能量法处理行车振动与爆破振动等效性探讨.pdf

第2 9 卷第3 期 2 0 1 2 年9 月 爆破 B L A S T D 呵G V 0 1 ．2 9N o ．3 S e p ．2 0 1 2 d o t 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 2 ．0 3 ．0 0 3 能量法处理行车振动与爆破振动等效性探讨 覃钰章，舒大强，何文君 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉4 3 0 0 7 2 摘要基于行车振动与爆破振动输入建 构 筑物能量的等效性，推导了行车振速换算成等效爆破振速 的公式。探讨了参考爆破安全标准评价行车振动安全问题的方法。根据实测公路来往行车质点振动速度资 料，将其换算成等效爆破振速，结果表明多数工况下行车振动输入建筑物的最大输入能量密度与常规隧洞 钻孔爆破相当；部分行进中的重型车辆与钻爆开挖对某些建 构 筑物结构造成的振动影响在同一量级。 关键词能量分析法；等效换算；爆破振动；行车振动；等效速度 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 3 0 0 1 1 0 4 D i s c u s s i o no fE q u i v a l e n c eR e l a t i o nb e t w e e nT r a f f i cV i b r a t i o n a n dB l a s t i n gV i b r a t i o nb yE n e r g yM e t h o d Q mY u - z h a n g ，S H UD a - q i a n g ，H EW e n - j u n S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fW a t e rR e s o u r c e sa n dH y d r o p o w e rE n g i n e e r i n gS c i e n c e ， W u h a nU n i v e r s i t y ，W u h a n4 3 0 0 7 2 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h ee q u i v a l e n te n e r g yc o n t e n ti n p u t t e dt os t r u c t u r e sa n db u i l d i n g sb yt r a g i cv i b r a t i o na n d b l a s t i n gv i b r a t i o n ，ac o n v e r s i o nf o r m u l aa b o u tt r a f f i cv i b r a t i o nv e l o c i t ya n de q u i v a l e n tb l a s t i n gv i b r a t i o nv e l o c i t yW a s d e r i v e d ．Am e t h o do fa s s e s s m e n to ft h et r a f f i cv i b r a t i o ns a f e t yp r o b l e m sW a sd i s c u s s e dw i t hr e f e r e n c et ot h eb l a s t i n g s a f e t ys t a n d a r d ．A c c o r d i n gt om o n i t o r e dt r a f f i cv i b r a t i o nv e l o c i t yd a t a ，t h ee q u i v a l e n tb l a s t i n gv i b r a t i o nv e l o c i t yW a s c o n v e r t e d ．T h er e s u l t ss h o w st h a tt h em a 】【i m u mi n p u te n e r g yd e n s i t i e so ft r a f f i cv i b r a t i o n si nm o s tc o n d i t i o n s 玳t a n - t a m o u n tt on o r m a lt u n n e lb l a s t i n ge x c a v a t i o n s ．T h ei m p a c to fv i b r a t i o n so ns o m es t r u c t u r e sa n db u i l d i n g si n d u c e db y s o m eh e a v yv e h i c l e sa r ei nt h es a m em a g n i t u d ea sw h i c hi n d u c e db yd r i l l i n ga n db l a s t i n g ． K e yw o r d s e n e r g ya n a l y s i sm e t h o d ；e q u i v a l e n tc o n v e r s i o n ；b l a s t i n gv i b r a t i o n ；t r a m cv i b r a t i o n ；e q u i v a l e n tv e - l o c i t y 在城镇附近进行岩石钻爆施工时，往往由于爆 区邻近密集的工业与民用建筑及各类重要的设施， 使爆破震动安全问题显得十分敏感，并由此带来对 钻爆施工方案安全可行性的质疑，甚至引发终止钻 爆施工的民事法律纠纷。其实在许多情况下，人们 往往更关注爆破振动带来的安全问题，却对建 构 筑物邻近道路上来来往往行车所产生的振动影响习 收稿日期2 0 1 2 0 3 1 7 作者简介覃钰章 1 9 8 6 一 ，男，武汉大学水电学院硕士研究生，主 要从事水利水电工程施工技术方面的研究工作， E - m i l q i n y u z h a n g 1 2 6 ．c o r n 。 以为常。 如何评定钻爆施工产生的振动安全问题，在相 关规范中针对不同建 构 筑物均有明确的控制标 准，而行车振动对建 构 筑物的影响机理、评价方 式、及其与爆破振动的对应关系尚缺乏明确认识。 该问题近年来也越来越受到工程建设者与学者的关 注和重视引。 施工爆破振动与行车振动在振动特性上存在明 显的差异№’7 ] ，同值行车振动质点峰值振速不能与 开挖爆破振动质点峰值振速按规范控制指标等同视 万方数据 爆破2 0 1 2 年9 月 之，另外考虑结构对不同振动频率的选择放大效应 也是必须的旧J 。 基于振动能量分析法，针对某隧洞工程钻爆施 工的环境，通过观测附近施工道路各类来往行车振 动的质点振动速度，试图将行车振动测试成果换算 成结构的“最大输入能量密度的等效速度 E V M I E D ”有效地探讨了行车振动与爆破振动等 效处理的方法[ 9 ] ，这对于合理评定爆破振动的安全 影响是有益的。 1 能量分析法与等效速度处理原理 无论是爆破振动还是行车振动，对建 构 筑物 的影响都可看作是一种能量的传递和转化过程0 { ， 输入的瞬时能量越大，振动影响效应也越大。在考 虑建 构 筑物的选择放大效应后，爆破振动和行车 振动输入建 构。 筑物的E V M I E D 均可作为对建 构 筑物振动影响的主要评定依据。 1 ．1 最大瞬时输入能量 在单自由度体系下的相对坐标系中，地震作用 的动力方程可表示为 m 五 矗 k x F t 1 式中m 为体系质量；c 为体系的粘滞阻尼系数；k 为 体系的刚度系数；戈、x 、茹分别为体系相对于地面的 位移，速度和加速度；F t 为随时间变化的地震荷 载。 对式 1 两边同时乘以相对速度互，并在震动持 续时间[ 0 ，t ] 求积分，就可以得到能量反应方程式 J r tr trt- m 互i d t J o c 菇x d t 上矗石互d t2 上F ￡ 互d t 2 记为 乜 包 E E i 3 一 - c 式中E t5 j D ，础d ￡为体系的相对动能；见 c 互x d t 一 为体系的阻尼耗能；B 1 ．k x x d t 为体系的变形能； 一 巨 JF t 互d t 为地震动总输入能量。 在振动持续时间内，考虑从E o 开始到色 。， 0 结束的△r 时刻，地震动输入建 构 筑物的能量由阻 尼耗能玩及变形能玩组成，与此对应的总能量E 的增 量A E i 定义为瞬时输入能量。 建筑物对不同频率振动分量的响应，可以通过 单自由度线性阻尼系统的受迫振动来研究。对于单 自由度线性阻尼系统，设简谐激励为F t F s i n 0 t ，则其动力方程为 赫 商 k x F s i n a t 4 式中F 为动荷载幅值；0 为外界输入振动的频率； 其他符号意义同上。 在较短的时间内，振动分量作用下的单自由度 系统可以按稳态振动考虑，根据单自由度振动系统 在周期性荷载作用下的稳态解可得到位移的动力放 大系数为 n 戈l l l a X 卢5 _ 斗D 5 式中芦为体系响应位移幅值x 。。与荷载最大值F 作用下的静位移石。的比值；0 为外界输人振动的频 率，∞为结构的自振频率，亭为结构的阻尼比。 由于A T 历时很短 在爆破振动中为毫秒级 ， 可以忽略阻尼耗能，认为在A T 时间内结构体的最 大动能和最大势能相等，即 m 吃。 h 2 一 6 式中k 。为体系最大振速；z 。。为体系最大位移，其 他符号意义同上。 可推出 V m 。。 似。。。 7 几■ 式中O l ／旦 ∞。 、fm 可知结构位移z 与振速y 的放大系数是相同 的，即 卢 詈 昔 8 式中k 为体系最大振速；屹为激励的最大振度； 其他符号意义同上。 1 ．2 最大输入能量密度的等效速度 E V M I E D 将质量部分做归一化处理后，测点任一时刻的 振动能量等于该时刻测点振速的平方，即 E i 砰 9 式中K 为测点在整个振动历程内任一时刻的振速； 臣为对应时刻测点的振动能量。由于建 构 筑物 结构对不同频率振动具有选择放大效应，故任一时 刻输入建筑物中的振动能量为 E 展K 2 1 0 式中昱为任一时刻输入建筑物的振动能量；成为对 应时刻振动速度的放大系数。 在整个爆破振动历程内，对于单位时间内输入 到建筑物中的最大能量，可定义“最大输入能量密 度 M I E D ”，即 M I E D m a x 卢i K 2 1 1 式中M I E D 为单位时间内输入到建筑物中的最大 万方数据 第2 9 卷第3 期 覃钰章，舒大强，何文君能量法处理行车振动与爆破振动等效性探讨 1 3 能量；K 为测点在整个振动历程内任一时刻的振速； ／3 i 为对应时刻振动速度的放大系数。 将公式两边同时开平方，可得 J i B d m a x f i i K 2 1 2 式中符号意义同上。 这时，可将√M I E D 定义为“最大输入能量密度 的等效速度 E V M I E D ”，它综合体现了质点峰值振 速、频率及结构本身动力特性对外界输入振动的响 应，当然这既包括爆破振动，也包括行车运动产生的 振动。 2 、道路行车振动观测 2 ．1 道路行车振动监测 福建省石狮市引水二期工程金鸡山隧洞段顶部 为车辆过往繁忙的公路，公路两旁为较密集的民用 建筑物。一些重载车辆在一定行车工况下同样会形 成地面震动，因此，在隧洞正式进行爆破施工前，针 对该公路的过往车辆进行专门的行车质点振动速度 产 l ∞ ● 吕 n q b o j ．．_ I f I 止dn 』 I 、J | 柚 I ．． ．⋯一 1 。。’。’’矿”1 y 。’”’y ’””’ 7 ’一 t l s a 水平向 a H o r i z o n t a l 测试，来了解该路段正常行车所造成振动的特性及 量级，为后续隧洞钻爆施工进行合理的爆破振动控 制与周围建筑物安全评估提供旁据。 2 ．2 监测方法与行车工况 国家标准爆破安全规程 G B6 7 2 2 - - 2 0 0 3 建 议的建筑物爆破振动安全判据采用质点峰值振动速 度k c m ／s 指标，并考虑了频率八n z 的影响。为 了进行简单的对比，对于公路行车的振动强度，我们 采用了爆破振动的常规测试方法及仪器系统来测试 行车振动的峰值质点速度k 。 针对钻爆施工区域周边现场道路及居民住宅分 布情况，在与施工隧洞平行的路段进行测点布置，并 选取小汽车正常行驶、挖掘机正常行进、自卸汽车正 常行驶等11 种工况条件采集振动数据。每个测点 分别按竖直向和水平向布置传感器。来往车辆的行 车速度均在2 5 ～3 5k m ／h 。 实测典型波形图见图1 ，部分行车工况实测的 质点峰值振速值见表1 。 ．产 。∞ ● 目 o 々o o ≥ 一 ．．i ．o I 儿i k ⋯⋯～⋯⋯ 。”’哪P 叩1 ”⋯1 ”⋯ t l s b 竖直向 b V e r t i c a l 图1 1 2t 自卸汽车 空载 过减速带典型振动波形 F i g ．1 C l a s s i cv i b r a t i o nv e l o c i t yw a v e f o r mo f1 2td u m pt r u c k n 0 - l o a d p a s s e sB p e e db u m p 表1 行车振动质点峰值振速实测值 T a b l elT e s td a t ao ft r a f f i cv i b r a t i o n 编号 ．．行车工况巅；万i 』篓‰。， 癫辜芫i 』萼舞一。 11 ．5t 小轿车正常行进 1 80 ．0 1 82 10 ．0 1 6 21 ．5t 小轿车通过减速带1 90 ．0 2 61 90 ．0 5 4 34t 中型货车 满载 正常行进 1 80 ．0 1 82 00 ．0 2 3 4 4t 挖掘机正常行进1 40 ．2 0 33 40 ．4 8 4 51 2t 自卸汽车 空载 正常行进 1 40 ．0 2 73 30 ．0 3 8 61 2t 自卸汽车 空载 通过减速带1 60 ．0 8 32 50 ．3 8 1 7 1 2t 自卸汽车 空载 启动1 30 ．0 1 51 70 ．0 3 7 81 2t 自卸汽车 空载 刹车3 80 ．0 1 72 10 ．0 1 9 9 1 2 吨自卸汽车 满载 正常行进 3 30 ．0 2 23 10 ．0 4 9 1 01 2t 自卸汽车 满载 通过减速带2 3 0 ．0 2 72 80 ．0 8 5 l l1 2t 自卸汽车 满载 启动1 90 ．0 1 82 00 ．0 1 9 万方数据 1 4爆破2 0 1 2 年9 月 3 质点峰值振速等效化分析 3 ．1 基本条件 考虑该隧洞采用手风钻钻孔的常规钻爆方法开 挖，邻近建筑物为一般砖房及非抗震的砌块建筑物， 因此按爆破安全规程 G B 6 7 2 2 - - 2 0 0 3 有关安全允 许标准规定，爆破安全允许振速取[ V ] 2 。7c m ／s ，隧 洞钻爆的振动频率取5 0 8 0H z 。考虑到该部位建筑 物高度及类型，取建筑物阻尼比为0 ．0 5 ，自振频率为 5 ～1 0H z 。 3 ．2 等效化方法及分析 由式 8 的讨论可知，振速y 与位移咒的放大 系数是相同的。取行车振动主频为外界输入振动的 频率0 ，结构的自振频率∞取1 0H z ，结构的阻尼比亭 取0 ．0 5 ，按式 5 计算可得到表1 中各工况质点峰 值振动速度的放大系数／3 。取隧洞钻爆的振动频率 为外界输入振动的频率口，结构的自振频率∞取 l OH z ，结构的阻尼比亭取0 ．0 5 ，按式 5 计算可得 到在隧洞钻爆条件下，邻近建筑物为一般砖房及非 抗震的砌块建筑物的安全允许振速放大系数／3 毫。 经计算，／3 窑在0 ．0 0 3 9 ～0 ．0 4 1 7 区间内，取最不利组 合 爆破频率为5 0H z ，建筑物自振频率为1 0H z 厣蛊 0 ．0 4 1 7 。 基于能量法原理，爆破振动下建筑物的响应和 行车振动下建筑物的响应有等效性，可将行车振动 直接换算为等效的爆破振动并借助现行的爆破振动 安全标准来进行振动安全评定。定义换算系数风 为质点峰值振动速度的放大系数届与安全允许振速 放大系数口寄的比值，即 D 风 善 1 3 P 安 式中／3 摊为行车振速与等效爆破振速的换算系数；口 为质点峰值振动速度的放大系数；卢安为安全允许振 速放大系数。 将各行车工况质点峰值振速k 乘以换算系数 ／3 换可得到在相应爆破形式和建筑特性下的等效爆 破振速 ％ 卢换k 1 4 式中％为等效爆破振速；k 为实测各行车工况质 点峰值振速；厣换为行车振速与等效爆破振速的换算 系数。 各工况峰值质点振动速度的换算系数及等效振 速见表2 。 表2 行车质点振动速度的换算系数及等效振速 T a b l e2T h es c a l ef a c t o r sa n de q u i v a l e n tv a l u e so ft r a f f i cv i b r a t i o n 分析行车振动特性和等效化振动数据后，有如 下几点认识 1 从换算得到的等效振速与实测振速的对比 来看，由于多数工况下的行车振动频率在1 5 ～2 0H z ， 接近建 构 筑物固有频率，结构的放大效应十分明 显。行车振动与爆破振动在振幅相同的情况下，建 构 筑物对行车振动的响应更大，受安全影响的可能 性也更大。此外，行车振动持续时间较长，一般在4s 以上，造成建 构 筑物出现“塑性累积损伤”的可能 性大于爆破振动。 2 从等效振速上看，行车振动等效振速有随着 车辆重量的增加而递增的趋势。多数工况下，行车振 动等效振速小于爆破振动安全允许振速，不会对建 构 筑物造成破坏，如1 2t 自卸汽车 空载 通过减 速带实测竖直向质点峰值振速为0 ．3 8 1e m ／s ，经等效 换算后相当于爆破质点振速1 ．7 3 8c m ／s ，其大小与正 常隧洞钻爆开挖引起的爆破振动在同一量级。 下转第4 9 页 万方数据 第2 9 卷第3 期郭连军，董丰德，张大宁等大连石灰石新矿爆破优化试验研究 4 9 上接第1 4 页 3 、 经等效换算后，行车振动作用引起的建 构 筑物同值振动速度可以和同值的爆破振速比 较，作为爆破振动安全评估的旁据。 4 结语 1‘ 1 基于行车振动与爆破振动输入建 构 筑物 能量的等效性，推导了行车振速与爆破振速的换算 关系。等效爆破振速综合体现了质点峰值振速、频 率及结构本身动力特性对建 构 筑物响应大小的 影响。利用该方法将行车振速换算为等效爆破振速 后，可以参考爆破安全标准评价其对建 构 筑物的 影响。 2 针对实例工程的多数工况，换算后的行车 振速小于爆破安全允许振速，可认为其不会对建 构 筑物造成破坏。某些重型车辆在行进时引起 的振动较大，换算后的行车振速最大达到 1 ．7 3 8c m ／s ，与控制振速在同一量级内。在钻爆安 全设计过程中，一般也必须将可能造成的振动影响 控制在标准以内，并有较大的安全裕度。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] B A T AM ．E f f e c t so nb u i l d i n g so fv i b r a t i o nc a u s e db yt r a 岱c [ J ] ．B u i l d i n gS c i e n c e ，1 9 7 1 ，6 4 2 2 1 - 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