不同微差间隔下爆破振动信号的反应谱分析.pdf

第2 8 卷第1 期 爆破 V 0 1 ．2 8N o ．1 2 0 1 1 年3 月B L A S T I N GM a r ．2 0 1 1 J 1 ■■●_ ■_ _ ●_ ■■_ ■●■■■■■●■■■■●_ _ ●■●●●●●■■■■●■_ ●●●■●■■■■_ _ ●■●■■■■■■■●■●■●■●●●●■■■■■●■■■●_ _ ●■■●●■■■●■■■■■_ ●■●_ ●●●■■■■●_ _ ■■■■●■■●■■■■■_ _ _ ■■ 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 1 ．0 1 ．0 0 7 不同微差间隔下爆破振动信号的反应谱分析宰 赵明生1 ，张亚文2 ，徐海波3 ，梁开水1 1 ．武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉4 3 0 0 7 0 ；2 ．中国建筑材料工业建设西安工程有限公司，西安7 1 0 0 0 0 ； 3 ．湖北省地质矿业开发有限责任公司，武汉4 3 0 0 2 2 摘要为研究不同微差间隔下爆破振动信号的反应谱特性，基于金堆城露天矿现场爆破振动试验数据。 对不同微差间隔的两孔爆破振动信号进行了反应谱分析。首先，利用实测的爆破振动速度信号采用直接微 分法获得了加速度信号，并利用E E M D 分解对加速度信号进行低通滤波去噪处理，获得了准确清晰的加速 度曲线。然后，利用精确法求得了不同微差间隔下爆破振动信号的速度反应谱和标准速度反应谱。分析结 果表明加速度峰值小的振动信号其速度反应谱峰值可能较大，不同微差间隔的爆破振动信号标准速度反应 谱峰值对应的结构自振周期不同。因此可认为，降振合理微差的选择应结合爆破振动与建筑物的动态响应 综合考虑。 关键词爆破振动；微差爆破；E E M D 去噪；反应谱 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 1 0 1 0 0 2 8 0 5 R e s p o n s eS p e c t r u mA n a l y s i so fB l a s t i n gV i b r a t i o nS i g n a l w i t hD i f f e r e n tM i c r o s e c o n dD e l a yT i m e Z H A OM i n g ．s h e n 9 1 ，Z H A N GY a - w e n 2 ，X UH a i b 0 3 ，H A N GK a i ．s h u i l 1 ．S c h o o lo fR 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 ；2 ．x i ’a nE n g i n e e r i n gC o m p a n yo fC B M C C ，X i ’a n7 1 0 0 0 0 ，C h i n a ； 3 ．H u b e iG e o l o g yM i n i n gD e v e l o p m e n tC oL t d ，W u h a n4 3 0 0 2 2 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt os t u d yt h er e s p o n s es p e c t r u mp r o p e r t yo fb a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a l sw i t hd i f f e r e n tm i e r o s e - c o n dd e l a yt i m e ，b a s i n go nm o n i t o r e dd a t ao nf i e l db l a s t i n gv i b r a t i o ni nJ i n d u i c h e n go p e np i t ，t h er e s p o n s es p e c t r u m a n a l y s i sw a gd o n eo ft w oh o l e sb l a s t i n gv i b r a t i o nw i t hd i f f e r e n tm i c r o s e c o n dd e l a yt i m e ．F i f t y ，t h ea c c e l e r a t i o ns i g n a l w 鹊o b t a i n e db yd i r e c td i f f e r e n t i a t i o nm e t h o du s i n gm o n i t o r e do fV O Ds i g n a l ．t h ea c c u r a t ea n dc l e a ra c c e l e r a t i n g c u r v ew a sg a i n e db yL P F 1 0 wp a s sf i l t e r i n g D e n o i s i n gp r o c e s s i n gu s i n gE E M Dd e c o m p o s i t i o n ．T h e n ．t h ev e l o c i t y r e s p o n s es p e c t r u ma n dt h es t a n d a r dv e l o c i t yr e s p o n s es p e c t r u mo fb a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a lw i t hd i f f e r e n tm i c r o s e c o n d d e l a yt i m ea r eg i v e nb ye x a c tm e t h o d s ．A n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e a kv a l u eo fv e l o c i t yr e s p o n s es p e c t r u mm a y b e l a r g e rt h es i g n a l sw i t hl e s sa c c e l e r a t i o np e a k ；t h es t a n d a r dv e l o c i t yr e s p o n s es p e c t r u mo fb l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a l 硒t I ld i f f e r e n tm i c r o s e c o n dd e l a yt i m ec o r r e s p o n d e dd i f f e r e n tn a t u r a lv i b r a t i o np e r i o d ．T h e r e f o r e ．i tC a l lb ec o n s i d e r e d t h a tc h o o s i n go fr e a s o n a b l ed e l a yt i m es h o u l dc o m p r e h e n s i v ec o n s i d e rb l a s t i n gv i b r a t i o na n dd y n a m i cr e s p o n s eo f c o n s t r u c t i o n ． K e yw o r d s b l a s t i n gv i b r a t i o n ；m i l l i s e c o n db l a s t i n g ；E E M DD e ．N o i s i n g ；r e s p o n s es p e c t r u m 收稿日期2 0 1 0 一“一1 2 作者简介赵明生 1 9 8 2 一 ，男，博士研究生，从事爆破工程与安全 技术的研究， E - m a i l m i n g s h e n g z h a o 1 2 6 ．c o i n 。 基金项目中央高校基本科研业务专项资金资助 2 0 1 0 ．1 a - 0 6 0 微差爆破是降低爆破振动的有效手段，其原理 是将爆破总药量分段起爆，并利用起爆时间差使各 段爆破振动产生干扰叠加从而达到降低爆破振动强 万方数据 第2 8 卷第1 期赵明生，张亚文，徐海波，等不同微差间隔下爆破振动信号的反应谱分析 2 9 度的目的J 。很多学者对确定合理的微差时间、降 低爆破振动速度峰值的研究做出了重要贡献旧圳。 然而爆破振动的危害是爆破振动的3 要素 速度、 频率和持续时间 与建筑物的动态响应共同作用的 结果HJ ，因此很多学者借鉴于在地震工程中比较成 熟的反应谱理论来分析结构体在不同爆破条件下的 动态响应。李夕兵、凌同华研究了不同段药量、爆心 距的反应谱特性[ 6J ，吴新霞、唐鸿卿等研究了主频 对反应谱特性的影响J ，卢文波、李洪涛等研究了 隧道开挖爆破振动的反应谱特性哺1 ，孙建生、荣立 爽等研究了水下岩塞爆破的反应谱特性p j ，龙源、 娄建武等提出了采用反应谱曲线积分值来评估爆破 振动破坏效应0 | ，王凯、丁刚德等研究了不同微差 下多段爆破振动的反应谱特性卜1 2 0 。以上研究都 取得了大量成果，但对不同微差间隔下爆破振动信 号的反应谱特性研究还少见，因此利用金堆城露天 矿进行的不同微差间隔下两孔爆破振动的实测数 据，分析微差间隔对反应谱特性的影响。 1 反应谱理论及数值计算 1 ．1 反应谱理论 反应谱理论是以单自由度粘性阻尼体系在地震 过程中的反应为基础进行的结构动力反应分析，反 应谱曲线是地震最大反应与结构自振周期之间的关 系。单自由度体系在地震作用下的运动方程为 移 2 x w l 加2 U 豇o f 1 式中U 、U 、u 分别为体系相对于地面的加速度、 速度和位移；f 、t o 为体系的阻尼比和自振频率； ‰ ￡ 为地面的加速度。因此通过求解式 1 便可 求得体系的最大绝对加速度、最大相对速度和最大 相对位移。文献[ 7 ，9 ，1 1 ，1 2 ] 对其计算过程进行了 详细的推导，这里不再赘述。由此，通过改变不同的 ∞即可求得一些列的反应谱曲线。 在应用中常采用体系的某一最大反应与输入的 最大反应的比值 放大倍数 ，来体现体系在振动响 应时的动力效应，有位移放大倍数、速度放大倍数与 加速度放大倍数3 种，将放大倍数做为纵坐标、体系 的不同自振周期为横坐标所绘制的谱图称为标准反 应谱，同样有标准位移反应谱、标准速度反应谱与标 准加速度反应谱3 种。标准反应谱反映了体系对地 震波中某些频率成分的选择放大作用，表现出结构 体对地震响应的动力效应。 1 ．2 反应谱的数值计算 采用文献[ 1 3 ] 提出的精确法来计算反应谱，此 方法的出发点是把地面运动的加速度记录相邻点间 的值用分段线性差值表示，从而获得地面运动的连 续表达式。精确法是指获得的结果全部采用精确 的分析方法，没有任何的舍入误差，也不会产生任何 的截断误差。正因为这种方法不会引起数值计算的 误差，所以它有较高的精度，只要进行较少的运算就 可以达到采用其他方法需要较多次运算才能达到的 精度。 2 爆破振动加速度信号的推求及去噪 处理 2 ．1 加速度信号的推求 目前爆破振动监测的物理量一般为质点振动速 度，而反应谱计算中需输入加速度信号，因此可对速 度信号利用数值微分计算的方法获取加速度信号， 其计算式为 m 小警 紫 2 为了避免随机误差的影响，数值微分采用文献 [ 1 4 ] 的四点向前差分 ，、 2 v t j 1 一9 v t 。 2 1 8 0 t i 1 一l l v t i a t i 2 可瓦 西一 3 利用式 3 对图1 a 中实测的振动速度信号 进行计算得到相应的加速度信号见图1 b 。由图 1 b 可见，所获取的加速度信号含有高频的噪声干 扰成分，这是因为速度信号在进行微分计算时较微 弱的趋势项也会放大成很大的噪声，因而不能避免 的产生因速度数据记录误差带来的加速度值高频振 荡，引起加速度信号的严重失真，从而导致反应谱计 算结果误差较大。因此为了获取理想的爆破振动加 速度信号，必须对直接微分得到的加速度信号中的 高频噪声成进行去噪处理。 2 ．2 基于E E M D 法加速度信号去噪 爆破振动信号的去噪方法有小波去噪、小波模 极大值去噪、改进的小波模极大值去噪、基于平移不 变的小波去噪以及E M D E m p i r i c a lM o d eD e c o m p o s i t i o n 去噪等方法【1 5 - 1 73 。基于小波原理的去噪方法 具有方便灵活的特点，但由于不同的小波基函数分 解的结果不一样，同时仍未摆脱以F o u r i e r 变换为基 础所带来的缺陷；E M D 即经验模式分解，不用选择 基函数具有自适应性，适合于非平稳信号的处理，但 是由于异常噪声信号的存在使得E M D 分解时会产 生模式混叠的现象，限制了其在信号去噪中的应用。 为了解决模式混叠的问题文献[ 1 8 ] 对E M D 方法做 万方数据 爆破 2 0 1 1 年3 月 出了改进，并提出了E E M D E n s e m b l eE m p i r i c a l M o d eD e c o m p o s i t i o n 分解，即集成经验模式分解。 文献[ 1 9 2 0 ] 详细的介绍了E M D 、E E M D 的原理与 缈一一～～～。- 一 ．2 【．0 ’．8 1 ．6 } ．4 I ．2 0 } ．2 I ．4 ～， f ，m 8 立 计算过程并通过仿真试验验证了E E M D 分解在解 决模式混叠问题上的有效性。 图1实测信号及其加速度信号 E E M D 的基本步骤为 1 向被分析信号算 t 中加入等长度的正态分 布白噪声并对加入白噪声后信号进行归一化处理； 2 应用E M D 对加入白噪声后的信号进行分 解，得到各I M F I n t r i n s i cM o d eF u n c t i o n 分量； 3 重复上述 1 、 2 步骤n 次，要求每次加入 新的随机正态分布白噪声序列； 4 将每次分解得到的I M F s 对应集成平均，当r t 足够大时对应添加白噪声的I M F 的和将趋于0 。 因此将E E M D 方法引入到爆破振动信号分析 中，采用此方法对速度信号直接微分得到的加速度 信号进行去噪处理，为了验证了E E M D 在爆破振动 加速度信号去噪处理中的有效性，将图1 b 的加速 度信号分别进行E E M D 分解与E M D 分解并进行对 比，见图2 所示。由图2 可见，E M D 与E E M D 分解 出的信号的分量个数相同，且都从高频向低频排列， 这体现了E M D 与E E M D 分解都具有较好的自适应 性。E M D 分解中分量C 。和c 在2 0 0 4 0 0m s 波形相 似出现了模式混叠，而E E M D 分解确无此现象，因 此很好的解决了E M D 分解的固有缺陷，故更适合于 爆破振动信号这种非平稳信号的分析。 文献[ 8 ，1 8 ，1 9 ，2 0 ] 研究表明，信号的噪声主要 分布在高频部分，由速度信号直接微分产生的高频 振荡噪声信号也分布在高频部分，因此将加速度信 号进行低通去噪 即去掉C ．的高频分量 重构后的 信号见图3 。由图3 可见，由于E M D 分解的固有缺 陷，使得去掉c 。分量的重构信号仍含有高频噪声，而 采用E E M D 分解后的重构信号为去掉高频噪声的 准确而清晰的加速度信号。 t ／m 8 b 图2 加速度信号的E M D 与E E M D 分解 3 不同微差间隔下爆破振动信号反应 谱分析 3 ．1 现场爆破振动测试 选取在金堆城钼业公司露天矿南露天1 3 4 4 平 盘进行现场试验，该平盘主要以燕山时期的花岗斑 岩为主，岩石的普氏系数为8 ～1 0 ，岩石的完整性 好，岩性完全相同，选择该平盘有利于排除测试场地 ．．一 f - ‘_ d 一 ‘． d J ～ f f ． f ． f ． ．q f ‘ ●- ■ 万方数据 第2 8 卷第1 期赵明生，张亚文，徐海波，等不同微差间隔下爆破振动信号的反应谱分析 3 1 地质状况差异的影响。为探索不同微差间隔下爆破 振动信号的反应谱特性，需排除爆心距和最大段药 量影响。选取孔距为9m 、药量均为4 3 0k g 的两孔， 孔间采用奥瑞凯 威海 爆破器材有限公司提供的 塑料导爆管雷管微差起爆，进行振动试验，测点布置 在两孔连线的中垂线上。选取爆心距均为5 0m 的 垂直方向振动速度信号为分析信号，利用式 3 计 算得到加速度信号，并经过E E M D 低通去噪后的加 速度信号见图4 。 t ／m s 曲E M D 低通去噪 b E E M D 低通去嗓 图3E M D 与E E M D 低通去噪后的重构加速度信号 3 ．2 反应谱特性分析 对图4 的加速度信号取结构振动的阻尼比 f 0 ．0 5 ，利用M a t l a b 编制程序，采用精确法计算得 ．到反应谱。由于振动速度主要与能量有关，能够体 ’ 现出系统粘性阻尼力的响应，因此选取速度反应谱 和标准速度反应谱为对象，来分析不同微差间隔下 的反应谱特性。不同微差间隔下的速度反应谱见 图5 ，标准速度反应谱见图6 。 由图5 、图6 可知 1 速度反应谱与标准速度反应谱的形态完全 一致，但丽反应谱峰值有差异。速度反应谱的峰值 依次为2 5m s 、4 2m s 、1 0 0i n s 、6 5m s ，标准速度反应 谱的峰值依次为1 0 0m s 、6 5 m s 、2 5I I l 8 、4 2m s 。而 图4 j J I ] 速度信号中，加速度峰值依次为4 2m s 、 2 5m s 、1 0 0m s 、6 5m s 。这是因为标准速度反应谱与 输入的加速度峰值无关，主要取决于结构本身，体现 了结构对不同加速度信号的选择放大，速度反应谱 不仅与输入的加速度峰值有关而且还和结构体的选 择放大有关，因此很好的体现了两者的综合作用。 图4 不同微差间隔的加速度信号 o ．0 7 o ．0 6 O ．0 5 ‘0 ．0 4 昌 } 0 ．0 3 0 ．0 2 O ．0 1 0 图5 不同微差间隔下的速度反应谱 2 反应谱峰值对应的周期由2 5 m s 、4 2m s 、 1 0 0m s 、6 5m s 增加，由此可以看出不同微差间隔对 应的爆破振动信号频率不同，反应谱峰值对应的周 期越大越接近于建筑物的自振周期，越不利于建筑 物的安全。 万方数据 3 2 爆破 2 0 1 1 年3 月 图6 不同微差间隔F 的标准速度反应谱 3 微差间隔2 5m s 、4 2n l 、6 5m s 的爆破振动反 应谱形态都比较简单，而1 0 0m s 的爆破振动反应谱 形态相对比较复杂，出现了多个突峰，从而使建筑物 选择放大的几率增加，显然不利于建筑物的安全。 4 结语 E E M D 改进了E M D 模式混叠的缺陷，较基于小 波原理的去噪方法具有自适应性更适合于爆破振动 信号这种非平稳信号的去噪处理。对于降低爆破振 动强度的合理微差选择过程中，应利用反应谱分析 方法使爆破振动与建筑物的动态响应相结合，综合 的考虑降振效果。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 参考文献 R e f e r e n c e s 宋光明，曾新吾，陈寿如，等．基于波形预测小波包分 析模型的降振微差时间选择[ J ] ．爆炸与冲击，2 0 0 3 ， 2 3 2 1 6 3 1 6 8 ． ● 凌同华，李夕兵，戴塔根，等．基于小波变换的时．能密 度法优选微差延时时间[ J ] ．重庆建筑大学学报， 2 0 0 6 ，2 8 4 3 6 - 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