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 ． [ 2 ]李小珍，张黎明，张洁．公路桥梁与车辆耦合振动研 究现状与发展趋势[ J ] ．工程力学，2 0 0 8 ，2 5 3 2 3 0 ．2 4 0 ． [ 3 ] 王浩，柳墩利，程建军．爆破振动及列车振动荷载作 用下隧道动力响应实测对比研究[ J ] ．铁道建筑， 2 0 0 9 1 2 6 9 - 7 3 ． [ 4 ]赵国辉，刘健新．汶川地震桥梁震害分析及抗震设计 启示1 [ J ] ．震灾防御技术，2 0 0 8 ，3 4 3 6 3 ．3 6 9 ． [ 5 ] 曹跃，赵明生，唐飞勇，等．近区爆破对大桥振动影 响的监测分析[ J ] ．爆破，2 0 0 8 ，2 5 2 8 2 8 4 ． [ 6 ]池恩安，梁开水，赵明生，等．小波分解下单段爆破振 动信号B S P W V D 时频分析[ J ] ．武汉理工大学学报， 2 0 1 0 。3 2 1 3 1 0 6 1 0 9 ． [ 7 ] 葛哲学，陈仲生．M A T L A B 时频分析技术及其应用 [ M ] ．北京人民邮电出版社，2 0 0 6 ． [ 8 ] 飞思科技产品研发中心．M A T L A B 辅助信号处理技术 与应用[ M ] ．北京电子工业出版社，2 0 0 5 ． [ 9 ] 赵明生，张建华，易长平．基于单段波形叠加的爆破振 动信号时频分析[ J ] ．煤炭学报，2 0 1 0 ，3 5 8 1 2 7 9 ．1 2 8 2 ． [ 1 0 ] 毕明芽，李名山，刘朝红，等．爆破振动预测误差的因 素分析[ J ] ．爆破，2 0 0 9 ，2 6 2 9 6 - 9 8 ． [ 1 1 ]林世雄．爆破测试技术有关问题的探讨[ J ] ．爆破， 2 0 0 9 。2 6 2 1 0 5 1 0 7 ． [ 1 2 ] 赵明生，梁开水，曹跃，等．爆破地震作用下建 构 筑物安全标准探讨[ J ] ．爆破，2 0 0 8 ，2 5 4 2 4 - 2 7 ． 上接第9 8 页 4 ．4 结论 共试验1 6 次，首次试验拒爆率为1 2 ．5 ％。拒 爆原因均为操作故障。只要加强对爆破人员的培 训，是可以大大提高其起爆的可靠性的。 5 简易导爆管电弧起爆法的应用前景 目前导爆管电弧起爆技术已相对成熟，许多爆 破器材生产厂家已研制出了安全可靠的导爆管电弧 起爆器材，主要包括可反复使用的起爆针、导爆管专 用起爆器。与简易导爆管电弧起爆法相比，由于起 爆器材是成型配套产品，操作相对简单，起爆的可靠 性也较高，但其所需的导爆管长，成本较高。而简易 导爆管电弧起爆法具有取材方便，灵活便捷的优点， 利于推广，因此具有较好应用前景。 编后语 本文介绍了简易导爆管电孤起爆技术及其1 6 次起爆试验情况，尝试用该起爆法替代已成熟的导 爆管起爆针等专用起爆器起爆法，其思路和尝试值 得借鉴。但有关问题应引起重视 1 1 6 次试验2 次拒爆，其可靠性难以保证； 2 该技术即使经改进 后安全可靠，仍需经过鉴定、认证后，才可在工程、生 产寺椎广趣甩。 参考文献 【1 ] 于亚伦．工程爆破理论与技术[ M ] ．北京冶金工业出 版社，2 0 0 9 1 3 8 - 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