一种砌体结构的爆破地震效应损伤状态评估方法与流程

本发明属于爆破灾害预测与控制技术领域，尤其涉及一种砌体结构的爆破地震效应损伤状态评估方法。

背景技术：

在爆破技术广泛应用的同时，工程爆破所诱发的一系列危害效应尤其是作为爆破危害之首的爆破地震效应问题，受到普遍的关注和重视。当爆破地震效应达到一定强度时，会引起爆区(及附近)建筑物涂料脱落，门窗玻璃破裂，墙体开裂，严重时还可能造成建筑物倒塌损坏。砌体结构房屋的材料和连接方式决定了其延性较差，变形能力较小，房屋的抗震性能较差。相比其它建筑物，爆破施工过程中砌体结构房屋的爆破地震效应损伤更为突出。

现阶段研究和评价建筑结构爆破地震效应较常用的方法有：(1)现场监测爆区建筑物所在地基础处质点的振动数据，然后对照爆破振动安全允许标准来评估爆破地震效应的安全状态；(2)将爆区建筑物简化为多质点弹性体系，采用步步积分方法计算爆破地震作用下的结构反应；(3)借助动力有限元软件建立建筑结构的三维有限元实体模型，模拟和求解各阶段结构体系的动力反应。方法(1)没有考虑受控建筑物本身固有特性对爆破地震效应的影响作用，因而评价误差大；采用方法(2)和(3)时需输入一系列受控建筑物的特性参数建立结构的理论模型或有限元模型并加载特定峰值和主频的典型爆破地震波信号，理论性强，计算工作量大，所选取的典型爆破地震波信号并不能反映爆区地形地质条件的非线性特征，可行性和可操作性较差。因此，如何评估和控制爆区建筑物尤其是抗震性能较差的砌体结构的爆破地震效应损坏状态，是爆破灾害预测与控制技术领域亟待解决的技术问题之一。

技术实现要素：

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种既能同时反映建筑物固有特性和爆区地形地质条件的非线性特征，同时可行性和可操作性强的砌体结构的爆破地震效应损伤状态评估方法。

为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：

一种砌体结构的爆破地震效应损伤状态评估方法，包括如下步骤：

步骤一：在爆破工程现场进行单孔爆破试验，各单孔爆破试验药量记为qi，i为爆破试验次序编号，i＝1、2，…n，n≥3，采集单孔爆破试验对应的爆破振动速度信号,各信号幅值记为Pi；

步骤二：计算单孔爆破试验归一化的药量与脉冲幅值；

步骤三：根据步骤二确定的单孔爆破试验归一化的药量与脉冲幅值，确定改进的Anderson爆破振动预测信号U(t)；

步骤四：估算受控砌体结构的基本频率，求解结构在爆破振动预测信号U(t)作用下的速度响应；

采用以下公式估算多层砌体结构的基本周期：

式中，H为砌体结构房屋的高度(m)；

则多层砌体结构的基本角频率为：

步骤五：采用时程分析法计算砌体结构在爆破振动预测信号U(t)作用下的爆破地震速度效应，并记录效应幅值Vmax；

则该爆破地震效应对应的砌体结构层间位移角限值θe为：

式中，h为楼层层高；

步骤六：根据步骤五得到的层间位移角限值θe评价砌体结构的爆破地震效应损伤状态；其中，

当时，该受控砌体结构对应的爆破地震效应损伤状态为：损伤程度为完好，性能水平为无裂缝，结构状态为无需修复；

当时，该受控砌体结构对应的爆破地震效应损伤状态为：损伤程度为轻度，性能水平为开裂，结构状态为简单修复；

当时，该受控砌体结构对应的爆破地震效应损伤状态为：损伤程度为中等，性能水平为基本完好，结构状态为可以修复；

当时，该受控砌体结构对应的爆破地震效应损伤状态为：损伤程度为严重，性能水平为严重破坏，结构状态为无需修复；

当时，该受控砌体结构对应的爆破地震效应损伤状态为：损伤程度为倒塌，性能水平为倒塌破坏，结构状态为失效。

进一步的，步骤二的具体过程为；

任选n次单孔爆破试验中的一次试验所采集的爆破振动信号作为预测爆破地震效应的单孔爆破振动信号，假设所选取的单孔爆破药量为q1，对应的爆破振动信号记为Us,则第i次单孔爆破归一化的药量可表示为：

Xi＝qi/q1 (1)

第i次单孔爆破的脉冲函数幅值可表示为：

Yi＝Pi/P1 (2)

进一步的，步骤三的具体过程如下：

拟合n次单孔爆破试验中脉冲幅值Y与归一化的药量X之间的关系，即根据已知n次单孔爆破的脉冲函数幅值构建任意药量单孔爆破脉冲函数幅值的函数关系，采用多项式形式的目标函数，即:

式中，bj为多项式系数，X＝qi/q1；

根据式(3)构建多孔爆破中第i个炮孔的脉冲函数幅值Y'：

式中，q′i为多孔爆破中第i个炮孔的装药量；

对于多孔爆破，在式(4)的基础上进一步确定出改进的Anderson爆破振动预测信号为：

式中，δ(t-ti)为脉冲函数，ti为延期时间。

进一步的，步骤三中采用最小二乘法进行拟合。

进一步的，公式(5)中脉冲函数表达式为其中，a＝0.9。

进一步的，在爆破工程现场选择一处位置作为爆源进行n次单孔爆破试验且每次爆破试验的药量不同，在爆破振动区选择一测点布设爆破振动测试仪及速度传感器，采集单孔爆破试验对应的爆破振动速度信号。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：

(1)本发明中所构造的作为激励荷载的爆破振动信号既能反映爆破参数，又能较全面反映爆区地形地质条件的非线性特征，且只需前期做少许单孔爆破试验便可构造，构造方法简易可行，监测工作成本低。

(2)本发明同时考虑了受控建筑物本身的固有特性和爆破振动信号的非线性特性，评估方法具有更强的准确性、合理性和可行性，且评估方法计算工作量较小，具有更好的可操作性和适用性。

(3)本发明可准确评估砌体结构在特定爆破参数和爆区场地条件下的爆破地震效应损伤状态，对砌体结构的爆破地震效应灾害预测与控制、爆破方案的进一步优化具有重要的指导意义。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是本发明采用的单孔爆破振动信号；

图3是本发明确定的改进的Anderson爆破振动预测信号。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种砌体结构的爆破地震效应损伤状态评估方法，包括如下步骤：

步骤一：进行单孔爆破试验，采集单孔爆破振动信号并记录单孔药量、信号幅值等数据。

在爆破工程现场选择一处位置作为爆源进行n(n≥3)次单孔爆破试验且每次爆破试验的药量不同，各单孔试验药量记为qi(i为爆破试验次序编号，i＝1、2，…n，n≥3)；在爆破振动区选择一测点布设爆破振动测试仪及速度传感器，采集单孔爆破试验对应的爆破振动速度信号,各信号幅值记为Pi。

步骤二：计算单孔爆破试验归一化的药量与脉冲幅值。

任选n次单孔爆破试验中的一次试验所采集的爆破振动信号作为预测爆破地震效应的单孔爆破振动信号，假设所选取的单孔爆破药量为q1，对应的爆破振动信号记为Us,则第i次单孔爆破归一化的药量可表示为：

Xi＝qi/q1 (1)

第i次单孔爆破的脉冲函数幅值可表示为：

Yi＝Pi/P1 (2)

则n次单孔爆破试验归一化的药量与脉冲幅值如表1所示。

步骤三：确定改进的Anderson爆破振动预测信号。

用最小二乘法拟合n次单孔爆破试验中脉冲幅值Y与归一化的药量X之间的关系，即根据已知n次单孔爆破的脉冲函数幅值构建任意药量单孔爆破脉冲函数幅值的函数关系，采用多项式形式的目标函数，即:

式中，bj为多项式系数，X＝qi/q1。

根据式(3)构建多孔爆破中第i个炮孔的脉冲函数幅值Y'：

式中，q′i为多孔爆破中第i个炮孔的装药量。

对于多孔爆破，在式(4)的基础上可进一步确定出改进的Anderson爆破振动预测信号为：

步骤四：估算受控砌体结构的基本频率，求解结构在爆破振动预测信号U(t)作用下的速度响应。

采用以下公式估算多层砌体结构的基本周期：

式中，H为砌体结构房屋的高度(m)。

则多层砌体结构的基本(角)频率为：

步骤五：计算砌体结构在爆破振动预测信号U(t)作用下爆破地震效应的层间位移角限值。

采用时程分析法计算砌体结构在爆破振动预测信号U(t)作用下的爆破地震(速度)效应，并记录效应幅值Vmax。

则该爆破地震效应对应的砌体结构层间位移角限值θe为：

式中，h为楼层层高。

步骤六：评价砌体结构的爆破地震效应损伤状态。

结合《土木工程学报》2013年S1期给出的名称为砖砌体结构层间位移角的探讨的文献，得出砌体结构地震效应损伤状态标准，如表2所示，将求出的砌体结构层间位移角限值θe与砌体结构地震效应损伤状态标准做比较，从而可评估受控砌体结构对应的爆破地震效应损伤状态并给出结构可否修复的建议。

实施例

一种砌体结构的爆破地震效应损伤状态评估方法，包括如下步骤：

步骤一：进行单孔爆破试验，采集单孔爆破振动信号并记录单孔药量、信号幅值等数据。

某石方开挖工程(厚层状页岩，岩石较致密)，采用中深孔台阶爆破，钻孔直径为70mm，孔深3-6m，采用岩石乳化炸药，装药长度1.8-4.5m。在爆破工程现场选择一处位置作为爆源进行3次单孔爆破试验，各单孔试验药量分别是：q1＝6Kg，q2＝8Kg，q3＝14Kg；选择距爆源40m处作为测点布设爆破振动测试仪及速度传感器，采集单孔爆破试验对应的爆破振动速度信号,各信号幅值分别是：P1＝0.6825cm/s,P2＝0.8296cm/s，P3＝1.4421cm/s。

步骤二：计算单孔爆破试验归一化的药量与脉冲幅值。

任选3次单孔爆破试验中的一次试验所采集的爆破振动信号作为预测爆破地震效应的单孔爆破振动信号，在此所选取的单孔爆破药量为q1＝6Kg，对应的爆破振动信号Us如图2所示。根据式(1)求出第1至3次单孔爆破归一化药量的脉冲函数幅值为：

X1＝q1/q1＝1,X2＝q2/q1＝1.3333，X3＝q3/q1＝2.3333。

根据式(2)求出第1至3次单孔爆破的脉冲函数幅值为：

Y1＝P1/P1＝1,Y2＝P2/P1＝1.2155，Y3＝P3/P1＝2.1130。

则第1至3次单孔爆破试验归一化的药量与脉冲幅值如表3所示。

步骤三：确定改进的Anderson爆破振动预测信号。

根据式(3)，用最小二乘法拟合出3次单孔爆破试验中脉冲幅值Y与归一化的药量X之间的多项式为：

Y＝0.18813X²+0.20762X+0.60425

根据式(4)，构建多孔爆破中第i个炮孔的脉冲函数幅值Y'：

Y'＝0.18813(q'i/6)²+0.20762(q'i/6)+0.60425

根据式(5)，进一步确定出延期时间为25ms、装药量分别为20Kg和25Kg、起爆时间为第0秒的双孔爆破对应的改进的Anderson爆破振动预测信号U(t)(信号图如图3所示)为：

U(t)＝Us*[3.3867*δ(t-0)+4.7355*δ(t-0.025)]

式中，选取作为脉冲函数，此处取a＝0.9。

步骤四：估算受控砌体结构的基本频率，求解结构在爆破振动预测信号U(t)作用下的速度响应。

此处受控砌体结构为层高2.8m、房屋高度为14m的五层砌体结构房屋。根据式(6)求出：

T横＝0.0154×(14-1.5649)＝0.1915s

T纵＝0.0216×(14-7.9074)＝0.1316s

根据式(7)，则该砌体结构的基本(角)频率为：

步骤五：计算砌体结构在爆破振动预测信号U(t)作用下爆破地震效应的层间位移角限值。

采用时程分析法中的Duhamel数值积分法计算受控五层砌体结构在爆破振动预测信号U(t)作用下的爆破地震速度效应，并记录下幅值为0.5021cm/s。并根据式(8)进一步求出该爆破地震效应对应的砌体结构层间位移角限值：

步骤六：评价砌体结构的爆破地震效应损伤状态。将求出的砌体结构层间位移角限值θe与表2中给出的砌体结构地震效应损伤状态标准做比较，从而可评估该受控砌体结构对应的爆破地震效应损伤状态为：损伤程度是完好，性能水平是无裂缝，结构状态是无需修复的。

表1为n次单孔爆破试验归一化的药量与脉冲幅值

表2为砌体结构的地震效应损伤状态标准

表3为第1至3次单孔爆破试验归一化的药量与脉冲幅值