廢車(chē)、減震溝及沙袋緩沖對(duì)塌落振動(dòng)減振效果對(duì)比研究

牛華偉，朱 洋，陳政清，曾炯坤,2，張繼峰,3

(1. 湖南大學(xué)風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙，410082；2. 廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東 廣州，510062；3. 佛山市鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 佛山，528000)

在實(shí)施爆破拆除工程時(shí)，高聳建筑物塌落觸地振動(dòng)往往相較于爆破振動(dòng)所引起的動(dòng)力響應(yīng)更加顯著，且其振動(dòng)頻率更接近一般結(jié)構(gòu)物的自振頻率[1]，危害較大，因此該類(lèi)振動(dòng)的控制問(wèn)題一直受到眾多研究者的關(guān)注。常用的塌落觸地振動(dòng)控制方法主要通過(guò)控制震源或地震波的傳播途徑[2]，其中震源控制采用分段折疊爆破技術(shù)，微差爆破以減小建筑物倒塌觸地的總能，同時(shí)鋪設(shè)緩沖物改變倒塌建筑物與觸地點(diǎn)地層間的動(dòng)力響應(yīng)，從而減小觸地振動(dòng)強(qiáng)度；控制地震波的傳播途徑大多借助開(kāi)挖減震溝[3]，相應(yīng)減振機(jī)理為，當(dāng)建筑物塌落觸地所產(chǎn)生的地震波到達(dá)減震溝主體時(shí)，由于空氣的聲阻抗與土體的波阻抗相比幾乎可以忽略不計(jì)[4]，地震波能量接近完全反射，其余傳播到減震溝底的地震波則會(huì)在減震溝處繞行，如此一來(lái)，可大大降低減震溝外的地震波能量，從而減小地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)。張志毅等[5]對(duì)常用爆破振動(dòng)控制方法進(jìn)行了總結(jié)；梁開(kāi)水等[6]通過(guò)數(shù)值模擬研究了不同長(zhǎng)度、寬度及深度的減震溝減震效果；郭濤等[7]利用ANSYS/LS-DYNA計(jì)算軟件模擬研究了不同位置條件下減震溝的減震效應(yīng)；侯舜等[8]的研究表明，當(dāng)減震溝內(nèi)充滿(mǎn)水時(shí)，會(huì)降低減震溝的減振效果。孫崔源等[9]進(jìn)行了爆破振動(dòng)試驗(yàn)，研究了改變爆源、加減震孔等多種措施的減振效果，所得減振率最高可達(dá)到25.6%；藍(lán)鵬等[10]通過(guò)落錘沖擊試驗(yàn)研究了不同尺寸減震溝的減振效果，利用回歸分析得到減震溝作用下塌落沖擊地震波傳播規(guī)律。當(dāng)前，爆破拆除工程領(lǐng)域中的減振研究多集中在減震溝減震，而針對(duì)其它減振措施如利用緩沖墊層等的報(bào)道較少。

對(duì)處于建筑物及交通密集地帶的城市建筑進(jìn)行爆破拆除時(shí)，往往因空間不足，無(wú)法開(kāi)挖減震溝。而分段折疊爆破技術(shù)主要應(yīng)用于高聳結(jié)構(gòu)如煙囪、冷卻塔等，對(duì)于普通高層建筑結(jié)構(gòu)、體育館、工業(yè)廠房等并不適用。因此尋找新型有效的塌落振動(dòng)減振措施是爆破領(lǐng)域中亟待解決的問(wèn)題，相應(yīng)的模型試驗(yàn)研究也必不可少?；诖?，本文利用ANSYS/LS-DYNA建立起有、無(wú)減震溝條件下的塌落物沖擊地面模型模擬塌落振動(dòng)過(guò)程，并以廢舊機(jī)動(dòng)車(chē)、沙袋等為緩沖墊層進(jìn)行塌落沖擊試驗(yàn)，通過(guò)比較分析模擬與試驗(yàn)結(jié)果，研究了廢舊機(jī)動(dòng)車(chē)及其它緩沖物的減振效果，以期為相關(guān)工程實(shí)踐合理選擇減振措施提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型的建立

利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立塌落物與地面沖擊模型來(lái)研究塌落振動(dòng)地震波的傳播規(guī)律，基準(zhǔn)模型見(jiàn)圖1?？紤]到實(shí)際地形，場(chǎng)地土體整體尺寸為5 m×15 m×30 m，兩側(cè)土體厚度均為3 m，分別高出地面5 m和10 m，網(wǎng)格尺寸為0.2 m×0.2 m；落錘尺寸為0.66 m×1 m×3.5 m，每個(gè)邊長(zhǎng)平分3段，共分為27個(gè)單元，落錘重約6噸，模型中采用Solid164單元模擬土體與落錘。土體組元采用LS-DYNA軟件自帶材料模型*MAT_DRUCKER_PRAGER。落錘組元相較于土體剛性較大，不會(huì)產(chǎn)生較大變形及發(fā)生破壞，因此建模時(shí)將其視為彈性體，材料為*MAT_ELASTIC。土體與落錘的具體材料參數(shù)分別見(jiàn)表1及表2。將土體的側(cè)面及地面設(shè)置為無(wú)反射邊界*BOUNDRY_NON_REFLECTING，頂面為自由邊界，用來(lái)模擬半無(wú)限體。落錘擬從6 m高度處自由下墜，為了節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，用*INITIAL_VELOCITY設(shè)置初始下墜速度為10.38 m/s，在0.5m高度處下墜。模擬結(jié)果中均對(duì)響應(yīng)峰值進(jìn)行研究，分析終止時(shí)間設(shè)置為0.5 s。

圖1 基準(zhǔn)模型

表1 土體材料參數(shù)

Table 1 Soil mass material parameters

參數(shù)密度/g·cm-3剪切模量/MPa泊松比黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)土體1.8160.252326

表2 落錘材料參數(shù)

進(jìn)一步在基準(zhǔn)模型上增加減震溝構(gòu)造。因減震溝深度相較于其長(zhǎng)度及寬度對(duì)減振效果影響更明顯[11]，經(jīng)多次計(jì)算，最終確定具有減震溝的有限元模型如圖2所示，圖2中，以落錘工作區(qū)中心為原點(diǎn)，L為原點(diǎn)到減震溝內(nèi)側(cè)沿z方向的水平距離(1.5 m)，S為原點(diǎn)到任一地面質(zhì)點(diǎn)沿z方向的水平距離。減震溝的具體尺寸與位置見(jiàn)表3。

圖2 帶減震溝有限元模型

表3 減震溝尺寸及位置

1.2 模擬結(jié)果與分析

無(wú)減震溝時(shí)地面質(zhì)點(diǎn)分別沿水平徑向(z)、水平切向(x)及豎向(y)相應(yīng)的振速峰值Vz、Vx、Vy隨S的衰減曲線如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，無(wú)減震溝時(shí)地面質(zhì)點(diǎn)水平徑向振速Vz峰值響應(yīng)最大，豎向振速Vy峰值次之，水平切向振速Vx峰值響應(yīng)最小，因此取其水平徑向振速Vz為分析對(duì)象。

圖3 振速峰值分布

有、無(wú)減震溝條件下地面質(zhì)點(diǎn)的水平徑向振速峰值Vz隨S的衰減曲線如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，當(dāng)S小于L時(shí)，在有減震溝條件下地面質(zhì)點(diǎn)的Vz值較無(wú)減震溝時(shí)稍大，這是因?yàn)榈卣鸩ń?jīng)過(guò)減震溝截面時(shí)發(fā)生反射與原地震波產(chǎn)生干涉疊加使振動(dòng)響應(yīng)放大[10]；當(dāng)S大于L時(shí)，減震溝減振效果隨著S的減小先提升后降低，當(dāng)S為2.0 m時(shí)相應(yīng)的減振率最高，地面質(zhì)點(diǎn)的Vz值從32.29 cm/s降至6.51 cm/s，降幅達(dá)到79.8%?？傮w而言，模擬所得減振率與文獻(xiàn)[8]所報(bào)道的結(jié)果接近，表明開(kāi)挖較長(zhǎng)、較深并且離震源較近的減震溝減振效果較好，但如果實(shí)際中每次進(jìn)行爆破拆除時(shí)都開(kāi)挖此類(lèi)減震溝，工程量較大且成本偏高。

圖4 有減震溝與無(wú)減震溝時(shí)Vz峰值分布

Fig.4 Distribution ofVzpeak values with/without damping ditch

2 塌落沖擊試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)過(guò)程

分別以廢棄機(jī)動(dòng)車(chē)、沙袋作為緩沖墊層或直接沖擊地面，按5組不同工況進(jìn)行塌落物觸地試驗(yàn)，具體試驗(yàn)工況見(jiàn)表4。選用與數(shù)值模擬中的落錘重量相同的混凝土梁作為塌落物，借助吊車(chē)將其吊至距地面6 m高處后自由釋放，直接沖擊地面或不同類(lèi)型的緩沖墊層，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。為了使車(chē)輛大梁充分受力變形以耗散能量，在試驗(yàn)中將所有廢棄車(chē)輛內(nèi)部填充帶有鋼骨架的廢棄座椅以及部分廢棄鋼構(gòu)件，另外用鐵絲將車(chē)門(mén)固定鎖死防止爆開(kāi)。

表4 試驗(yàn)工況

(a)工況1 (b)工況2 (c)工況3 (d)工況4 (e)工況5

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

Fig.5 Test site photos

在試驗(yàn)場(chǎng)中布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)用來(lái)測(cè)量地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)分量，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均使用3個(gè)拾振器。測(cè)點(diǎn)a到落錘工作區(qū)邊緣水平距離為640 cm，偏移中心線220 cm，測(cè)量豎向加速度、水平切向加速度及豎向速度等振動(dòng)響應(yīng)分量；測(cè)點(diǎn)b到落錘工作區(qū)邊緣水平距離為540 cm，偏移中心線120 cm，測(cè)量豎向加速度、水平徑向加速度及豎向速度等振動(dòng)響應(yīng)分量，具體布置如圖6 所示，水平切向?yàn)閤軸方向，豎直方向(垂直紙面向外)為y軸方向，水平徑向?yàn)閦軸方向。

圖6 測(cè)點(diǎn)位置圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2個(gè)測(cè)點(diǎn)共獲得6個(gè)振動(dòng)響應(yīng)分量，均完整記錄了地表振動(dòng)響應(yīng)，其中各工況下測(cè)點(diǎn)b記錄的豎向振速Vy時(shí)程曲線如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，在工況2、3、4以廢棄機(jī)動(dòng)車(chē)為緩沖墊層條件下測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為0.3 s左右，而在工況1和5條件下相應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)僅有0.2 s左右。不過(guò)以廢棄機(jī)動(dòng)車(chē)作為緩沖物時(shí)，振動(dòng)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)雖略有增加，但振動(dòng)峰值卻顯著降低。

(a)工況1

(b)工況2

(c)工況3

(d)工況4

(e)工況5

Fig.7 Attenuation curves of vertical vibration velocity peak values at measurement point b

表5所示為5種工況條件下，測(cè)點(diǎn)所測(cè)振動(dòng)響應(yīng)分量及對(duì)應(yīng)振動(dòng)頻率。從表5中可以看出，在工況1無(wú)緩沖物條件下，測(cè)點(diǎn)b及a振動(dòng)響應(yīng)分量監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，隨著測(cè)點(diǎn)到落錘工作區(qū)邊緣水平距離的增加，測(cè)點(diǎn)豎向速度及加速度峰值均有所減小；在所測(cè)振動(dòng)響應(yīng)分量中，測(cè)點(diǎn)b處的水平徑向加速度峰值最大，該處的豎向加速度峰值次之，測(cè)點(diǎn)a處豎向速度峰值最小。在其余4種有緩沖物的工況條件下，2個(gè)測(cè)點(diǎn)所測(cè)振動(dòng)響應(yīng)分量峰值相比工況1時(shí)的相應(yīng)值均有明顯下降，但部分分量對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率改變不大。除振速外，振動(dòng)頻率也是影響建筑物安全的重要因素，測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，所有工況條件下，振動(dòng)加速度豎向分量的平均頻率高于其水平振動(dòng)分量相應(yīng)值，各振動(dòng)分量頻率介于10～40 Hz之間，接近一般建筑物的主振頻率及低階頻率。

表5 地表振動(dòng)響應(yīng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

3 數(shù)值模擬與沖擊試驗(yàn)綜合分析

表6所示為對(duì)應(yīng)塌落沖擊試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)b處振動(dòng)響應(yīng)分量的數(shù)值模擬結(jié)果。比較表5中工況1條件下測(cè)點(diǎn)b處的監(jiān)測(cè)結(jié)果與表6中無(wú)減震溝條件下相應(yīng)分量的模擬值可知，模擬值與實(shí)測(cè)結(jié)果數(shù)值接近，表明計(jì)算模型較好地反映了實(shí)際塌落物觸地振動(dòng)過(guò)程，模擬結(jié)果準(zhǔn)確度較高。從表6還可看出，相比無(wú)減震溝狀態(tài)，有減震溝的模型模擬結(jié)果中，振動(dòng)加速度分量平均下降了80%左右，各速度分量也降幅明顯，尤其二者均以各自水平徑向的分量減振效果為最佳。

表6 振動(dòng)分量數(shù)值模擬

根據(jù)測(cè)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)有緩沖層工況條件下各振動(dòng)分量數(shù)值相比無(wú)緩沖層(工況1)時(shí)相應(yīng)值的變化，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的減振率列于表7。由表7結(jié)合表6模擬計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，在采用廢棄機(jī)動(dòng)車(chē)作為緩沖層的3種工況條件下，減振效果整體優(yōu)于減震溝，且在同一工況下，距離震源更近的測(cè)點(diǎn)b較測(cè)點(diǎn)a各振動(dòng)分量的減振率更高，尤其以微型面包車(chē)作為緩沖物時(shí)減振效果最好，能將測(cè)點(diǎn)b的豎向振動(dòng)速度由無(wú)緩沖層時(shí)的5.608 cm/s降至0.124 cm/s，降幅高達(dá)97.8%，該處其它振動(dòng)分量減振率也均在96%以上，且該工況下各振動(dòng)響應(yīng)分量?jī)H為工況2及工況4相應(yīng)值的50%左右；采用沙袋作為緩沖層時(shí)減振效果一般，各振動(dòng)分量減振率最高僅為51.2%，減振效果不如減震溝。綜合分析表明，采用廢車(chē)作為緩沖層減振效果顯著，這是因?yàn)楫?dāng)重物沖擊廢車(chē)時(shí)，車(chē)身骨架及大梁發(fā)生塑性變形充分吸收能量，并將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為緩沖物的應(yīng)變能，大大減小傳遞到地面的能量，從而達(dá)到良好的減振效果。工況3中微型面包車(chē)車(chē)身及輪轂產(chǎn)生的塑性變形最為明顯，因此其減振效果也最好。此外，廢車(chē)作為緩沖層使用后可再次回收，能大大降低工程成本。不過(guò)實(shí)際工程相比試驗(yàn)環(huán)境，往往塌落物總能量更大，所需廢車(chē)量更多，通過(guò)數(shù)值模擬估算塌落體勢(shì)能即可粗略估計(jì)出廢車(chē)數(shù)量，但試驗(yàn)中廢車(chē)尚有耗能余地，廢車(chē)車(chē)型也復(fù)雜多樣，因此還需更深入研究。

表7 不同工況下振動(dòng)分量的減振率(%)

4 結(jié)論

(1)落錘沖擊數(shù)值模擬與塌落沖擊試驗(yàn)動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律較一致。

(2)減震溝、廢車(chē)及沙袋緩沖等措施均能在一定程度上降低地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)峰值。無(wú)緩沖條件下，地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)豎向分量峰值隨著測(cè)點(diǎn)到落錘工作區(qū)邊緣水平距離的增加而逐漸衰減。相比無(wú)緩沖工況，采用廢車(chē)作為緩沖層時(shí)，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間雖稍有增加，但振動(dòng)峰值顯著減小。所有工況下，振動(dòng)加速度豎向分量的平均振動(dòng)頻率高于其水平分量相應(yīng)值，采用廢車(chē)及沙袋緩沖對(duì)地面質(zhì)點(diǎn)部分振動(dòng)分量頻率影響不大。

(3)綜合分析表明，對(duì)塌落振動(dòng)的減振效果以廢棄機(jī)動(dòng)車(chē)尤其微型面包車(chē)為緩沖層時(shí)為最佳，減震溝次之，沙袋緩沖最差。