，如何提高海洋科技被逐渐提上日程。海洋技 第38卷 第1期 钟冬望，戴炯岚,孟庆山，等 爆炸荷载作用下礁沙地基钢塔架结构动力响应试验探究9 术的提高离不开各种海洋工程尤其是岛礁工程的建 设,而礁砂地基是岛礁工程建设的主要地基环境，因 此开展以礁砂地基为地基基础的构筑物的加速度响 应规律有着极其重要的意义。 与传统的陆砂地基不同的是，礁砂地基由钙质 砂构成I ,其物理力学性质与陆砂有很大的不同， 国内许多学者对礁砂地基特性做了研究。如徐学 勇、孟庆山等学者对爆炸密实动力特性做了分 析⑶，通过测量设置在距爆源不同距离处的礁沙地 基的声波速度来表征爆炸冲击波对礁砂地基的密实 作用,在距离爆源近点处测得的声波纵波速度越高， 爆炸密实性越好。汪稔、胡明鉴等学者开展了钙质 砂爆炸密实动力特性研究UA5］,试验证明礁沙地 基介质的密度对爆炸应力波的传播和衰减有着很大 的影响，在相对密度不大于56时，由于爆炸波的 密实作用,爆炸冲击波的衰减的较快。通过前人的 研究可以得知在相对密度较小时礁砂地基介质对爆 炸波的传播衰减规律有很大的影响,并且爆炸地震 波通过礁砂地基对结构物的基础输入效率与相对密 度有关。吴琪、丁选明等利用振动台研究了礁砂地 基中不同振动强度下桩-土-结构的地震响应⑹，并 通过福建砂模型与礁砂地基模型对比,结果表明在 0.2 g的正弦波激励作用下，两种砂均发生液化，但 礁砂地基与福建砂地基相比仍有一定的剪切传递力 和刚度，并发现在不同振动强度下结构物的沉降、水 平位移和立柱的弯矩比福建砂要小。 通过相关的试验结论可得,钙质砂对爆炸波的 传播衰减规律与普通砂有明显不同，不同的振动强 度、密实性以及含水率等因素都会影响爆炸波的传 播⑺⑵，进而影响建立在礁砂地基上的构筑物的动 力响应。基于以上结论，开展礁砂地基爆炸荷载下 构筑物的动力响应模型试验，通过正交试验分析在 不同影响因素下高耸构筑物模型的加速度动力响 应,为岛礁工程建设提供参考。 1加速度动力响应试验 11试验场地及设计 如图1、2所示,试验模型为塔型钢结构模型，其 尺寸均通过现实工况相似得到。其中塔型钢结构模 型设置了四个测点，分别为测点1、2、3、4。测点分 别距离模型底部的距离10 c m、35 c m、57. 5 c m、 97.5 c m,其中基座的高度为10 c mo本试验在不同药 量、不同爆心距、不同礁砂地基工况下测得塔型钢结构 沿高程各个测点的加速度峰峰值的响应规律。其中单 次起爆药量分别设置为50 g,100 g、150 g三种情况，爆 心距分别设置为75 c mJOO c m、150 c m三种起爆距离, 根据礁砂地基含水率分为干砂（含水率0）、湿砂（含水 率50）、饱和砂（含水率100）三种情况，模型距离 礁砂地基的前边界均为50 c mo 图1塔型钢结构模型示意图单位cm Fig. 1 Schematic diagram of tower steel structure model unit cm 图2场地布置示意图单位cm Fig. 2 Site layout diagram unit cm 本实验选用优泰超动态应变仪,其采样频率为 512 k Hz,通道数为16通道。所使用的加速度传感 器数量为6个，通过刚性连接在对应测点位置，并采 集在爆炸荷载下塔型钢结构模型的加速度时程曲 线,然后通过优泰软件及小波分析对比，读取各测点 加速度的峰值。 12不同工况下构筑物加速度峰值 查阅文献［2］可知,炸药在礁砂地基中爆炸时, 在极短的时间内迅速释放大量的能量，炸药爆炸后 的瞬间气体压力可以达到十几到几十万个大气压, 在礁砂地基中距离药包较近的炮孔周围的介质将被 压碎,但随着与药包的距离的增大，波阵面上的压力 迅速衰减，由冲击波波衰减为为应力波，最后衰减为 为地震波。 礁砂地基在地震波荷载下会产生附加应力，由 于礁砂地基成分为饱和、半饱和的钙质砂土，而爆炸 地震波波具有频率高、速度快、历时短等特点，钙质 10爆破2021年3月 砂中的孔隙水来不及流动，可以近似视为不排水条 件，因此礁砂地基在附加应力的作用下会产生超静 孔隙水压力直接作用于结构物基础上，引起结构物 上部发生振动。根据斯开普顿三轴试验，得出孔隙 水压力的计算公式为 Au Aux A2 B[Aa3 AA（c rx - c r3） ] （ 1） Au1 BAa32 446 -巾 3 1 学 s B cf 1 1 4 式中/、〃均为孑L压系数，礁砂地基等软黏土 4取 值大于1/3甚至是1 ； C＞、久分别为土骨架的体积压缩 系数和孔隙流体的体积压缩系数;〃为土的孔隙率。 图3是塔型钢结构模型测点1、测点2测点3、测 点4处测得加速度峰值随着药量增加的变化规律，此 时模型与药包的爆心距为150 c m,地基工况为干砂, 药量分别设置为50 g,100 g,150 go从图3可以看出 测点加速度峰值随着药量增加而增大，并且在爆C距 一定范围内随着药量增加测点1的加速度峰值增大 的趋势变慢,并且其他测点也有相同规律，这是因为 在一定的药量条件下，炸药爆炸产生的地震波通过钙 质砂传播作用到结构物基础，但是当工况为干砂时钙 质砂是含水率为0的松砂，其颗粒表面没有毛细结合 力,干砂的粘聚力c仅由颗粒之间的咬合力和排列方 式来提供“⑷，因此根据莫尔-库伦强度理论”二 t a n c p c ,含水率为0工况时的钙质砂抗剪强度不是 非常大，所以炸药爆炸时的药量超过一定范围后，炸 药产生的地震波超过含水率为0的钙质砂的抗剪强 度,使土颗粒之间结构发生破坏，颗粒之间类似于流 体一样流动耗散能量,使得作用于地基上的载荷增加 趋势大大减小，所以钢塔架结构物加速度峰值趋势随 着药量增加趋势并不是很大。 行 旦、赳 w w /g/g 劉 药 图3测点加速度峰值随药量变化规律 Fig. 3 Peak value of acceleration with dosage 图4是模型测点1、测点2、测点3、测点4加速 度峰值随着爆心距变化的衰减规律。此时单次起爆 药量为100 g,礁砂地基工况为饱和砂即地基含水率 为100,模型与药包之间的爆心距分别设置为 75 c mJOO c mA150 c m三种情况。从图3可以得到 在饱和地基、单次起爆药量为100 g情况下，测点1、 测点2的加速度峰值随着爆心距的增大而减小，并 且随着爆心距增大减小的速度越来越慢,对比其他 两个测点由相同的变化规律,根据式（1）与斯开普 敦的三轴试验，爆炸地震波作为瞬时激励作用于地 基上并产生附加应力，附加应力分别由土骨架的有 效应力△灵和超静孔隙水压力ZU共同承担,但是由 于地震波激励持续时间很短，因此土骨架来不及发 生变形产生有效应力⑴切，所以地震波荷载基本是 通过饱和钙质砂地基中的孔隙水压力作用于结构物 基础上，因此在饱和钙质砂地基中冲击波的传播衰 减规律类似于药包在水中爆炸衰减规律,随着距离 增大冲击波峰值呈现指数下降的趋势，因此结构物 上部分的加速度动力响应随着爆心距的增加也呈现 下降减缓的趋势。 0------1---------1---------1---------1---------1 40 60 80 100 120 140 160 爆心距/cm 图4测点加速度峰值随爆心距变化规律 Fig. 4 Peak value of acceleration of with distance 表1是模型沿高程测点1、测点2、测点3、测点 4分别在地基工况为干砂（含水率0 ）、湿砂（含水率 50）、饱和砂（含水率100）时的加速度峰值，单 次起爆药量均为100 g,爆心距分别为150 c m和 100 c m,从表1可以看出各测点加速度峰值随着高 程变化的规律不是非常明显，沿高程变化值变化不 大。图5、图6分别为在上述两种工况下各个测点 的加速度峰值随地基含水率变化的规律图。从图 5、图6中可以看出，在爆心距为150 c m与100 c m 的情况下,总体上各测点的加速度峰值随着礁砂地 基含水率的增加呈现增加的趋势,根据密度-有效应 力■抗剪强度唯一性关系，存在单一的有效应力强度 包络线,且破坏时土样的含水率（密度）和强度间存 第38卷 第1期 钟冬望，戴炯岚,孟庆山，等 爆炸荷载作用下礁沙地基钢塔架结构动力响应试验探究11 在唯一性关系，与排水路径无关，即钙质砂地基的有 效应力抗剪强度随着密度的增大而增大，所以地震 波在礁砂地基中的传播效率随密度也呈正相关的关 系，因此地震波通过礁砂地基对结构物基础的激励 输入随着密度增大而增强,结构物上部分的加速度 动力响应越大。 表1各测点加速度峰值随含水率变化规律 Ta bl e 1 pea k va l u e o f a c c el er a t io n wit h wa t er c o n t en t 测点 爆心距/ cm 加速度峰fi/m・ -2 \ s 干砂湿砂饱和砂 158.58364.77897.243 2 150 50.46866.04182.168 349.18657.92181.173 458.82667.13682.168 1145.49165.67231.55 2 100 144.74152.76304.45 3155.89199.55231.16 4170.40177.91187.52 C C 旦、赳 0 20 40 60 80 100 礁砂地基含水率/ 图5爆心距150 cm峰值随含水率变化 Fig. 5 Peak value with water content in 150 cm € 旦、赳迪翌 S -S S -S 0 20 40 60 80 100 礁砂地基含水率/ 图6爆心距100 cm峰值随含水率变化 Fig. 6 Peak value with water content in 100 cm 2动力响应分析 2.1动力响应量纲分析 由于在实物进行试验需要耗费大量的人力、物 力，所以可以把现实需要研究的对象通过相似理论 简化成具有一定比例的模型,通过研究模型的性质 可以反映实际物体在相似条件下的物理规律。利用 相似研究高耸结构物的动力响应,必须考虑到几何 相似、运动相似、动力相似三个主要方面的相似性, 应满足线性尺寸相同比例。利用相似性确定试验塔 型钢结构模型的物理参数，然后结合试验研究目的, 可以选择爆心距厶、礁砂地基密度卩、塔型钢结构模 型高程H、药量0、材料弹性模量、测点加速度峰 值a六个物理参数作量纲分析，其中加速度p m/ s由高程Hm、最大单响药量Q炮、塔型钢结 构模型弹性模量E Pa 、爆心距m、礁砂地基密 度pk g/m3来表征在爆炸荷载下高耸结构物在礁 砂地基条件下加速度动力响应规律。 由量纲定理可得,导出量的可以通过选择的基 本量纲组合来表示，所选择的基本量纲组合需要满 足包含M、L、t这三个基本量，所以可以选择Q、E、L 为量纲分析中的基本量纲组合，由“定理可知，所 研究的物理量可通过基本量纲组合化为量纲一的 公式 7T QmEnLz⑸ 由式5可分别得到p、a与H的量纲一的公式 辺 Q 晳1 aQ Ed H 由式6,7,8可以得到如下关系 f F辭 6 ⑻ 9 由式9得出试验各个参数之间满足的关系, 通过其中P是礁砂地基在各个工况下的密度，可以 在试验之前通过测量计算得到,0是每一次起爆时 的单响药量卫是试验模型钢结构塔的弹性模量，试 验之前可以查知,厶是每次起爆时的爆心距。加速 度时程曲线在起爆后通过优泰软件测得，并且通过 滤波后可以读取加速度峰值Q,式9中每一个物理 量均可以通过测量计算得到，因此可以通过数学拟 合的方式找到上述关系的具体表达式。 通过文献［18 ］可得式9中的表达式具体形式 应满足以下关系 2.2礁砂地基动力响应经验计算公式 利用ma t hl a b软件对式9在礁砂地基不同工 况形式下进行多自变量参数拟合，将式中的仁 12爆破2021年3月 三个参数通过拟合得出。 1 均匀混合干砂地基 拟合后其中的a取值为-0. 7287,*值为 0. 000331,0值-0. 08377。将上面的参数带入到式 10中，并且将表达式整理可得 借 0.000331韵仔11 式11为礁砂地基在均匀混合干砂条件下,通 过试验数据得到的拟合经验公式，其中干砂的密度 p为1. 4615 k g/n ,材料弹性模量为E为2 x 1011 Pa ,通过拟合得到的相关系数疋为0.7635,并 且有比较高的可信度。 2 均匀混合湿砂地基 通过式10的表达式形式，代入均匀混合湿砂 地基下的密度P，密度P为1.6x 103 k g/n ,得出a 取值为-0. 5185值为 0. 1214,0 值-0. 02937o 通过拟合得到的相关系数R2为0. 95,并且有比较 高的可信度。 门丁3 n -0.5185 . r j. -0.02937 “鋼f 12 3 均匀混合全饱和地基 通过式10的表达式形式,代入均匀混合湿砂 地基下的密度P，密度p为1.7X103 k g/n ,得出a 取值为-0. 5214丛值为 0. 1246,0 值-0. 06422o 通过拟合得到的相关系数疋为0.8412,并且有比 较高的可信度。 _ r 3 / c a \ 一・ 5214 . r j . -0.0642 0-1246 f ⑴ 从式11、12、13可得随着药量的增加， 加速度的峰值也增加,峰值增加的速度呈幕函数趋 势，各个测点的加速度由公式可得理论上是沿着高 程的增加而减小的,但本次试验由于最大高程为 0.975 m,最小高程为为0.1 m,最大爆心距为 1.5 m,最小爆心距为0.75 m,所以根据拟合公式的 右边项分析,将高程与爆心距的比值带入到公式中， 右边括号第二项的取值在11.1左右，取值变化的 幅度不是非常的明显，因此在误差范围内，实测的加 速度峰值随着高程变化幅度应相接近，减少或者增 加的幅度不大。 3结论 1在礁砂地基作用下,钢塔架结构的加速度 动力响应在一定药量下随着药量的增加而增加，但 当超过某一药量时，产生的地震波激励大于钙质砂 的抗剪强度，此时药量对结构物的加速度峰值影响 减小。 2 构筑物的加速度峰值与爆心距的关系为随 着爆心距的增加而减小，并且在一定药量下的条件 下减小的速度趋势为越来越慢,特别是在饱和钙质 砂工况下,由于土骨架来不及压缩变化，地震波的传 播衰减主要由饱和砂中的水来承担，因此地震波在 礁砂地基中传播衰减后对结构物的激励力类似于在 水中传播衰减规律。 3 在不同地基工况下，各测点加速度峰值随 着含水率的增加而增加的规律，原因是根据根粘性 土密度-有效应力-抗剪强度唯一性关系，对于同一 种正常固结黏土,存在单一的有效应力强度包络线， 因此礁沙地基的抗剪强度随着含水率密度增加 而增加，地震波对结构物基础的激励力输入效率也 增加。 参考文献References [1] 徐学勇，汪 稔,胡明鉴，等饱和钙质砂爆炸密实动 力特性试验研究[J].岩土力学，2012,332 402- 414. 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