爆破振动特性对滞回耗能谱的影响研究.pdf
第2 9 卷第4 期 2 0 1 2 年1 2 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 .2 9N o .4 D e c .2 0 1 2 d o i 1 0 .3 9 6 3 /j .i s s n .1 0 0 l 一4 8 7 X .2 0 1 2 .0 4 .0 0 7 爆破振动特性对滞回耗能谱的影响研究术 罗晓碧1 ,赵明生’,池恩安k 2 ,帅海乐3 1 .贵州新联爆破工程有限公司,贵阳5 5 0 0 0 2 ;2 .贵州大学矿业学院,贵阳5 5 0 0 0 3 ; 3 .贵州中建建筑科研设计院有限公司,贵阳5 5 0 0 0 6 摘要为分析结构在爆破振动作用下的弹塑性能量反应,首先针对单自由度体系,建立了力学平衡方程; 然后利用实测的爆破振动信号,通过数值计算并去噪获取不同频率的加速度时程曲线;最后将不同频率的加 速度时程曲线进行人工调整,分析爆破振动3 要素对滞回耗能谱的影响规律。研究表明滞回耗能能综合的 反应爆破振动3 要素,特别是能够反应结构进入弹塑性阶段能量随爆破振动持续时间的累积效应。因此,可 认为滞回耗能是反应爆破振动作用下结构塑性累积损伤的重要参数。 关键词爆破振动;滞回耗能;结构响应;爆破持时 中图分类号 T D 2 3 5 .1 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 4 8 7 x 2 0 1 2 0 4 0 0 2 8 一0 4 S t u d y0 nI n n u 哪c e0 fB l a s t i n gV i b r a t i o nC h a r a c t e r i s t i c s o nH y s t e r e t i cE n e r g y 舰r DX i o o .6 i 1 ,Z 朋D 胧昭.5 k 增1 ,C 刖E n 一口儿1 ”,阳泓,胁i .∥ 1 .G u i z h o uX i n l i a nB l a s tE n g i n e e r i n gL i m i t e dC o r p ,G u i y a n g5 5 0 0 0 2 ,C h i n a ; 2 。S c h o o lo fM i n i n g ,G u i z h o uU n i V e r s i t y ,G u i y a n g5 5 0 0 0 3 ,C h i n a ; 3 .C h i n aC o n s t n l c t i o nG u i z h o uS c i e n t i 6 cR e s e a r c ha n dD e s i g nI n s t i t u t e C oL t do fA r c h i t e c t u r e ,G u i y a n g5 5 0 0 0 6 ,C h i n a A b s t r a c t T oa n a l y z et h ee l a s t i c p l a s t i ce n e r g rr e s p o n s eo fs t m c t u r eu n d e rt h ea c t i o no fb l a s t i n gV i b r a t i o n ,f i r s t l y ,m e c h 趿i c a le q u i l i b r i u me q u a t i o nw a se s t a b l f s h e ds p e c i f i ct os i n 甜ed e g r e eo ff 珀e d o ms y s t e m ;t h e n ,u s i n gr n e a s u 础b l a s t i n gv i b f a t i o ns i g n a l s ,a c c e l e r a t i o ns c h e d u l ec u r v £so fd i f f e r e n t “q u e n c yw e r eo b t a i n e db yn u m e 血a lc a l c u l a t i o na n dd e .n o i s i n g ;f i l l a l l y ,t l l ea c c e l e r a t i o ns c h e d u l ec u r v e so fd i f 毛r e n tf k q u e n c yn e e d e ds o m em a n u a la d j u s t m e n t t oa n a l y z et h ei n n u e n c eo fb l a s t i n gv i b r a t i o n3e l e m e n t so nh y s t e r e t i ce n e r g ,s p e c t r u m .T h er e s e a r c h e ss h o wt h a th y s t e r e t i ce n e r g yc a nr e n e c tt h eb l a s t i n gv i b r a t i o n3e l e m e n t sc o m p r e } 坨n s i v e l y ,e s p e c i a l l yw h e ns t n l c t u r ee n t e r si n t oe l a s t i c p l a s t i cs t a g e ,i tc a nr e n e c tt h ec u m u l a t i v ee f f e c to fe n e r g ya l o n g 证t h 山ed u r a t i o no fb l a g t i n gv i b r a t i D n .T h e r e f o r e ,i tc a nb ec o n s i d e r e dt l l a th y s t e r e t i ce n e r g yi sa ni m p o r t a J l tp a r a m e t e rt or e n e c tt h es t m c t u r ep l a s t i ca c c u m u l a t e d d a m a g eu n d e rt h ea c t i o n0 fb l a s t i n gv i b m t i o n ;i th a se s s e n t i a lm e a n i n gi nt h e o r ya n dp r a c t i c a lv a l u ei ne n 百n e e r i n g , K e yw o r d s b l a s t i n gv i b r a t i o n ;h y s t e r e t i ce n e r g y ;s t m c t u r a lr e s p o n s e ;b l a s t i n gv i b r a t i o nd u r a t i o n 收稿日期2 0 1 2 1 0 一2 5 作者简介罗晓碧 1 9 6 8 一 ,女,贵州省贵阳市人,贵州新联爆破工 程有限公司副总工程师,主要从事爆破工程及爆破施工标 准化体系建设, E - m a i l 1 7 9 1 8 8 8 5 3 5 q q .c o m 。 通讯作者赵明生 1 9 8 2 一 ,男,博士,黑龙江省双城市人,主要从事爆 破工程及安全技术研究, E r 蹦1 I n i n g s h e n 铲h a 0 1 2 6 .c o m 。 基金项目贵州科技计划项目 s Y 2 0 1 0 3 6 5 ;中建股份科技研发基金 基金编号c s c E c - 2 0 1 1 一z 一1 8 弹性单自由度体系 s D O F ,s i n g l ed e g r e eo ff r e e . d o m 结构能量反应谱,虽然能综合的考虑爆破振动 3 要素与结构的固有参数,但其最大的缺陷是不能 反映爆破振动的累积效应。爆破振动累积作用主要 表现在多次重复爆破与长延时爆破2 种形式。大量 爆破工程震害调查表明,爆破振动引起的累积损伤 万方数据 第2 9 卷第4 期罗晓碧,赵明生,池恩安,等爆破振动特性对滞回耗能谱的影响研究 2 9 是结构破坏的重要因素’2 j 。爆破振动作用下结构 的反应实质上是能量的输入、转化和耗散的过程。 弹塑性结构能量分析的研究观点认为,在爆破振动 作用下,爆破地震波以能量的形式不断地传递到结 构中,其中一部分能量以可恢复动能和应变能形式 储存起来,另一部分则以阻尼和非弹性变形的滞回 耗能耗散掉。结构动能和弹性应变能只参加能量的 转化而不会耗散能量,故结构进入弹塑性阶段后,爆 破振动的输入能量主要通过阻尼和塑性变形来耗 散。由于结构的阻尼比变化范围一定,而结构的塑 性变形不可恢复,因此滞回耗能被认为是最具工程 意义的能量指标,是衡量结构塑性累积损伤的重要 参数旧 4J 。因而利用结构的滞回耗能作为指标来反 映爆破振动作用对结构的累积损伤,将有着重要的 意义。 1 滞回耗能的概念 在S D O F 体系中,单位质量的物体所受的平衡 方程为 彩 f 2 知矽 £ ∞2 Ⅳ £ 一玩 f 1 式中u f 、u £ 、U £ 分别为体系相对于地面的加 速度、速度和位移;f ≠L 为体系阻尼比,假设为常 二,,‘【£J 量,其中c 为阻尼系数、甜为体系的自振频率,∞ ∞。 /l 一孝2 ,∞。 √∥m ,为该系统无阻尼时的自振 频率;U £ 为地面运动的加速度,即输入的爆破振 动加速度时程曲线。 当结构为弹性体系,则后 £ 仅仅是时间的函数 且为常数;当结构为弹塑性体系时,结构在弹性阶段 时,矗 t 也仅仅是时间的函数,但结构进入了非弹性 变形阶段,矗 f 就随结构位移改变而改变“ ‘8J 。因 此,式 1 在弹塑性结构下可变形为 U £ 2 铷∥ £ p ∞2 U £ 一∥。 1 2 式中p 为刚度比,在弹性阶段p l ,进入塑性阶段 屈服后p 后/| | } ;南为初始弹性刚度,矗i 为屈服后刚 度,其余参数同式 1 。 对式 2 两端各项同乘微分d u t ,并在 o ,t 时程内的质点相对位移积分,即可得到结构的相对 能量反应 . E K E D E H E E E l0 3 ] 当地震结束后结构的动能E 茁 0 、弹性应变能 % 0 ,对于弹性结构滞回耗能B o ,输入结构的 能量为阻尼耗能耗散;而当结构进入非弹性变形阶 段输入结构的能量主要取决于滞回耗能耗散。结构 的变形能% E 。 l ∞2 u f 出,文献[ 9 ] 研究表 6 明,弹塑性结构中弹性应变能占变形能的比例很小 可以忽略,因此在爆破振动作用下对结构的滞回耗 能谱研究中忽略弹性应变能的影响,将结构的变形 能作为滞回耗能。由此以结构自振周期为横坐标, 以相应自振周期对应的滞回耗能值为纵坐标得到的 曲线即为结构的滞回耗能谱。 2 滞回耗能的计算 对弹塑性结构能量谱的求解,文献[ 5 .8 ] 研究 表明采用N e w m a r k B 法,取卢 1 /4 的增量形式在 正、负刚度情况下算法无条件稳定,因此本文采用此 方法进行计算,其增量形式为 Ⅲ一全垦焘垦盍塾竺盥监坚3 瞒 ‰面 面 4 △6 南△u 一刍以一 壶一1 西A 5 △扯击△盎玑一奉玑 6 3 恢复力模型 恢复力模型一般包括骨架曲线、滞回特性和刚 度退化规律3 部分组成引。实际结构的恢复力特 性曲线比较复杂,为了便于研究爆破振动作用下结 构非线性振动反应,很多学者对恢复力特性曲线进 行了简化和抽象,建立了实用恢复力模型,常用的有 双线型、三线型恢复力模型1 | 。文献[ 1 2 ] 研究表 明若结构进入非线性的程度不深,则退化现象不明 显,此时结构的恢复力特性可采用双线型恢复力模 型;若结构的非线性变形发展比较充分,会出现明显 的开裂点及刚度退化的现象,此时结构的恢复力特 性可采用三线型恢复力模型。文献[ 1 3 - 1 4 ] 表明,不 同的恢复力模型适合于不同的结构,如双线型恢复 力模型适合于钢结构、半退化三线型恢复力模型适 合于砌体结构、退化三线型恢复力模型适合于钢筋 混凝土结构。而文献[ 3 ] 研究表明,恢复力模型对 滞回耗能的影响很小,文献[ 4 ] 甚至认为恢复力模 型对滞回耗能的影响可以忽略。因此本文采用在弹 塑性动力分析中应用最为广泛也最为简单的双线型 恢复力模型,研究爆破振动作用下结构的滞回耗能 反应。 万方数据 爆破 2 0 1 2 年1 2 月 4 爆破振动特性对滞回好能谱的影’响霎鬟喜鬻嚣黧攀篡篡黧茗嚣曼簇蔷 为了研究爆破振动特性对滞回耗能谱的影响,图l 。 O .2 5 O .2 0 0 .1 5 ,、O .1 0 . 0 .0 5 鲁 O 飞一O .0 5 0 .1 0 0 .1 5 一O .2 0 OO .2O .40 .6 O .81 .O 1 .2 I .4 1 .6 1 .82 .0 t ,s a 主频1 2 .5 H z O .3 0 2 0 .1 q , o go .1 ≈一O .2 0 .3 0 .4 00 .2O .4 0 .60 .81 .O 1 .2 1 .4 1 .6 1 .82 .O “s b 主频1 8 .5 H z 图1 加速度时程曲线 F i g . 1A c c e l e r a c i o ns c h e d u l ec u r v e 4 .1 爆破振动峰值速度对滞回耗能谱的影响 为了分析爆破振动峰值对滞回耗能谱的影响, 需排除频谱、持续时间、结构参数以及恢复力模型参 数的影响。因此采用图1 a 人工调整的峰值依次 为0 .2I n /s 2 、0 .5I n /s 2 、0 .8 Ⅱ∥s 2 的加速度时程曲线, 取结构的阻尼比为O .0 5 ,双线型恢复力模型屈服强 度系数为0 .3 、屈服后的刚度折减系数为0 .0 2 ,经计 算得到不同加速度峰值的滞回耗能谱,见图2 。由 图2 可见 1 爆破振动峰值速度对滞回耗能谱的 形状几乎没有影响。 2 爆破振动峰值速度对滞回 耗能谱有着重要的影响,爆破振动峰值速度越大滞 回耗能谱的峰值也越大,且滞回耗能谱峰值增大与 峰值速度增大呈平方倍关系,这与弹性结构输入能 量谱的规律相同。 因此可认为,无论是弹性、弹塑性结构随着地面 输入的爆破振动速度峰值增大,输入到结构的能量 增大,结构的耗能也随着增加,结构发生塑性损伤的 程度也随之加深。 4 .2 爆破振动主频对滞回耗能谱的影响 为了分析爆破振动频谱对滞回耗能谱的影响, 需排除峰值、持续时间、结构参数以及恢复力模型参 数的影响。因此将图1 中的加速度时程曲线进行人 工调整,截取包含主频在内的O .5s 持时范围的加 速度时程曲线,峰值均调整为1t n /s 2 ,取结构的阻尼 比为O .0 5 ,双线型恢复力模型屈服强度系数为0 .3 、 屈服后的刚度折减系数为O .0 2 ,经计算得到不同主 频爆破地震波的滞回耗能谱,见图3 。由图3 可见 1 频谱是影响滞回耗能谱形状的重要因素,滞回 耗能谱的峰值一般出现在爆破地震波主频所对应的 固有周期,爆破地震波频域成分越复杂滞回耗能谱 0 6 0 .4 0 .2 p o go .2 q O ,4 一O .6 0 .8 O0 .2O .4O .6 0 .81 .O 1 .2 1 .4 1 .61 _ 82 .O £,s c 主频4 7 .5H z 的突峰越多。 2 爆破地震波的主频越小所对应的 结构体的固有周期越大,其滞回耗能谱的峰值也越 大,因此滞回耗能谱很好的反映了爆破地震波的主 频越低越接近结构的固有频率,对结构的破坏作用 越大。因而本分析从弹塑性能量反应的观点验证 了,在爆破施工过程中可通过提高爆破地震波主频 控制来爆破振动危害的目的。 3 5 0 3 0 0 2 5 0 。2 0 0 裔1 5 0 1 0 0 5 0 O 0 .10 .2O .30 .4 O .5 O .6O .7 O .8 0 .91 .0 t i 售 图2 加速度峰值对滞回耗能谱的影响 F i g .2 I n n u e n c eo fp e a 】【a c c e l e r a t i o no nh y s t e r e s i s e n e r 夥s p e c t m m 4 .3 爆破振动持续时间对滞回耗能谱的影响 为了分析爆破振动持续时间对滞回耗能谱的影 响,需排除峰值、频谱、结构参数以及恢复力模型参 数的影响。因此选取图1 中加速度信号 a ,调整 成2 段信号,以同样的方法调整成3 段信号,将加速 度峰值统一调整为lH ∥s 2 ,取结构的阻尼比为o .0 5 , 双线型恢复力模型屈服强度系数为O .3 、屈服后的 刚度折减系数为0 .0 2 ,经计算得到不同持续时间的 滞回耗能谱,见图4 。由图4 可见 1 爆破地震波 的持续时间对滞回耗能谱的形状几乎没有影响。 万方数据 第2 9 卷第4 期 罗晓碧,赵明生,池恩安,等爆破振动特性对滞回耗能谱的影响研究 3 1 2 随着爆破地震波持续时间的增加,滞回耗能谱 峰值不断增大且随着持续时间的不断增加滞回耗能 谱峰值增大的程度有所加强。因此证明了,滞回耗 能谱很好的体现了爆破振动持续时间对结构体非线 性破坏的累积作用。 6 0 0 5 0 0 4 0 0 毒3 0 0 2 0 0 1 0 0 图4 持续时间对滞回耗能谱的影响 F i g .4 I I l f l u e n c eo fd u m t i o no nh y s t e r e s i s e r l e r g ys p e c t r I l m 5 结论 1 滞回耗能能综合的反应爆破振动3 要素对 结构的破坏作用,特别是能反映出爆破地震波持续 时间对结构非线性累积损伤的影响。 2 对爆破振动作用下弹塑性S D O F 结构的能 量反应机理进行分析,验证了滞回耗能可综合反映 爆破振动特性与结构对爆破地震波的动态响应,是 爆破振动作用下结构产生塑性累积损伤破坏的重要 指标o . ;≯’ ‰io‘⋯ . 、叠。j ≯滞回耗能谱的形状主要;由爆破地震波的频 谱特性决定,一般滞回耗能谱的峰值出现在爆破地 震波圭频所对应的结构圃有频率处,爆破地震波的 主频越低滞回耗能谱峰值对应的结构固有周期越 大;爆破地震波的质点振动峰值是影响滞回耗能的 重要因素,随着峰值的增大滞回耗能的增加几乎呈 平方倍关系;滞回耗能能很好的反映爆破振动时间 的累积效应。因此从滞回耗能的角度对爆破振动作 用下结构的塑性累积损伤的研究有着重要的工程实 用价值。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 张义平.爆破震动信号的H m ’分析与应用研究[ D ] . 长沙中南大学,2 0 0 6 , [ 2 ]阳生权.爆破震动累积效应理论和应用初步研究[ D ] . 长沙中南大学,2 0 0 2 . 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[ 6 ]A B 0 - z E N AA .D i s p e r s i o nf u n c t i o nc o 瑚p u t a t i o nf o ru n l i m i t e d 舭q u e n c yv a l u e [ J ] .G e 叩h y sJ R A s t rS o c ,1 9 7 9 ,1 0 5 8 9 1 . [ 7 ] c H A R L E SHD o 、 r i n g .B l a s tv i b r a t i o nm o n i t o r i n ga J l dc o n . ‘t m l [ z ] .[ s .1 .] [ s 。n .] ,1 9 8 5 2 4 .5 2 . [ 8 ]林君,著.电磁驱动可控震源地震勘探原理及应用 [ M ] .北京科学出版社,2 0 0 4 2 .1 9 . [ 9 ]s 瑚B a i s h 朗g .7 r S P 2 0 3g e o l o 萄ca d v 绷c ep r e d i c t i o ns y 8 一 t e ma n di t sa p p l i c a l i o n [ j ] .J o u m a lo fR a i lw a yE n g i n e e r . i n gS o e i e t y ,2 0 0 4 ,8 4 4 2 7 - 3 0 _ [ 1 0 ] R O B E R THc o l e .u n d e r w a t e re x p l o s i o n [ M ] .u s A P r i n . c e t o nU n i v e r s i t yP r e s s ,1 9 4 8 . [ 1 1 ] 亨利奇J .爆炸动力学及其应用[ M ] .熊建国,等,译. 北京科学出版社,1 9 8 7 5 0 4 - 5 0 8 . [ 1 2 ] 吴德义,李辉煌,杨基明.不同条件下圆柱状容器水 压爆破压力测试及其分析[ J ] .流体力学实验与测 量,2 0 0 2 ,1 6 4 8 1 .8 6 . 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[ 1 3 ]Y A NF u z I m g ,w A N GS i .j i n g ,x uR u i - c h 蛐.D e f 0 咖- t i o nm e c h 帅i s m 蚰dd e V e l 叩m e mt 明d e n c yo fM a o p i n g l 蛐d s l i d ea f k ri m p o u 叽d i n go fG e h e y a nr e 舱n r o i ro n Q i n 商i a n gI i V e r [ J ] .C I l i n aJ o u m a lo fE n 舀n e e r i n gG e o l o - g r ,2 0 0 3 ,1 1 1 1 5 .2 3 . i nC h i n e s e [ 1 4 ] 柳丙善,李世海,赵卿.清江隔河岩水库茅坪滑坡 的主要影响因素分析[ J ] .中国地质灾害与防治学 报,2 0 0 8 ,1 9 2 3 6 4 3 。 [ 1 4 ] u uB i n g .s h 粕,uS h i - h a i ,z H A 0Q i n g .R e s e a r c ho nt h e m a i nf a c t o r sc 蚰8 i n gM ∞p i I l gl 蚰d s l i d eb a s e du p o nt h e i n s i t ui n v e s t i g a t i o n [ J ] .T h ec h i n e s eJ o 岫a lo fG e o l o g - i c a lH 配a r da n dC 0 n 枞,2 0 0 8 ,1 9 2 3 6 - 4 3 . i nC h i . n e s e 、 [ 1 5 ] 邓建辉,马水山,张保军,等.清江隔河岩水库茅坪滑 坡复活机理初探【J ] .C h i n e s eJ o u m a lo fR o c kM e c h 锄. i c s 粕dE n 舀n e e r i n g ,2 0 0 3 ,2 2 1 0 1 7 3 0 1 7 3 7 . [ 1 5 ]D e n gJ i a ,l h u i ,M As h u i s h a n ,z H A N GB a o - j u n ,e ta 1 . P r e l i m i n a r yn v e s t i 9 8 t i o no n 出er e a c t i v a t i o no fM a o p i n g l 锄d s l i d eG e h e y a nr e s e r v o i ro nQ i n 西i 蚰gr i v e r [ J ] .c h i n e s eJ 帆m a lo fR D c kM e c h a I l i c s 粕dE n g i n e e r i n g ,2 0 0 3 , 2 2 1 0 1 7 3 0 - 1 7 3 7 . i nC h i n e 8 e 上接第3 l 页 [ 9 ] ⅪA O №I l g k I l i ,u uG a n g ,B 越S h a o - 1 i a n g ,e ta 1 .7 n l eh y s t e r - e t i c 嘲s p e c 砸o fs e i s I l l i cs t m c t l 就s [ J ] .w 砌dI n f 脚n - t i 佣彻酬l q u a k eE r l g i n e e r i r I g ,2 0 0 2 ,1 8 3 1 1 0 - 1 1 5 . i n Q l i n e ∞ [ 1 0 ] 郭子雄,杨勇.恢复力模型研究现状及存在问题 [ J ] .世界地震工程,2 0 0 4 ,2 0 4 4 7 .5 1 . [ 1 0 ] G U 0z i x i o n g ,Y A N GY o n g .S 眦e - o f - d l e a no fr e 咖r i n g 五D r c em o d e l sf b rR cs t m c t u r e s [ J ] .w o r l dI n f o 】期“o no n E 叭h q I l a l 【eE n 舀n e e r i n g ,2 0 0 4 ,2 0 4 4 7 - 5 1 . i nC h i - [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] n e s e 徐建.建筑结构设计常见及疑难问题解析[ M ] .北 京中国建筑工业出版社,2 0 0 7 . 肖明葵.基于性能的抗震结构位移及能量反应分析 方法研究[ D ] .重庆重庆大学,2