文摘
合并后的粒子速度峰值(PPV)和频率爆破震动安全判据爆破工程中被广泛使用。然而,一些现场调查是不符合这一标准。现场调查的基础上,发现有两种失效模式的结构受到爆破地震波,也就是说,first-excursion失败和累积塑性损伤。此外,爆破振动下结构反应的本质是一个过程的能量输入,转换和耗散。因此,能源双重安全标准提出了这项工作更全面解释所有失效模式的结构在爆炸振动。为此,结构简化为弹塑性单自由度双线性恢复力模型(应用)系统,应用系统和能量响应然后决定使用纽马克-β方法。从能量反应,最大瞬时输入能量和滞回能量选为双重安全标准的基础上,因为它们可以反映first-excursion失败和累积塑性损伤,分别。最后,在爆破现场调查网站在遵义,贵州,中国,是用来证明PPV-frequency相比标准提出能源双重安全标准是更有能力的评估爆破振动的破坏潜力。
1。介绍
板凳和爆炸中深孔爆破使用越来越多的在中国当前矿业,基础设施建设、城市和建筑拆除。爆破加快了施工进度,提高工作效率。然而,爆破的副作用(如地面振动,飞行岩石,噪音,等等)是不可避免的,应该允许水平最小化。在所有的不利影响,地面振动是一个典型的问题,吸引了大量的研究工作。
基于大量的实地调查,从blast-induced结构响应和损伤的早期研究地面振动专注于建立经验允许地面振动水平而言,要么粒子速度峰值(PPV) [1- - - - - -4PPV]或连同本金地面振动频率(所谓的PPV-frequency准则)限制结构损伤(5,6]。当这两个条件可以很容易地实现,他们采取了许多国家的国家标准(7]。例如,PPV-frequency标准推荐的最新国家标准(gb6722 - 2003) [8]。因此,在研究blast-induced地面振动,仍对PPV精确地预测在不同情况下(9- - - - - -11),并提出更准确的PPV-frequency标准为特定类别的建筑(7]。然而,在这一标准波形的形状,动态加载的时间,不考虑结构的动态响应。因此PPV-frequency标准仍局限在控制允许的地面震动。因为能源能够代表合成振幅,频率和持续时间的blast-induced地面振动,提出了能源失效标准评估损害建筑物遭受爆炸振动。例如,“提出的等效能量等。12),反应能量Guosheng et al。13),相当于峰值能量由Li et al。14),最大瞬时输入能量Zhang et al。15),总输入能量王et al。16),分别提出作为建筑物的失效准则。这些作品更全面反映建筑物的破坏过程受到爆炸振动。应该牢记,爆破振动下结构反应的本质是一个过程的能量输入,转换和耗散。结构响应不仅取决于输入爆破地震波,还有结构的参数,如自然周期、阻尼比、屈服强度的因素,和刚度换算系数(17,18]。因此,失效标准的准确性是简单的加性加权能量基于不同的频段或不同的固有模态函数(IMF)组件的爆破地震波仍质疑。
从能量的角度分析弹塑性结构,能量不断从地震波转移到结构的自然地震。比例的能量存储可恢复动能和弹性应变能,其余由阻尼和滞回能量消散的塑性变形。结构阻尼比的变化在一个小范围内,滞后能源被认为是最重要的能源结构的累积塑性损伤指数(19,20.]。以此类推,滞回能量也可以用来表示结构的累积损伤受爆破振动。研究速度脉冲地震(21,22]表明,最大瞬时输入能量(MIIE)转移到结构发生在速度脉冲的位置,很可能导致结构的最大位移和first-excursion失败。研究人员(23- - - - - -25)表明,MIIE密切相关结构的最大位移,因此MIIE可以表明first-excursion结构在地震下的失败。
有两个主要类型的结构失效在爆炸振动,即first-excursion失败和累积塑料。这两个失败的结果从爆破振动的特点和结构的动态响应(15,16]。MIIE未能显示地面震动的持续时间的累积效应的非线性塑性变形结构(25),和滞回能量几乎反映了first-excursion失败pulse-like地面运动引起的结构(26,27]。因此,双重失败(或安全)标准是经常使用在地震工程抗震设计(28,29日]。爆破振动的调查表明,结构的失效机制受到爆炸振动和天然地震是相似的(14,15,30.]。在这篇文章中,因此,双重安全标准提出了更全面评估结构的损伤可能在爆炸振动。为此,(1)建筑物受爆破振动简化为弹塑性单自由度双线性滞回恢复力(应用)系统,和相应的结构能量反应分析使用纽马克-β方法;(2)MIIE和滞后能源提出了双重安全标准结构,因为他们反映first-excursion失败和累积塑料,分别。
2。滞后的能源结构
2.1。滞回能量的概念
在应用系统中,一个单位质量结构的相对能量方程是 在哪里,,是相对加速度、速度和位移之间的结构和地面,分别;恢复力;阻尼系数;在应用的质量块;是地面加速度引起的爆炸振动。假设一个双线性滞回恢复力模型和划分质量在双方的1),(1)成为 在哪里结构阻尼比,通常假定为常数;阻尼结构的固有频率和吗是无阻尼固有频率;当;的刚度比双线性滞回恢复力模型,在弹性阶段,塑性阶段的是初始弹性刚度和是屈服后刚度。
方程(1 b或者表示为 在哪里结构的动能;结构的阻尼耗能;变形能量,即滞回能量的总和和弹性应变能,弹性系统;是系统的总输入能量。研究[20.显示的比例在一个弹塑性结构的变形能量太小可以忽略,因此可以表示变形能量。
2.2。恢复力模型的结构
恢复力是结构抵抗变形。恢复力之间的关系曲线和循环荷载下结构的非线性变形称为恢复力特性曲线。为了方便起见,许多研究人员简化和抽象的恢复力特性曲线,提出实际如双线性恢复力模型,三线的,semidegenerate模型。研究人员发现,恢复力模型有什么影响(31日]或[的影响可以忽略不计。32在滞回能量。因此,双线性恢复力模型,这是最简单和最广泛使用的弹塑性动态分析,选择在这个研究滞后的能量反应结构在爆炸振动,如图1。
图1显示了双线性恢复力模型,对称的信封,加载、卸载和重新加载规则在正面和负面的分支。注意,双线性模型遵循运动硬化规则。根据变形历史模型分为五个州:(1)在初始弹性状态(即。沿着线)当刚度是。(2)积极的塑性状态(即。、线)当,刚度降低,这样的,在那里是屈服后刚度换算系数。(3)在扭转弹性的路径中当和,决定在。在这种状态下,刚度。当,结构达到积极的塑性状态的刚度。(4)负塑性状态(即。、路径)当刚度是。(5)积极弹性路径当,相应的刚度。当,结构达到负塑性状态的刚度。
2.3。计算滞回能量
在研究获得弹塑性结构的能量反应,有人建议,当参数,纽马克-β解决方法是无条件稳定的增量运动方程(加工)与正负刚度20.,26- - - - - -28,32]。因此,该数值方法,给出数量和增量的加工 在哪里,,加速度、速度和位移在前面的时间步,分别。
上面的算法后,选择露天矿山的实测数据为例,证明结构的能量反应受到爆炸振动。图2显示的是测量爆破振动速度信号采样频率为2000赫兹。受影响的结构被认为是一个单位质量弹塑性应用系统的阻尼比和一个自然的时期年代。双线性恢复力模型的屈服强度系数是0.3(等于的比率)和屈服后刚度换算系数(即,)是0.02。此后,按照(1 b),增量的数量(3)集成一步一步获得的总输入能量,动能,变形的能量和阻尼耗能应用系统。这些能量的时间记录在图所示3。此外,历史的百分比,,总输入能量如图4。
从数据3和4,以下可以发现:(1)反应的输入能量,能量衰减,滞后的能源结构逐步积累的过程。这三种能量都随着时间的增加,达到最大值的爆炸振动。(2)弹塑性的能源应用结构在爆炸振动由输入能量,动能,变形能量,阻尼能量。与振动持续时间的增加,动能和弹性应变能的变形能进行相互转换,最终趋向于0。在爆破振动的结束,所有的输入能量消散的滞回能量塑料变形和阻尼能量。(3)爆破振动持续时间的增加,滞回能量的百分比和阻尼能量总输入能量趋于稳定,在70%和30%,分别如图4。滞回能量占主导地位的硬化阶段的能量耗散结构非线性反应,可用于评估结构在爆破振动的累积塑性破坏。
3所示。最大瞬时输入能量的结构
3.1。瞬时输入能量的定义
输入能量之间的两个相邻零速点结构能量反应定义为瞬时输入能量,。由于两个相邻点之间的零速,增加的动能为空,因此(1 b)可以写成 在时间间隔所需的时间在半周期结构振动和不是一个恒定值,由于非平稳的随机爆破地震波的特征。能量方程可以表达的(5)根据(2);也就是说,
好MIIE之间的相关性被发现和最大振动位移的结构在短时间内(32- - - - - -34]。由于爆破地震波的主要频率高于天然地震、结构对爆破地震波的反应主要发生在短时间范围内(35,36]。因此,结构弹塑性反应的MIIE本文通过使用双线性恢复力模型能够准确地表明first-excursion结构受到爆破地震波的失败。
3.2。计算瞬时输入能量
根据瞬时输入能量的定义(IIE),时间点的选择零速速度如图的历史2。不同的输入能量在每个选定的两个相邻点之间的时间间隔计算建立国际教育协会的历史的时候,如图5。在图的最大价值5MIIE。
图5表明MIIE影响结构在很短的时间,不到1.5秒。然而,由于阻尼耗散能量的输入是一个积累的过程(从0到4),如图3。IIE太大,因此,如果一个结构在短时间内可能会失败,由于大变形,激发前阻尼。因此,第一次失败引起的结构下MIIE爆破地震波中发挥着重要作用的情况下一个小的距离爆炸中心。根据定义和计算MIIE MIIE主要受到PPV和爆破地震波的主要频率以及自然的结构。然而,爆破地震波的持续时间对MIIE没有影响。因此,MIIE不能反映爆破地震波对结构的累积效应失败。
以上分析后,MIIE可以反映first-excursion爆破地震波下结构的失败,和滞回能量累积塑性损伤结构的一个重要指标。因此,MIIE和滞后能源提出了双重结构受爆破振动安全判据。
4所示。动态参数的结构
主要结构参数影响MIIE和滞回能量的自然周期和阻尼比结构。阻尼比率通常假定为常数在结构动态分析、典型建筑结构范围在0.02 ~ 0.05。阻尼比为0.05被用于分析爆破地震波下结构反应(13,15,16,35),所以本文中的阻尼比也认为是0.05在评估潜在的损害引起的爆炸振动。有两种方法来确定结构的自然周期,即理论计算和经验公式,后者是首选在工程应用中(13]。大多数建筑分析了砌体结构。推导的基础上统一的悬臂梁和多层砌体结构的动态特性的测量13),砌体结构的自然周期密切相关,它的高度。在通用领域,自然周期的估计 在哪里是一个结构的高度。
5。能源安全评价方法的应用
5.1。实验的细节
提出能源双重安全标准使用在一系列的爆炸。板凳上开挖高程是8米。钻井设备包括351潜孔钻和液压钻机。有三个孔直径90毫米,115毫米和140毫米。Quincuncial孔布置和塑料导爆管。十几期雷管是用毫秒延迟每一洞,三雷管使用毫秒延迟每2 - 3孔,和五期中雷管用于行之间的毫秒的延迟。两种类型的炸药被利用,包括混装铵油和混装乳化炸药。每次总电荷量不大于12000公斤,每延迟和最大电荷量约为160公斤。
建筑环境的爆破区域如图6。可以看出,住宅是广泛分布在爆破区。这些建筑通常是两层砌体结构这个世纪初建造的。这些建筑物的楼层构造基本上是没有连接的预制面板环梁。因此,全球的这些建筑抗震性能很差。一些在爆破区住宅不受土地征用计划,因此爆破施工期间仍在使用。因此,它是必要的评估和控制爆破振动的影响在这些住宅建筑。
在爆破过程中,许多调查进行评估可能的爆炸振动损坏造成的住宅。证明提出的双重安全标准基于MIIE和滞回能量优于PPV-frequency标准,测量数据的基础选择20个住宅示范。的基本参数和爆破前的条件这20个住宅在表1。从测量结果中提取的主要参数列在表中2。这些结果讨论上述两个标准。
5.2。分析基于PPV-Frequency安全标准
最新的国家爆破安全条例(gb6722 - 2003)早在2003年就颁布[8]。《条例》采用了PPV-frequency安全标准(如表所示3)来评估潜在的损害建筑物遭受爆炸振动。
爆破地震波的主要频率范围在10 - 50 Hz的测量分1 #、4 #、13 #、15 #(见表2),如砖混结构建筑被测试,所有的测试。根据表3,最大允许PPV 2.8厘米/秒。所有这四个点测量速度超过2.8厘米/秒(见表2)。爆破后,没有发现损坏在住宅和D对应测点1 #和4 #,分别。建筑M和O在测量分13 #、15 #靠近爆破区和爆破之前已经被抛弃了。爆破后,发现在建立M,大面积的抹灰层剥落,“X”形裂缝形成的窗台、门廊和许多裂缝发生在墙壁和地板。在构建O爆破后,它被观察到,抹灰层剥落,裂缝出现在墙上,水平裂缝发生在一个楼梯。爆炸地震波的主要频率测点10 # 9.519赫兹,PPV和最大允许是根据表2.5厘米/秒3。然而,PPV测量是2.7厘米/秒,没有发现损坏在相应的居住建筑J测点10 #。
所有其他的ppv测量分低于相应的最大允许ppv。然而,在测点16 #建筑P,中层漆剥落和裂纹出现在窗台;在建立Q点17 #,原来小裂缝扩大;在建筑年代点19 #,中层漆剥落,原来微小的裂缝扩大,新的“X”形裂缝在门口了。
总之,20国15岁就测量了ppv建筑低于最大许用值,而没有发现损伤12建筑。尽管在其他5建筑测量ppv超过容许值,只有2人受损。14的结果可以解释的建筑安全等级标准如表所示3,这表明爆破振动的安全级别标准基于大量调查可以提供有价值的建议。然而,研究结果从另6建筑在当前国家安全标准水平。这些差异被归结为(1)当前的事实标准只考虑PPV和爆破地震波的主频率,不占爆破地震波的持续时间和相关的结构响应和(2)的当前标准允许减少容许PPV老,原来受损的建筑物,但没有明确量化的减少。
5.3。分析使用能源安全评价方法
比较与分析PPV-frequency安全标准的基础上,从20建筑也分析测量数据使用提出了双重安全标准基于MIIE和滞回能量。因为所有的如砖混结构住宅建筑,它们的自然振动周期获得的(6)。此外,它是假定,所有20建筑,阻尼比率是0.05,双线性恢复力模型的屈服强度系数为0.3,和屈服后刚度折减系数为0.02。下面所示的程序部分2和3MIIE和滞回能量的20个结构在爆破地震波,计算如表所示4。
MIIE主要相关爆破地震波的PPV和主导频率和振实的自然周期结构但无法反映爆破震动的持续时间的负面影响。相比之下,滞回能量可以占振动持续时间的影响。例如,表4表明MIIEs测量点13 #、15 # 220.25 J和215.11,分别远高于那些在其他点。然而,滞回能量点13 #、15 # 2987.19 J和2853.33,分别小于点16 # (3022.22 J)。最大MIIEs测量点16 #、17 #、19 # 155.54 J, 113.17 J,和103.22 J,分别和相应的滞回能量3022.22 J, 2930.09 J,分别和2853.87 J。除了上述5点,MIIEs和滞回能量低于所有其他点200 J和3000年,分别。此外,没有发现损坏的建筑在这些15分。爆破前,一些微小的裂缝已经发生在住宅的墙壁Q和S测量点17 #、19 #,分别和其他18建筑完好无损,如表所示1。因此认为,(1)MIIE超过200 J导致first-excursion失败如砖混结构的完整的住宅,如建筑M和O测量点13 #、15 #,分别;滞回能量超过3000 J导致累积塑性损伤,如建立P点16 #;(2)MIIE的阈值和住宅的滞回能量原来微小的裂缝,分别低于完整的住宅。在该测试中,滞回能量点17 #、19 #更接近阈值的累积整形失败的完整的建筑。因此,损害中找到这两个建筑可以初步认为是累积塑料失败。
总之,双重安全标准基于MIIE和滞回能量考虑爆破振动的特点和相关的结构响应。因此,该标准可以解释现象,符合当前PPV-frequency标准和安全标准比当前更全面的标准。
6。结论
因为PPV-frequency安全级别标准不考虑形状和爆破地震波的持续时间以及相应的结构动态响应的标准是有限的能力来评估潜在的结构受到损害blast-induced地面振动。为了解决这些不足,本文以下步骤。(1)结构简化为弹塑性双线性恢复力模型的应用系统。应用系统的能量反应受到爆炸震动然后决定使用纽马克-β方法。那些能量反应更全面展示爆破地震波的影响和相关的结构响应对结构所受的损害。(2)双重安全标准提出了基于MIIE和滞回能量来解释损伤结构在爆炸振动。注意,损毁一些结构与当前PPV-frequency标准不一致,但可以理解使用该标准。
MIIE影响结构很短的时间,在此期间阻尼不兴奋。因此,MIIE first-excursion结构性失败原因。MIIE主要受到PPV和爆破地震波的主要频率以及结构的自然周期,但不能反映累积爆破地震波对结构破坏的影响。相比之下,滞回能量累积塑性损伤结构的一个重要指标。通常情况下,结构与长时间受到爆破地震波通过累积塑性损伤更容易失败。本文中给出的案例研究表明,该双安全标准基于MIIE和滞回能量可以更全面、合理的解释从现场调查结果。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是支持的拨款从贵州科技计划项目(没有。SY2010365),关键工业研究项目由贵州省科学技术部门支持(没有。(2013)3013),贵州省优秀青年科技人才培训计划资助项目(没有。(2013)30)和中国国家自然科学基金(41301009和41301009号),国际合作项目中国科技部(批准号2013 dfa21720),国家科技支撑计划“十二五”规划期间(批准号2011 bak12b01)。这些赠款是感激地承认。