爆破振动与车辆振动信号时频特性对比分析.pdf
第2 7 卷第4 期 爆破 V 0 1 .2 7N o .4 2 0 1 0 年1 2 月 B L A S T I N GD e c .2 0 1 0 D O I 1 0 .3 9 6 3 /j .i s s n .1 0 0 1 - 4 8 7 X .2 0 1 0 .0 4 .0 2 8 爆破振动与车辆振动信号时频特性对比分析 刘凤钱1 ,赵明生2 ,池恩安1 ’2 1 .贵州新联爆破工程有限公司,贵阳5 5 0 0 0 2 ;2 .武汉理工大学资源与环境工程学院,武汉4 3 0 0 7 0 摘要工程爆破以及过桥车辆都会引起桥梁的振动效应。根据现场实测数据,基于M A r I I .A B 软件信号 分析处理平台,利用R S P W V D 与小波分析相结合的方法对2 种振动信号的时频特性进行对比分析,结果表 明车辆振动较爆破振动主频低且持续时间长,能量主要集中在1 0H z 以内的低频部分且持续时间长并随着 能量的降低其能量持续时间趋于稳定;爆破振动信号的能量主要集中在l O 一5 0H z 之间,能量持续时间随频 率的增大而有所延长。分析结果可为2 种振动信号作用下桥梁动态响应的研究提供基础,也可为公路桥梁 的振动控制提供依据,或可为类似的工程提供借鉴。 关键词爆破振动;车辆振动;桥梁;小波分析;R S P W V D ;时频特性 中图分类号T [ Y 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 0 0 4 0 1 0 5 0 4 C o m p a r a t i v eA n a l y s i so fT i m e F r e q u e n c yC h a r a c t e r i s t i cb e t w e e n B l a s t i n gV i b r a t i o na n dV e h i c l eV i b r a t i o nS i g n a l s L I UF e n g q i a n l ,Z H A OM i n g .s h e n 9 2 ,C H IE n a r t lt 2 1 .G u i z h o uX i n l i a nB l a s t i n gE 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 f R e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ,W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ,W u h a n4 3 0 0 7 0 ,C h i n a A b s t r a c t T h ee n g i n e e r i n gb l a s t i n ga sw e l l 鹅p a s s i n gv i h i e l ew i l lc 叫∞t h ev i b r a t i o no fb r i d g e .A c c o r d i n gt ot h e m o n i t o r e dd a t aa n dM A T L A Bs o f t w a r es i g n a lp r o c e s s i n gp l a t f o r m ,t h et i m e f r e q u e n c yo ft w ov i b r a t i o ns i 蛐a sW a sa n a - l y z e dc o m p a r a t i v e l yu s i n gt h ec o m b i n a t i o no fm e t h o d so fR S P W V Da n dw a v e l e ta n a l y s i s .T h er e s u l t ss h o wt h a tt h e d o m i n a n tf r e q u e n c yo fv e h i c l ev i b r a t i o ni sl o w e rt h a nt h a to fb l a s t i n gv i b r a t i o nb u tt h ed u r a t i o ni sl o n g e r ;t h es i g n a l e n e r g yo fv e h i c l ev i b r a t i o nm a i n l yc o n c e n t r a t e sw i t h i nt h el o wf r e q u e n c y1 0H za n dl o n gd u r a t i o n .a n dw i t ht h ed e c r e s 嘈, eo fe n e r g y .t h ed u r a t i o nt i m et e n d e st os t a b i l i t y ;a n dt h es i g n a le n e r g yo fb l a s t i n gv i b r a t i o nm a i n l yf o c u s e so n b e t w e e n1 0a n d5 0H za n dt h ed u r a t i o no fe n e r g ya m p l i f y sw i t ht h ei n c r e a s eo ff r e q u e n c y .T h er e s u l t sp r o v i d ef o u n d a - t i o nt ot h es t u d yo fb r i d g ed y n a m i cr e s p o n s eu n d e rt h ea c t i o no ft h et w ov i b r a t i o n8 i g n a k .I ta l s oC a np r o v i d eb a s e st o t h ev i b r a t i o nc o n t r o lo fh i g h w a yb r i d g eo rt h es i m i l a ro b j e c t i o n s . K e yw o r d s b l a s t i n gv i b r a t i o n ;v e h i c l ev i b r a t i o n ;b r i d g e ;w a v e l e ta n a l y s i s ;R S P W V D ;t i m e - h e q u e n c ye h a r a c t e r i s f i c 收稿日期2 0 1 0 0 4 2 9 作者简介刘凤钱 1 9 6 4 一 ,男。工程师,主要从事工程爆破及安全 技术方面的研究。 通讯作者赵明生 1 9 8 2 一 ,男,博士生,主要从事工程爆破与爆破 安全方面的研究,E - m a i l m i n g s h e n g z h a o 1 2 6 .C O [ 1 1 0 引言 汽车以一定的速度过桥时,由于车辆荷载及速 度效应,会引起桥梁结构振动‘。车辆运行激起车 辆与桥梁结构的复杂振动,所引起桥梁损坏屡见报 道‘”。桥梁近区土石方工程的开挖爆破所引起的 万方数据 爆破2 0 1 0 年1 2 月 爆破振动对大桥也会造成危害。由于大桥近区开挖 爆破期间,爆破振动以及过桥车辆振动均有可能造 成大桥破坏,因此在爆破开挖期间对2 种振动进行 实时监测就显得极为重要。爆破振动荷载与交通循 环荷载所引起的桥梁振动虽都为典型的非平稳随机 振动信号,但两者产生的机理不同,桥梁对其作用下 的振动响应也不同pJ ,因此为研究2 种信号下桥梁 的动态响应,对2 种振动信号进行时频特性分析,对 比其时频特性也显得尤为重要。 1 桥墩基础处的振动监测 1 .1 工程背景 某高速公路土建第L J X l 合同段L K 9 8 0 0 一 L K 9 9 0 0 段路基爆破开挖山体自然坡度为 6 0 一7 0 。,岩石的节理较发育,完整性差,岩石的普 氏系数厂 8 一1 0 。爆区边缘距离大桥的最近距离约 7 5m ,该大桥采用推力结构,主孔为1 6 0m 的钢筋混 凝土箱形拱桥,主体为钢骨架外包混凝土结构,桥长 2 5 6 .5m ,宽1 2m ,高4 1 .5m ,属重点保护对象,大桥 的设计抗振烈度为Ⅵ。,其爆区环境示意图见图l 。 爆破采用自上而下分层分区自西北向东南推进的单 孔单响的中深孔梯段松动控制爆破方法施工,共进 行4 次爆破。爆孔孔径为9 0m m 、孔距3 .5m 、排距 3I n ,采用导爆索串连,毫秒非电雷管分段,电力 起爆。 图1 爆区环境示意图 1 .2 振动测试及结果分析 为了确保大桥在开挖爆破过程中的绝对安全, 在爆破施工过程中进行了实时监测。鉴于车辆振动 造成大桥破坏的事故,为慎重起见在开挖爆破期间 对过桥的车辆振动也进行实时监测。文献[ 4 ] 的研 究成果表明桥梁支座的震害极为普遍,它历来被认 为是桥梁整体抗震性能的薄弱环节,因此将测点布 置在大桥基础处。根据测试结果爆破引起桥墩基 础处的质点峰值振速为0 .6 2 0 .8 5c m /s ,主频为 1 7 .1 2 ~3 1 .4 5H z ;车辆引起桥墩基础处的质点峰值 振速为0 .0 2 3 ~0 .2 7c m /s ,主频为3 .4 5 8 .7 9H z , 参照文献[ 5 ] 的安全允许振速,此次施工过程中爆 破及车辆引起的振动均未造成大桥的损坏。从实测 数据可以看出,车辆所引起的振动峰值振速和频率 均小于爆破引起的振动,但未能展现出时频的细节 信息,因此选取爆破振动和车辆振动的典型波形进 一步的分析,其波形图见图2 。 O 昌 ≤一0 O5 0 01 0 0 015 0 02 0 0 025 0 0 3 0 0 0 t /m 8 车辆振动信号 O5 0 01O o ol5 0 02 0 0 0 2 5 0 030 0 0 t l m 8 图2 实测分析信号 2R S P W V D 二次型时频分析 2 .1 R S P W V D 二次型时频分布 R S P W V D 具有较好的积聚性、对产生的交叉项 也有较好的抑制,可将信号在时频平面内很好的展 开,信号s t 的重排谱 S P E C 一 t ’,’;妒 IJ s 阳e z 以妒 6 J [ t ’一t z ;t ∽] 8 E f7 一以z ;f ∽] d £妒 1 式中,S P E C t 以妒 I I 形 7 ,t , % £一丁矿一v d , r d v , 其中彤 .r ,夥 为信号s t 的W i g n e r - V i l l 分布, £ 为s t 的解析信号;妒 r ,t , 是核函数; t ∽是信号 能量分布的重心【6 7 | 。 根据式 1 利用M A T L A B 软件编制程序得到图 2 信号的R S P W V D 三维谱见图3 。由图3 可见, R S P W V D 三维谱可很好的获取振动信号的主频信 息,车辆振动信号的主频为3 .4 5H z ,主频的持续时 间为20 0 0 眦,爆破振动信号的主频为3 0 .2 4H z ,主 频的持续时间为7 5 5 脚。由此可以看出,车辆振动 信号的主振频率较爆破振动信号低,但其持续的时 间较长。 2 l O l 2 o o 曲加 一,e.目u一釜 万方数据 第2 7 卷第4 期刘风钱,赵明生,池恩安爆破振动与车辆振动信号时频特性对比分析 a 车辆振动信号 图3 振动信号的R S P W V D 三维谱 2 .2R S P W V D 二次型时频能量 信号s t 的能量E 等于S P E C n t ’,f ’;9 沿 时间频率两轴的双重积分,即 1 E | ls 1 l2 d t 圭IIS P E C 一 。二’n | 。 一∞一蕾一∞ £7 ,’;q o d t d f ∑∑e £∽ 2 式中e f ∽是谱图在任意点的能量;£ 1 ,2 ,⋯,n , / g 为时间点数;厂 1 ,2 ,⋯,m ,m 为频率点数,因此 R S P W V D 是信号能量在时间、频率二维空间上的分 布喁驯。由此根据R S P W V D 可以看做信号能量在时 域和频域分布的明确的物理意义,由式 2 可以计 算出信号的能量。 3 两信号不同频带能量、能量持时 对比分析 利用R S P W V D 可以很好的获取振动信号的主 频信息,但无法避免会损失信号的部分信息,无法将 信号在细节上展开,因此可综合的利用R S P W V D 和 小波分析来研究振动信号的时频特征。将信号进行 小波分析时,分解的层数视具体信号及采用的爆破 振动记录仪的工作频率而定。实测数据采用成都中 科E X P 4 9 5 0 爆破振动测试仪进行现场测试0 | ,其 爆破振动记录仪的最小工作频率为1H z ,由于所测 振动信号主频一般在2 0 0H z 以下,根据采样定理, 信号的采样频率设20 0 0H z ,则其奈奎斯特频率为 10 0 0H z 。因此,用d b 8 小波基将信号进行7 层分 解,得到8 个频带口7 、d 7 、d 6 、d ”以、d 3 、d 2 、d 。 0 7 .8 1 25H z 、7 .8 1 25 1 5 .6 2 5H z 、1 5 .6 2 5 ~3 1 .2 5H 2 、 3 1 .2 5 6 2 .5H z 、6 2 .5 1 2 5H z 、1 2 5 2 5 0H z 、2 5 0 5 0 0H z 、5 0 0 10 0 0H z 的分解系数,再将不同频带 的分解系数重构。由此,根据式 2 可以计算出各 b 爆破振动信号 频带的能量E ,所以各频带能量百分比为2 1 弓 E i /E o 1 0 0 % 3 n l 式中E o ∑E ;;凡为小波分解的层数。 因此将两振动信号先利用小波分析进行7 层分 解,各频带重构后的信号进行R S P W V D 分析得到信 号的R S P W V D 三维谱,利用式 2 求出各频带的能 量,再利用式 3 求解信号不同频带能量百分比。 为了便于分析,统计两振动信号频带能量比、频带能 量持续时间于图4 、图5 。 5 6 。0 4 l 。0 25 0 0 h 2 0 0 0 詈15 0 0 蝼1o o o 靶5 0 ‘ 0 a 7西以d 5 矗d 3 如d l 频带 图4 两振动信号频带能量比 a 1d 1d bd 5d Id 3d zd l 频带 图5 两振动信号频带能量持续时间 基于上述分析,从实测的桥墩基础处的振动数 据以及图3 、图4 、图5 可见,两种振动信号的时频特 性差别很大,主要体现在 1 此次开挖爆破引起桥墩基础处的质点振动 峰值速度明显大于过桥车辆所引起桥墩基础处质点 振动峰值速度。 万方数据 爆破2 0 1 0 年1 2 月 2 过桥车辆引起桥墩基础处主振频率小于开 挖爆破所引起的桥墩基础处的主振频率,但其持续 时间明显长于爆破振动主振频率的持续时间。 3 车辆振动信号能量主要集中在1 0H z 以内 的低频部分且持续时间长并随着能量的降低其能量 持续时间也趋于稳定;爆破振动信号的能量主要集 中在1 0 5 0H z 之间,能量的持续时间随频率的增 大而有所延长。 4 结语 通过对某高速公路土建第L J X l 合同段 L l 9 8 0 0 一L K 9 9 0 0 段路基爆破开挖期间爆破、车 辆所引起大桥振动的进行实时监测,基于现场实测 数据认为开挖爆破期间爆破及车辆振动均未造成大 桥的损坏。并基于M A T L A B 软件信号分析处理平 台,利用R S P W V D 与小波分析相结合的方法对2 种 振动信号的时频特性进行对比分析,详细的解读了 2 种振动信号的时频特性,分析结果可为2 种振动 信号作用下桥梁动态响应的研究提供基础,也可为 公路桥梁的振动控制提供依据,或可为类似的工程 提供借鉴。 参考文献 [ 1 ] 贾海洋.公路桥梁车辆振动理论分析[ J ] .中国高新技 术企业,2 0 1 0 2 2 5 7 - 5 8 . 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