结构尺寸与龄期对混凝土爆破振动响应的影响.pdf

第 32 卷 第 1 期 2015 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol. 32 No. 1  Mar. 2015 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2015. 01. 026 结构尺寸与龄期对混凝土爆破振动响应的影响 戴思南 1， 吴新霞2， 李广平1 （1. 广东省建筑科学研究院， 广州 510500； 2. 长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室， 武汉 430010） 摘 要 为探索新浇大体积混凝土在爆破振动作用下， 混凝土结构尺寸及龄期两大因素对其振动响应的影 响， 采用数值计算方法， 分析了多种工况下的混凝土动态响应， 比较了不同结构尺寸混凝土的抗振能力大小。 结果表明 相同龄期下板状结构的抗振能力最好， 柱状次之， 正方体最差； 随着结构体积的增大， 混凝土的爆 破振动允许值明显降低。类比实际工程， 计算了上下游爆破时重力坝式结构的混凝土动态响应。结果表明 坝踵处混凝土的安全性最高。最后， 结合混凝土结构尺寸与龄期因素， 提出了新的安全质点峰值振动速度控 制表。 关键词 大体积混凝土；结构尺寸；龄期；安全振动速度 中图分类号 TD235. 3 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2015） 01 -0131 -04 Effects of Dimensions and Age on Concrete Response to Blasting Vibration DAI Si-nan1， WU Xin-xia2， LI Guang-ping1 （1. Guangdong Provincial Academy of Building Research， Guangzhou 510500， China； 2. Key Laboratory of Geotechnical and Engineering of Ministry of Water Resources， Yangtze River Scientific Research Institute， Wuhan 430010， China） Abstract The numerical simulation was used to study the effects of dimensions and age on massive fresh con- crete response to blasting vibration. The dynamic response of concrete under multi-working conditions were dis- cussed， and the anti-vibration ability of different geometry size on concrete structure was also compared. The results of the simulation showed that under the same age， the plate-type structure had the best ant-vibration ability， secondly the columnar， and the cube the worst. The allowable value of the concrete decreased significantly with the growth of the structure volume. To analogy practical engineering， blasting in the upstream of gravity dam and downstream were calculated and the highest safety was obtained in dam heel. Finally， a new table of safety velocity was proposed based on the effects of dimensions and age on concrete. Key words mass concrete；dimensions；age；safety velocity 收稿日期 2014 -10 -11 作者简介 戴思南 （1986 - ） ， 男， 2012 年长江科学院岩土工程专业硕 士毕业， 2012 年 7 月始至今在广东省建筑科学研究院工 作， 主要从事地基基础检测、 岩土工程咨询工作，（E-mail） daisinanfj163. com。 通讯作者 吴新霞 （1963 - ） ， 女， 现任长江科学院爆破与振动所所 长、 教授级高级工程师， 长江科学院水利部岩土力学与工 程重点实验室副主任，爆破 和 长江科学院院报 编委 会委员。 关于爆破振动对混凝土的影响问题， 目前的研 究现状及规范都考虑了混凝土龄期与安全质点振动 速度之间的对应关系 ［1-4］。但是， 关于不同结构尺 寸的新浇大体积混凝土在爆破振动荷载作用下的安 全问题研究很少。而由于混凝土自身结构尺寸以及 龄期的不同， 爆破对其产生的动态响应也将有比较 大的区别。因此， 有必要根据混凝土结构特征及其 龄期， 进一步研究探索新浇大体积混凝土在爆破振 动作用下的动态响应。 1 混凝土结构尺寸 工程上的大体积混凝土结构尺寸多种多样， 不 同结构尺寸的混凝土在爆破振动作用下具有不同的 动态响应， 不能对其结构体的安全控制采用单一的控 制标准。为细化控制标准， 本文选取板状 （10 m X 10 m X2 m） 、 正方体 （10 m X 10 m X 10 m） 、 柱状 （2 m X2 m X10 m） 三种结构尺寸的大体积混凝土 作为研究对象进行探讨。 2 爆破荷载及安全质点振速控制 通常爆破地震波含有多种频率， 由于介质的滤 波作用， 在近爆源处高频成分较丰富， 随着波的向外 传播， 高频不断被吸收， 而低频则能传播到较远处。 不同频率成分对结构、 设备及人员的影响不同。大 部分爆破地震波频率主要集中于低频段， 当与结构 的固有频率相近时便会产生所谓的共振， 从而加大 对结构体的动态响应， 故爆破地震波的频率特性应 予以考虑。考虑到低频爆破地震波对混凝土的危害 较大， 采用的爆破荷载形式如下 ［5］ P P0e -2π1-2 槡 μ ft cos （2πft）（1） 式中 P0为爆炸荷载峰值压力；f 为振动频率。 采用极限应变准则来控制混凝土的安全质点峰 值振动速度。当混凝土在爆破振动作用下出现最大 应变超过混凝土的极限应变时， 混凝土就会产生破 坏。为防止混凝土损伤， 采用容许应变计算混凝土 的安全质点峰值振动速度， 则混凝土的安全峰值振 动速度由下式确定 ［1］ Vlim［ε］ ε v（2） 式中［ε］ 为混凝土的容许拉应变； ε 为最大主应变； v 为混凝土的质点峰值振动速度。 其中， 质点峰值振动速度与最大主应变的比值 反映了同一龄期新浇大体积混凝土的抗振能力， 比 值越大， 则抗振能力越强。 3 动力计算分析 3. 1 计算模型选取及有限元网格划分 3. 1. 1 模拟工况 混凝土结构尺寸前所述三种工况， 混凝土距离 荷载作用处取 60 m。 3. 1. 2 边界条件设置 为避免应力波在人为边界条件上发生反射、 折 射而影响计算结果， 模型中基岩部分原来不存在边 界的地方在 ANSYS/ LS-DYNA 里通过设置无反射边 界条件来实现。对称面设法向约束， 其他边界作自 由边界处理。 3. 1. 3 网格划分 模型采用 SOLID164 单元， 根据经验为确保计 算结果较精确， 对基岩紧临荷载处加密网格， 逐渐向 外稀疏， 将混凝土单元网格设置为边长 0. 5 m 的正 六面体。 由于问题的对称性， 为了节省计算时间只建立1/2 个模型。荷载以水平向垂直作用于基岩边界面上。 以板状为例， 动力有限元计算模型主视图如图1。 图 1 动力有限元计算模型 （10 m X5 m X2 m， 对称）（单位 m） Fig. 1 Dynamic finite element model （10 m X5 m X2 m， Symmetric）（unit m） 3. 2 材料参数 考察了假定基岩为中硬岩， 其力学参数见表 1。 表 1 中硬岩的物理力学参数 Table 1 Physical and mechanical parameters of middle hard rock 基岩密度 ρ/ （kgm -3） 弹模 E/ GPa 泊松比 μ 中硬岩2600300. 2 混凝土的力学性能与其龄期密切相关， 不同龄 期混凝土的力学参数见表 2。 表 2 混凝土的材料参数 Table 2 Material parameters of concrete 龄期 密度 ρ/ （kgm -3） 弹模 E/ GPa 泊松比 μ 极限拉 应变 με 容许拉 应变 με 1245070. 22013. 500 32450130. 23825. 650 72450200. 25134. 425 282450300. 28557. 375 3. 3 爆破荷载 根据式 （1） 叙述， 采用的爆破荷载形式如下 P P0e-2π 1-2 槡 μ ft cos （2πft）（3） 231爆 破 2015 年 3 月 式中 P0为爆炸荷载峰值压力， 取 10 MPa；f 为振动 频率， 计算中取 10 Hz。见图 2。 图 2 爆破振动荷载曲线 （10 MPa， 10 Hz） Fig. 2 Blasting vibration load curve （10 MPa， 10 Hz） 3. 4 阻尼计算 3. 4. 1 不考虑场地因素 在坝体动力分析中， 通常要考虑地基对其动力 特性的影响。在研究坝体与地基的动力相互作用时 通常采用无质量地基模型， 即忽略地基质量而只考 虑其刚度对结构动力反应的影响 ［6］。因此， 在动力 计算时通常取地基密度为 0， 即阻尼计算不考虑场 地因素。 在不考虑场地因素时， 不同结构尺寸混凝土的 阻尼系数可由模态分析得出模型的自振频率。 3. 4. 2 考虑场地因素 在考虑场地因素时， 通过试算不同 α 和 β 阻尼， 在一定荷载下， 由计算得到的质点振动速度， 利用萨 道夫斯基公式回归， 使得质点振动速度符合衰减规 律。通过回归分析， 取 α 80， β 0. 0002。计算中 混凝土和基岩定为线弹性材料。 3. 5 计算结果分析 3. 5. 1 相同龄期不同结构尺寸混凝土动态响应 此处 研 究 不 同 结 构 尺 寸 混 凝 土 在 10 Hz、 10 MPa 的爆破振动荷载作用下， 基岩弹性模量为 30 GPa 上距加荷 60 m 远的混凝土动态响应。计算 结果见表 3。 表 3 相同龄期不同结构尺寸质点峰值振动速度及应变 Table 3 Peak particle velocity and strain of concrete， in different structure size but same age 序号-结构尺寸/ m砼龄期/ d 水平/ （cms -1） 竖直/ （cms -1） 最大主 应变/ με v/ 水平 v/ 竖直 Vlim水平/ （cms -1） Vlim竖直/ （cms -1） 1 -10 X10 X2282. 7421. 6945. 4210. 5060. 31329.02017. 930 2 -10 X10 X3282. 5361. 6709. 0630. 2800. 18416. 07010. 560 3 -10 X10 X5282. 5791. 82711. 6200. 2220. 15712. 7409. 010 4 -10 X10 X7282. 3651. 69312. 5450. 1890. 13510. 8407. 750 5 -10 X10 X10282. 3701. 62217. 8700. 1330. 0917. 6105. 210 注 1. 竖直向质点振速取于基岩上最接近混凝土的节点； 2. 最大主应变取结合面上混凝土应力最大值所在单元。 数据表明， 不同高度的混凝土结构在爆破荷载 作用下产生的最大主应变， 随着结构高度的变大， 混 凝土的变形量亦在加大。混凝土结构的振速与应变 的比值随着结构高度的增加有不断降低的趋势， 表 明混凝土的抗振能力逐渐降低。由上述分析可得， 随着结构体积的增大， 混凝土的爆破振动允许值明 显降低。 3. 5. 2 不同结构尺寸不同龄期混凝土动态响应 此处 研 究 不 同 结 构 尺 寸 混 凝 土 在 10 Hz、 10 MPa 的爆破振动荷载作用下， 基岩弹性模量为 30 GPa 上距加荷 60 m 远的混凝土在龄期 1、 3、 7、 28 d 的动态响应。计算结果见表 4。 数据表明， 不同结构尺寸混凝土的最大主应变 都随着龄期的增长逐渐变小， 而振速与应变的比值 有变大的趋势， 说明龄期的增长使混凝土的强度得 到提高， 抗振能力增强。由 “工况 1” 、“工况 2” 可 知， 在考虑场地因素后， 即所对应的阻尼系数值较 高， 爆破地震波的振动效应衰减较大， 得出考虑场地 因素计算模型的最大主应变小于未考虑场地因素的 计算模型。由 “工况 2” 、“工况 3” 、“工况 4” 可知， 不论处于何种龄期下， 水平向或竖直向振速与应变 比值板状结构最大， 柱状次之， 正方体最小， 表明该 龄期下板状结构的抗振能力最好， 柱状次之， 而正方 体混凝土结构的抗振能力最差。 3. 5. 3 棱柱体坝结构上、 下游爆破的混凝土动态响应 水利施工中常有在大坝上游及下游爆破的现 象， 为类比于实际工程， 以下采用对不同方向的棱柱 体施加 10 Hz、 10 MPa 的爆破振动荷载来模拟同一 大体积混凝土 （28 d 龄期， 距动力荷载60 m） 在上游 与下游爆破工况， 计算上游爆破时坝踵处和下游处 爆破时坝趾处的动态响应情况。同时， 作了与块状 混凝土在同样的爆破振动作用下 （10 Hz、 10 MPa 的 爆破振动荷载， 28 d 龄期， 距动力荷载 60 m） 的动态 响应的比较。计算结果见表 5。 331第 32 卷 第 1 期 戴思南， 吴新霞， 李广平 结构尺寸与龄期对混凝土爆破振动响应的影响 表 4 不同结构尺寸不同龄期质点峰值振动速度及应变 Table 4 Peak particle velocity and strain of concrete， in different structure size and different age 工况 结构尺寸/ m 砼龄期/ d 水平/ （cms -1） 竖直/ （cms -1） 最大主 应变/ με v/ 水平 v/ 竖直 Vlim水平/ （cms -1） Vlim竖直/ （cms -1） 16. 8884. 63852. 4670. 1310. 0881. 7701. 190 1 （板状） （10 X10 X2） 阻尼不考虑 场地因素 36. 7494. 90826. 3880. 2560. 1866. 5604. 770 76. 8304. 98923. 8810. 2860. 2099. 8507. 190 286. 9974. 93720. 8030. 3360. 23719. 30013. 620 12. 5501. 65220. 7790. 1230. 0801. 6601. 070 2 （板状） （10 X10 X2） 阻尼考虑 场地因素 32. 6501. 65710. 6300. 2490. 1566. 4004. 000 72. 6821. 7077. 6140. 3520. 22412. 1307. 720 282. 7421. 6945. 4210. 5060. 31329. 02017. 930 12. 6381. 63440. 5570. 0650. 0400. 8800. 540 3 （块状） （10 X10 X10） 阻尼考虑 场地因素 32. 6271. 62528. 4390. 0920. 0572. 3701. 470 72. 5571. 64322. 8400. 1120. 0723. 8502. 480 282. 3701. 62217. 8700. 1330. 0917. 6105. 210 12. 8631. 72333. 8570. 0850. 0511. 1400. 690 4 （板状） （2 X2 X10） 阻尼考虑 场地因素 32. 8791. 68426. 2580. 1100. 0642. 8101. 650 72. 8581. 74717. 4630. 1640. 1005. 6403. 440 282. 9281. 75914. 0890. 2080. 12511. 9207. 170 注 1. 质点振速取于基岩上最接近混凝土的节点； 2. 最大主应变取结合面上混凝土应力最大值所在单元。 表 5 28 d 龄期上、 下游爆破混凝土结构质点峰值振动速度及应变 Table 5 Peak particle velocity and strain of concrete， in different structure size and different age 工况 结构尺寸/ m 砼龄期/ d 水平/ （cms -1） 竖直/ （cms -1） 最大主 应变/ με v/ 水平 v/ 竖直 Vllim水平/ （cms -1） Vlim竖直/ （cms -1） 坝踵处282. 4291. 6568. 6750. 2800. 19116. 07010. 960 坝趾处282. 5611. 84110. 2240. 2500. 18014. 34010. 330 10 X10 X10282. 3701. 62217. 8700. 1330. 0917. 6105. 210 注 1. 质点振速取于基岩上最接近混凝土的节点； 2. 最大主应变取结合面上混凝土应力最大值所在单元。 数据表明， 在相同爆破荷载及加荷距离下， 坝踵 处混凝土的质点峰值振速以及振速与应变的比值虽 然与坝趾处相差不大， 但坝踵处的最大主应变小于 坝趾处， 较其小 18％ 25％。由极限应变准则推算 的混凝土安全质点峰值振动速度坝踵较坝趾水平 向、 竖直向都大。由上表数据可发现三种结构尺寸 的混凝土， 坝踵处混凝土的安全性最高。通过棱柱 体与正方体的计算数据对比， 棱柱体的抗振能力优 于正方体， 正方体的安全控制允许值较小。 3. 6 安全质点峰值振动速度控制表 结合实际工程， 28 d 龄期以内的安全控制以板 状为依据， 28 d 龄期以后的安全控制将正方体、 棱 柱体混凝土纳入考虑范围。取建立在基岩弹性模量 30 GPa 上的距爆破动力荷载 60 m 的混凝土模型计 算结果， 确定各龄期新浇大体积混凝土的爆破振动 安全允许控制值， 见表 6。 表 6 爆破振动安全允许控制值 Table 6 Safe and permitted control values of blasting vibration 龄期/ d 板状正方体 安全允许振速/ （cms -1） 棱柱体GB67222003 规定 ［7］ 1 31. 07 4. 002. 0 3. 0 3 74. 00 7. 723. 0 7. 0 7 287. 72 17. 935. 2110. 337. 0 12. 0 注 为 28 d 龄期的计算值。 （下转第 150 页） 431爆 破 2015 年 3 月 ［2］ YANG Hong-gang， TANG Li-sha， LIANG Kai-shui. 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