爆破振動(dòng)測(cè)試技術(shù)

會(huì)計(jì)學(xué)1爆破振動(dòng)測(cè)試技術(shù)

體波可分為縱波和橫波。

縱波是由震源向外傳播的壓縮波，在傳播過程中能引起介質(zhì)產(chǎn)生壓縮和拉伸變形。其特點(diǎn)是周期短，振幅小和傳播速度快。

橫波是由震源向外傳播的剪切波，在傳播過程中能引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生剪切變形。其特點(diǎn)是周期較長，振幅較縱波大，傳播速度次于縱波。通常也把縱波叫P波（即初至波），把橫波叫S波（即次波）。

面波僅限沿地表面?zhèn)鞑?，它是體波在自由面多次反射疊加而成，主要包含瑞利波和勒夫波。其特點(diǎn)是周期長、振幅大，傳播速度較體波慢，衰減也較慢，但攜帶的能量較大。爆破過程中造成巖石破裂的主要原因是體波的作用，而造成爆破地震破壞的主要原因是面波的作用。第1頁/共62頁

在短距離內(nèi)，三種波（P波、S波、R波）幾乎一起到達(dá)，因而辯認(rèn)地震波的類型是非常復(fù)雜的。而在遠(yuǎn)距離處，傳播速度較慢的S波、R波開始與P波分離，就能辯認(rèn)出來。在一幅完整的爆破地震波的記錄圖形中，一開始是一系列振幅較小、頻率較高的波形，主要是縱波（P波）和橫波（S波），緊接著一段是振幅較大、頻率較低的R波波形，持續(xù)一段時(shí)間后，波形逐漸衰減。第2頁/共62頁

由于多采用毫秒微差起爆，導(dǎo)致波群相互干擾和重疊，增加了爆破地震波形的復(fù)雜性，因此，在實(shí)測(cè)爆破地震波波形圖中，縱波和橫波很難分辨，往往也不加以區(qū)分。有時(shí)就將波形圖的初始階段稱為初震相，中間振幅較大的一段稱為主震相，后一段稱為余震相。第3頁/共62頁

(2)爆破地震波基本參數(shù)

描述爆破地震波的特征一般用振幅A、頻率f0（或周期T0和持續(xù)時(shí)間TE三個(gè)基本參數(shù)表示。

振幅:振幅隨時(shí)間而變化。由于主震相的振幅大，作用時(shí)間長。因此，主震相中的最大振幅是表征地震波的重要參數(shù)，是振動(dòng)強(qiáng)度的標(biāo)志。

頻率f0（或周期T0）：一般用最大振幅所對(duì)應(yīng)的一個(gè)波的周期作為地震波的參數(shù)，頻率為其倒數(shù)f0=1/T0。由于地震波具有明顯的瞬態(tài)振動(dòng)特征，屬頻域較寬的隨機(jī)信號(hào)，用頻譜分析法得出的頻譜可描述其頻率特征。

振動(dòng)持續(xù)時(shí)間TE：是指測(cè)點(diǎn)振動(dòng)從開始到全部停止的時(shí)間。反映振動(dòng)衰減的快慢。由于記錄到的持續(xù)時(shí)間和儀器靈敏度有關(guān)，儀器靈敏度高，測(cè)得的振動(dòng)持續(xù)時(shí)間就長，反之則短。因此，關(guān)于振動(dòng)持續(xù)時(shí)間的定義還不統(tǒng)一，確定的方法也各異。第4頁/共62頁爆破地震動(dòng)及爆破地震效應(yīng)

爆破地震動(dòng)，有時(shí)稱為爆破地面運(yùn)動(dòng)。是由爆源釋放出來的地震波引起的地表附近土層的振動(dòng)。爆破地震波引起的破壞現(xiàn)象及后果稱為爆破地震效應(yīng)。

爆破地震效應(yīng)是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，受到各種因素的影響。如爆源的位置、炸藥量的大小、爆破方式、傳播介質(zhì)和地形條件等。同時(shí)，對(duì)建筑物的災(zāi)害而言，爆破地震波僅是外部條件，而建筑物的結(jié)構(gòu)特性和材料特性是其內(nèi)部條件。它又與地基特性和約束條件以及施工質(zhì)量等因素有關(guān)。因此，爆破地震效應(yīng)是一個(gè)包含建（構(gòu)）筑物本身以及爆破地震波多種因素的綜合性的現(xiàn)象。

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國內(nèi)外對(duì)爆破地震效應(yīng)進(jìn)行了大量的研究。主要研究的問題可以歸納為兩個(gè)方面：

（1）爆破地震波的特征及傳播規(guī)律；（2）爆破地震波對(duì)建筑物的影響。為解決這一問題，一方面是加強(qiáng)對(duì)各種爆破條件下爆破地震波的特性分析和對(duì)建構(gòu)筑物危害的現(xiàn)象和破壞特征的宏觀調(diào)查；另一方面是加強(qiáng)對(duì)與爆破危害相應(yīng)的爆破地震波的特征參數(shù)、結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)的測(cè)試。以宏觀調(diào)查資料以及爆破振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)為依據(jù)，確定爆破地震波的特性、傳播規(guī)律以及爆破地震波與建筑物動(dòng)力響應(yīng)關(guān)系。因此，爆破振動(dòng)測(cè)試是研究爆破地震效應(yīng)的基本手段和方法。

第6頁/共62頁衡量爆破震動(dòng)強(qiáng)度的物理量及破壞判據(jù)的確定

(1)衡量爆破震動(dòng)強(qiáng)度的物理量

爆破震動(dòng)強(qiáng)度可以用介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的各物理量來衡量，如質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移、速度和加速度。但以哪種物理量作為衡量標(biāo)準(zhǔn)最合適，目前在國內(nèi)外有不同觀點(diǎn)。

一種觀點(diǎn)認(rèn)為以介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度較好。其理由是，通過大量觀測(cè)表明，爆破地震破壞程度與振動(dòng)速度大小的相關(guān)性比較密切。較其它物理量而言，振動(dòng)速度與巖土性質(zhì)有較穩(wěn)定的相關(guān)關(guān)系，規(guī)律性較好。另一觀點(diǎn)則認(rèn)為用振動(dòng)加速度作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)榧铀俣瓤梢苑从匙饔迷诮ㄖ锘驑?gòu)筑物基礎(chǔ)上的荷載大小，從而揭示結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)及破壞機(jī)理。目前多采用振動(dòng)速度作為衡量安全的主要物理量。第7頁/共62頁

通過國內(nèi)外大量實(shí)測(cè)結(jié)果分析表明：反映爆破震動(dòng)強(qiáng)度的諸多物理量與炸藥量、爆心距、巖土性質(zhì)及場(chǎng)地條件等因素密切相關(guān)。雖然各個(gè)國家試驗(yàn)條件各不相同，但大致上都可總結(jié)得出以下形式的經(jīng)驗(yàn)公式：A=KQmRn

式中A--反映爆破震動(dòng)強(qiáng)度的物理量（振動(dòng)速度或加速度）；

Q--炸藥量；

R--測(cè)點(diǎn)至爆源中心的距離；

K、m、n--反映不同爆破方式、地質(zhì)、場(chǎng)地條件等因素的系數(shù)。第8頁/共62頁

以質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度作為衡量爆破震動(dòng)強(qiáng)度的物理量時(shí)，根據(jù)爆破方式的不同，有下列經(jīng)驗(yàn)公式：對(duì)于集中藥包爆破：

對(duì)于延長藥包爆破：式中v--質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)最大速度，cm/s，

Q--炸藥量，kg（齊發(fā)爆破時(shí)為總裝藥量，延遲爆破時(shí)，為最大一段的裝藥量）；

R--測(cè)點(diǎn)距爆源中心的距離，m；

K--與爆破場(chǎng)地條件有關(guān)的系數(shù)；

α--與地質(zhì)條件有關(guān)的爆破地震波衰減系數(shù)。

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質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)最大加速度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式與振動(dòng)最大速度經(jīng)驗(yàn)公式的形式相同，只是K、α系數(shù)不同。

K、α數(shù)值是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所測(cè)得數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析得到的，數(shù)值變化范圍較大。因此，選取應(yīng)十分慎重，一般通過現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)求得。對(duì)于一些重要工程，往往通過小藥量現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，測(cè)得質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)最大速度或最大加速度，再進(jìn)行回歸分析，從而得到比較符合實(shí)際情況的K、α數(shù)值。若按工程類比法選取時(shí)，只能以與工程建設(shè)場(chǎng)地的地質(zhì)條件和爆破方式相似的經(jīng)驗(yàn)公式中的K、α數(shù)值作參考。

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(2)爆破震動(dòng)破壞判據(jù)引起建筑構(gòu)筑物或巖體破壞的爆破震動(dòng)強(qiáng)度臨界值稱為爆破震動(dòng)破壞判據(jù)。對(duì)于不同的物理量，如位移、速度、加速度等，都有相應(yīng)的破壞判據(jù)。由于建構(gòu)筑物或巖體本身的多樣性，雖然經(jīng)過了大量的實(shí)測(cè)工作，但要確定出一個(gè)統(tǒng)一的判據(jù)仍是不可能的。因此，目前各國尚無統(tǒng)一的規(guī)定。

多數(shù)國家在安全規(guī)程或?qū)嶋H應(yīng)用中，將建（構(gòu)）筑物的破壞程度大致分為無破壞、輕微破壞和嚴(yán)重破壞三類。并給定每一類破壞的臨界值。根據(jù)測(cè)試資料，規(guī)定一般建（構(gòu)）筑物開始破壞的臨界速度為5cm/s，也有規(guī)定為10-5cm/s的，臨界加速度定為5cm/s2。第11頁/共62頁86年頒布的國家標(biāo)準(zhǔn)《爆破安全規(guī)程》(GB6722一86)規(guī)定主要類型建構(gòu)筑物地面質(zhì)點(diǎn)的安全震動(dòng)速度為：（1）土窯洞、土坯層，毛石房屋1.Ocm/s；（2）一般磚房、非抗震大型砌塊建筑物2-3cm/s；（3）鋼筋混凝土框架房屋5cm/s；（4）水工隧洞1Ocm/s；（5）交通隧洞15cm/s；（6）礦山巷道：圍巖不穩(wěn)定有良好支護(hù)1Ocm/s；中等穩(wěn)定有良好支護(hù)2Ocm/s；圍巖穩(wěn)定無支護(hù)80cm/s。在評(píng)價(jià)爆破震動(dòng)對(duì)建構(gòu)筑物的危害時(shí)，除用位移、速度、加速度作為破壞判據(jù)外，還應(yīng)考慮爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間對(duì)建構(gòu)筑物的累積破壞作用，振動(dòng)頻率與建構(gòu)筑物固有頻率之間的關(guān)系。

第12頁/共62頁4.2爆破振動(dòng)測(cè)量儀器測(cè)振傳感器（拾振器）

測(cè)振傳感器種類繁多，使用最為廣泛的是磁電式速度傳感器和壓電式加速度計(jì)。都屬于慣性式（絕對(duì)式）測(cè)振儀，用來測(cè)量地面或振動(dòng)體與大地之間的絕對(duì)振動(dòng)。

(1)慣性式傳感器的力學(xué)原理

慣性質(zhì)量塊M用一彈簧和阻尼器掛在傳感器的外殼上，組成一個(gè)“質(zhì)量-彈簧-阻尼”單自由度彈性系統(tǒng)。儀器外殼固定在振動(dòng)體上，當(dāng)振動(dòng)體振動(dòng)時(shí)，傳感器外殼隨著振動(dòng)，從而激勵(lì)“質(zhì)量-彈簧-阻尼”系統(tǒng)振動(dòng)。慣性式傳感器構(gòu)造示意圖第13頁/共62頁

根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論，單白由度彈性系統(tǒng)由于基礎(chǔ)位移引起強(qiáng)迫振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量M的運(yùn)動(dòng)微分方程為：

假定振動(dòng)體作簡諧振動(dòng)，即由上兩式可得

此二階線性微分方程的解包括齊次方程的通解和非齊次方程的特解兩部分，通解代表系統(tǒng)的自由振動(dòng)，特解為強(qiáng)迫振動(dòng)。由于系統(tǒng)具有阻尼，自由振動(dòng)項(xiàng)在阻尼的作用下很快消失，可忽略不計(jì)，故只考慮代表穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的強(qiáng)迫振動(dòng)。其解為：第14頁/共62頁

上式也就是傳感器的響應(yīng)方程。式中式中ω為振動(dòng)圓頻率；為傳感器“質(zhì)量-彈簧-阻尼”系統(tǒng)的固有圓頻率；ζ為臨界阻尼比。由上式可知，慣性式傳感器輸出與輸人的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是相同的，均為簡諧運(yùn)動(dòng)，只相差一個(gè)相位角。所以，采用慣性式傳感器能夠如實(shí)地反映振動(dòng)體的振動(dòng)信號(hào)。但是，傳感器輸出y所表示的振動(dòng)物理量與頻率比和阻尼比ζ有關(guān)，它可以是位移、速度和加速度。(4.1)第15頁/共62頁

65型拾振器示意圖1-鎖定裝置，2-磁鈉，3-線圈，4-擺錘，5-十字彈簧片，

6-調(diào)整慣性塊位置手柄，7-垂直拉簧

當(dāng)拾振器置于振動(dòng)體上并隨著一起振動(dòng)時(shí)，擺錘由于慣性處于靜止?fàn)顟B(tài)，線圈和磁鋼產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，線圈切割磁力線，于是在線圈兩端產(chǎn)生與振動(dòng)速度成正比的感應(yīng)電勢(shì)，通過輸出端即可測(cè)得振動(dòng)速度。

由于65型拾振器的固有頻率低、靈敏度高，可用來測(cè)量低頻、微幅的振動(dòng)。用一臺(tái)拾振器可分別測(cè)量垂直和水平方向振動(dòng)。

65型拾振器

(2)磁電式速度傳感器常用的磁電式速度傳感器屬于慣性式測(cè)振儀，工作原理是相同的，都是基于電磁感應(yīng)的原理，把振動(dòng)體的振動(dòng)速度轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)。第16頁/共62頁

701型拾振器

701型拾振器也是慣性擺式速度傳感器，它的結(jié)構(gòu)、工作原理與65型拾振器基本一樣。在儀器內(nèi)部裝有積分電路，因此，它不僅可測(cè)量振動(dòng)速度，也可測(cè)量振動(dòng)位移。它可測(cè)量微振，也可測(cè)量低頻大位移。701型拾振器有701-S型和701-Z型，分別測(cè)量水平和垂直方向振動(dòng)。還具有體積小、重量輕、攜帶方便的優(yōu)點(diǎn)。第17頁/共62頁壓電式加速度計(jì)示意圖1-殼體，2-硬彈簧，3-質(zhì)量塊，4-輸出端，5-壓電晶體片，6-基座

（3）壓電式加速度計(jì)

壓電式加速度計(jì)的構(gòu)造及工作原理

慣性質(zhì)量塊放在壓電晶體上，并用硬彈簧施加一定的預(yù)應(yīng)力，可減少晶體受壓力時(shí)引起的非線性誤差，提高測(cè)量精度。壓電晶體片為一彈性體，其有一定剛度，可視為彈簧，它與硬彈簧串聯(lián)，構(gòu)成一個(gè)彈簧常數(shù)為瓦的彈K簧，系統(tǒng)阻尼用C表示，這就構(gòu)成了單自由度系統(tǒng)。由于系統(tǒng)的彈簧常數(shù)K很大，而質(zhì)量塊M很小，所以系統(tǒng)的固有頻率也就很大。完全滿足ωn>>ω的條件。質(zhì)量塊相對(duì)于外殼的位移與振動(dòng)體的振動(dòng)加速度成正比，即。第18頁/共62頁

當(dāng)被測(cè)物體振動(dòng)時(shí)，加速度計(jì)“質(zhì)量－彈簧－系統(tǒng)”的質(zhì)量塊由于受到慣性力作用，作用在壓電晶體片上的振動(dòng)壓力為

根據(jù)壓電晶體的“壓電效應(yīng)”，當(dāng)壓電晶體片承受壓力作用時(shí)，壓晶體表面上產(chǎn)生電荷Q＝DF，將上式代入，則得若用輸出電壓表示則為

由上式可知：壓電式加速度計(jì)的輸出電荷或輸出電壓與被測(cè)物體的振動(dòng)加速度成正比。第19頁/共62頁

壓電式加速度計(jì)的主要性能及特性

(1)安裝諧振頻率。加速度計(jì)安裝在被測(cè)物體上，加速度基座與被測(cè)物體連成一個(gè)整體。在這種情況下加速度計(jì)中的“質(zhì)量－彈簧”系統(tǒng)的固有頻率就稱為安裝諧振頻率，它比加速度計(jì)自身的諧振頻率低。加速度計(jì)的工作頰率上限受到安裝諧振頻率的限制。

(2)靈敏度。壓電式加速度計(jì)的靈敏度有兩種表示方法：電荷靈敏度和電壓靈敏度，其物理意義是加速度計(jì)在單位加速度下的電荷輸出量或電壓輸出量。第20頁/共62頁

(3)橫向靈敏度。所謂橫向靈敏度是指加速度計(jì)橫向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的靈敏度。橫向靈敏度一般是主軸方向靈敏度的l%~5%之間。橫向靈敏度的存在除與壓電材料的不均勻性、切片加工時(shí)的精度等因素有關(guān)外，還與使用時(shí)的安裝質(zhì)量有關(guān)。如安裝方向與主軸方向傾斜、安裝底座不平整、安裝扭矩過大等，可能會(huì)使橫向靈敏度由3~4％增加到15~20%。

(4)頻率響應(yīng)。上限取決于傳感器的安裝諧振頻率，可低于諧振頻率的5%~10%，壓電式加速度計(jì)的諧振頻率一般都在1OkHz以上。下限主要受測(cè)量儀器低頻響應(yīng)的限制，采用電荷放大器，頻率下限可達(dá)0.3Hz，甚至達(dá)到0.003Hz。第21頁/共62頁

(5)加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍。是指加速度計(jì)可測(cè)的加速度范圍。加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍下限取決于測(cè)量儀器的輸出噪聲水平，而上限取決于加速度計(jì)內(nèi)壓電晶體所承受的最大壓力或最大非線性度。

因此，每種型號(hào)加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍上限是不同的，如國產(chǎn)的YD－l型加速度計(jì)最大可測(cè)加速度為2OOm/s2，YD－15型壓電式加速度計(jì)為8OOOOm/s2,YD-13型卻只為1Om/s2.

除以上主要特性外，還有加速度底座應(yīng)變效應(yīng)，溫度靈敏度，磁場(chǎng)靈敏度和聲場(chǎng)靈敏度等特性，對(duì)測(cè)試結(jié)果都有一定的影響。第22頁/共62頁測(cè)振放大器由測(cè)振傳感器輸出的電信號(hào)一般很微弱，需要放大后才能供顯示和記錄。測(cè)振放大器就是將微弱的電信號(hào)進(jìn)行放大的裝置。一般測(cè)振放大器中還裝置有微積分電路、濾波電路等。所以，它不僅對(duì)信號(hào)有放大作用，還有對(duì)信號(hào)進(jìn)行微分、積分和濾波的功能。測(cè)振放大器也與常用的磁電式速度傳感器和電壓式加速度計(jì)相配。

(1)磁電式速度傳感器中的放大器一般有幾個(gè)通道，可同時(shí)放大多路信號(hào)，內(nèi)設(shè)置有微積分網(wǎng)絡(luò)，包括一個(gè)微分電路和兩個(gè)積分電路，它可直接與磁電式速度傳感器配套使用，用來測(cè)量速度、加速度和不同頻率范圍的位移。第23頁/共62頁

測(cè)振儀的主要性能指標(biāo)：頻率響應(yīng)：2~1OOOOHz（＜5%）；電壓測(cè)量范圍：O~1OmV~31.6V分八擋；精度：測(cè)量誤差不大于各量程滿刻度的土4.0%；電流輸出：最大4mA（交流）；電壓輸出：最大4V（有效值）；振動(dòng)測(cè)量范圍：取決于連接的傳感器；系統(tǒng)誤差：不大于士10％；使用溫度：-100~土400C；重量：不大于1Okg。第24頁/共62頁

(2)壓電式加速度計(jì)測(cè)試系統(tǒng)放大器壓電式加速度計(jì)具有高輸出阻抗的特性。相連放大器輸入阻抗的大小將對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重大影響。一般的測(cè)振放大器的輸入阻抗低。因此，在測(cè)試系統(tǒng)中必須設(shè)置高輸入阻抗的前置放大器。目前，前置放大器有兩種：前置電壓放大器和電荷放大器。第25頁/共62頁測(cè)振記錄設(shè)備

記錄儀的基本作用是記錄和顯示被測(cè)振動(dòng)物理量隨時(shí)間變化的曲線，以便進(jìn)行分析、處理。因此，要求記錄設(shè)備能完全真實(shí)地記錄、存貯所測(cè)量的振動(dòng)信號(hào)，以確保分析結(jié)果的可靠和精確度。測(cè)振系統(tǒng)的標(biāo)定爆破振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中各種儀器、設(shè)備的性能參數(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果的可靠性及精度都具有很重要的意義。在儀器出廠前，生產(chǎn)廠家對(duì)各種儀器的性能指標(biāo)參數(shù)都進(jìn)行了校準(zhǔn)測(cè)試。但用戶在使用中為確保振動(dòng)測(cè)試的質(zhì)量，往往需要對(duì)測(cè)振儀器的主要性能參數(shù)進(jìn)行定期標(biāo)定和檢驗(yàn)。第26頁/共62頁

測(cè)振儀器的標(biāo)定可分為分部標(biāo)定和系統(tǒng)標(biāo)定。

分部標(biāo)定：分別對(duì)測(cè)振傳感器、放大器、記錄儀進(jìn)行各種壯能參數(shù)的標(biāo)定。

系統(tǒng)標(biāo)定：將傳感器、放大器和記錄儀組成的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行全系統(tǒng)的連機(jī)標(biāo)定，以得到輸入量與記錄量之間的定量關(guān)系。在爆破振動(dòng)測(cè)試中，常采用的是測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)定。常用的標(biāo)定方法是在標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行。測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)定的主要內(nèi)容有頻率響應(yīng)、靈敏度和線性度等。第27頁/共62頁4.3爆破地震效應(yīng)測(cè)試爆破地震效應(yīng)測(cè)試目的了解和掌握爆破地震波的特征、傳播規(guī)律以及對(duì)建筑物的影響、破壞機(jī)理等，以防止和減少對(duì)建筑物的破壞，達(dá)到最有效地控制爆破地震波危害的目的。

首先要利用經(jīng)驗(yàn)公式初步估算爆破振動(dòng)強(qiáng)度，然后參照目前常用的爆破破壞判據(jù)，判斷爆破振動(dòng)效應(yīng)的大小。一般都要先進(jìn)行小規(guī)模的爆破試驗(yàn)，通過實(shí)地測(cè)試爆破振動(dòng)強(qiáng)度的資料，求得符合該爆破條件下的K、α值，再用來作為進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)的參數(shù)。第28頁/共62頁爆破地震波的測(cè)試

爆破地震波測(cè)試的實(shí)質(zhì)就是測(cè)量爆破地震動(dòng)下介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)規(guī)律。實(shí)際上只需要測(cè)量到爆破地震動(dòng)時(shí)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移、速度、和加速度的時(shí)間歷程曲線（振動(dòng)波形圖）。通過分析計(jì)算即可得到表征地震波特性的基本參量、幅值、持續(xù)時(shí)間、主頻率及頻譜。傳感器安裝方向應(yīng)與所測(cè)量質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)分量一致。第29頁/共62頁爆破地震波對(duì)建筑結(jié)構(gòu)震動(dòng)效應(yīng)的測(cè)試

(1)爆破地震波對(duì)建筑結(jié)構(gòu)震動(dòng)效應(yīng)用質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和加速度對(duì)預(yù)估建構(gòu)筑物的震動(dòng)效應(yīng)和安全程度有一定的參考價(jià)值，但不能反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)和特性,無法揭示建構(gòu)筑物的破壞機(jī)理。因?yàn)樗鲆暳私Y(jié)構(gòu)本身的固有特性(如固有頻率和阻尼)對(duì)震動(dòng)效應(yīng)的影響。

根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論,在爆破地震作用下,結(jié)構(gòu)的效應(yīng)與地震波的強(qiáng)度、頻率特性以及結(jié)構(gòu)的固有頻率和阻尼比等因素密切相關(guān)。當(dāng)結(jié)構(gòu)本身的固有頻率與爆破地震波的主頻一致或接近時(shí)，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)。因此，用爆破地震波物理量衡量地震波對(duì)建構(gòu)筑物的的振動(dòng)效應(yīng)只能是一個(gè)粗略的估計(jì)。第30頁/共62頁

爆破震動(dòng)與建筑物的結(jié)構(gòu)響應(yīng)實(shí)質(zhì)上是結(jié)構(gòu)的振動(dòng)問題。在結(jié)構(gòu)力學(xué)中，反映結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的最基本參量是結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力、振動(dòng)位移和加速度來表述。

結(jié)構(gòu)振動(dòng)應(yīng)力和位移是反映結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的最基本的參量，直接反映了結(jié)構(gòu)內(nèi)部的受力特性和變形情況以及結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和破壞機(jī)理。

結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度也是反映爆破地震效應(yīng)的一個(gè)重要參量，它描述了在爆破地震作用下結(jié)構(gòu)振動(dòng)慣性力大小?？梢源_定作用在結(jié)構(gòu)上的動(dòng)荷載，對(duì)結(jié)構(gòu)抗爆抗震設(shè)計(jì)是很重要的。當(dāng)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力大于極限強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)將發(fā)生破壞。位移過大也是安全上不允許的。第31頁/共62頁

（3）結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試

爆破地震作用時(shí)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)主要包括結(jié)構(gòu)的震動(dòng)應(yīng)力、位移和加速度響應(yīng)。一般采用電測(cè)法。

A.結(jié)構(gòu)震動(dòng)應(yīng)力測(cè)量一般是用電阻應(yīng)變測(cè)量法進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)變的測(cè)量，再根據(jù)彈性力學(xué)理論中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，由測(cè)得的應(yīng)變值求得所要測(cè)量的動(dòng)應(yīng)力。

（2）確定動(dòng)力響應(yīng)的方法：

A.試驗(yàn)測(cè)試法。由于影響波的因素復(fù)雜和爆破震動(dòng)模型相似率的不成熟。目前還無法采用模型實(shí)驗(yàn)來確定結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。主要還是通過實(shí)際測(cè)試來確定；

B.動(dòng)力分析法。借用計(jì)算機(jī)技術(shù)和地震工程學(xué)中的反應(yīng)譜理論，分析探討結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。第32頁/共62頁單向應(yīng)力狀態(tài)：平面應(yīng)力狀態(tài)：

測(cè)試時(shí)，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力特點(diǎn)，在構(gòu)件上選擇有代表性的部位布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，按構(gòu)件的受力狀態(tài)布置不同的應(yīng)變片。對(duì)單向應(yīng)力狀態(tài)布置單向應(yīng)變計(jì)，對(duì)平面應(yīng)力狀態(tài)可布置直角應(yīng)變花或等角應(yīng)變花。第33頁/共62頁

B.結(jié)構(gòu)震動(dòng)位移測(cè)量結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移的測(cè)試是在結(jié)構(gòu)的待測(cè)部位裝位移傳感器，通過測(cè)振放大器及記錄儀器可得到結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移隨時(shí)間變化的過程--位移波形圖，再根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)定結(jié)果，由位移波形圖可得到工程上所關(guān)心的最大位移幅值，還可以應(yīng)用速度傳感器或加速度傳感器通過積分放大器將傳感器接受的速度信號(hào)或加速度信號(hào)經(jīng)一次積分或二次積分，變?yōu)槲灰菩盘?hào)。第34頁/共62頁

C.結(jié)構(gòu)震動(dòng)加速度測(cè)量

結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試方法與爆破地震波加速度測(cè)試基本相同。測(cè)試時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)受力情況，在具有代表性的部位布置加速度測(cè)點(diǎn)，根據(jù)需要安裝單軸向加速度計(jì)或三軸向加速度計(jì)。

結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移測(cè)試是指結(jié)構(gòu)絕對(duì)位移的測(cè)試。若要測(cè)量結(jié)構(gòu)對(duì)地面振動(dòng)的相對(duì)位移時(shí)，應(yīng)同時(shí)測(cè)量地面振動(dòng)位移，然后根據(jù)它們的相位關(guān)系確定相對(duì)位移?；蛘哂孟鄬?duì)式位移計(jì)，設(shè)法使傳感器一端固定在地面上，另一端活動(dòng)桿與結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)相接觸，這樣測(cè)量的結(jié)果就是結(jié)構(gòu)與地面的相對(duì)位移。第35頁/共62頁測(cè)試結(jié)果分析與處理爆破地震波和結(jié)構(gòu)爆破振動(dòng)效應(yīng)的測(cè)試結(jié)果是反映各種振動(dòng)信息的曲線，即振動(dòng)波形圖。它包含著與爆破振動(dòng)有關(guān)的信息和無關(guān)的信息。信號(hào)分析和數(shù)據(jù)處理就是通過數(shù)學(xué)方法來突出與爆破振動(dòng)有關(guān)的信息，而壓縮無關(guān)的信息。

爆破地震動(dòng)是一種隨機(jī)振動(dòng)，在記錄到的波形圖上的頻率、幅值都是隨時(shí)間不規(guī)則變化的，爆破地震波和結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)都屬于隨機(jī)信號(hào)。一般需要專門的數(shù)據(jù)分析儀或計(jì)算機(jī)進(jìn)行來處理。但在實(shí)際中也用人工的方法進(jìn)行初步簡單的分析和處理。第36頁/共62頁

(1)波形直觀分析法和數(shù)據(jù)處理

波形直觀分析法就是對(duì)直接測(cè)得的波形進(jìn)行分析，從波形圖上量取確定有用的數(shù)據(jù)。這個(gè)分析方法比較筒單、省時(shí)、實(shí)用，又具有一定精度。

A.振幅A

當(dāng)波形圖在基線兩側(cè)很不對(duì)稱時(shí)，一般只讀取峰值，即讀取最大幅值，振動(dòng)參量數(shù)值是將振動(dòng)波形的幅值除以測(cè)振儀器系統(tǒng)的標(biāo)定靈敏度值cm/s/mm

。第37頁/共62頁

B.振動(dòng)頻率（周期）

振動(dòng)波形的頻率比較復(fù)雜，不是單一的簡諧波，用直觀分析法時(shí)，量取周期比量取頻率方便，取最大振幅相鄰兩個(gè)峰或兩個(gè)谷之間的時(shí)間為周期f，其倒數(shù)即為振動(dòng)波形的主頻率。此頻率為該振動(dòng)波形中占優(yōu)勢(shì)的主要頻率。

C.振動(dòng)持續(xù)時(shí)間

指測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)開始到全部停止所持續(xù)的時(shí)間。由于實(shí)測(cè)的波形圖上質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)開始和停止的時(shí)間不易確定，一般做如下規(guī)定：若記錄中最大振幅為A，則從振幅(1/5-1/3)A開始到波形衰減到(1/5-1/3)A為至的一段時(shí)間作為爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間。第38頁/共62頁

（2）頻譜分析由振動(dòng)理論分析可知：復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)是由不同頻率的諧波迭加而成的。其中只有一個(gè)或幾個(gè)頻率的諧振動(dòng)是主要的，相應(yīng)的頻率稱為主頻率。由于地質(zhì)條件、爆破藥量、爆破方式的不同，爆破地震波的頻率成分也不同，研究建筑物的爆破地震效應(yīng)時(shí)，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)大小與地震波的頻率特性有關(guān)。

（3）經(jīng)驗(yàn)公式的建立一般認(rèn)為，爆破震動(dòng)強(qiáng)度質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度、加速度的最大值隨爆心距和炸藥量的變化規(guī)律，可用經(jīng)驗(yàn)公式表示為：第39頁/共62頁

根據(jù)測(cè)得的A和已知的Q、R，利用回歸分析方法就可確定K、α系數(shù)。在進(jìn)行波形分析處理時(shí)，應(yīng)保證分析的原始波形要正確，否則將會(huì)造成錯(cuò)誤的結(jié)果。第40頁/共62頁4.4爆破地震反應(yīng)譜及其測(cè)試概述建筑物結(jié)構(gòu)在爆破地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)取決于輸入結(jié)構(gòu)基底的爆破地震波的特征和建筑結(jié)構(gòu)的特性。用前面介紹的測(cè)試方法可以直接得到在一定的爆破條件下某一特定的結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，這對(duì)研究該結(jié)構(gòu)在一定爆破條件下的工作狀態(tài)，受力特性是很有價(jià)值的，但達(dá)仍有很大的局限性。首先，由于建筑物的多樣性，爆破條件的復(fù)雜性，有限數(shù)量的測(cè)試資料不能反映不同地震波的特征，以及結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)影響的結(jié)果。第41頁/共62頁

其次，從結(jié)構(gòu)抗爆抗震的設(shè)計(jì)要求，更重要的是需要確定作用在結(jié)構(gòu)上的爆破地震荷載。但目前在爆破工程中還沒有比較成熟的理論和方法來確定爆破地震荷載。而在地震工程中，利用反映譜理論確定地震荷載，進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，被認(rèn)為是比較成熟的。它是根據(jù)實(shí)測(cè)的強(qiáng)地震的加速度記錄來計(jì)算地震反應(yīng)譜，或者直接利用儀器測(cè)量反應(yīng)譜曲線。由于地震反應(yīng)譜曲線綜合考慮了地面加速度特征及結(jié)構(gòu)物的固有特性，因此，根據(jù)地震反應(yīng)譜進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)和分析是比較可靠的，實(shí)踐證明，利用反應(yīng)譜進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)或分析已建成的結(jié)構(gòu)的安全性，是非常簡便而有用的。第42頁/共62頁

由于爆破地震與天然地震有相似之處，如兩者均因能量釋放，以地震波的形式從爆心向外傳播，引起地震動(dòng)，造成建筑物的破壞；兩者的地震動(dòng)強(qiáng)度均明顯地與震源能量、震源距離有關(guān)；兩者的地震動(dòng)參數(shù)都受地質(zhì)地形等因素的影響。爆破與天然地震的上述相似性及它們?cè)诘卣鸩▊鞑ダ碚摰墓餐?，是使這兩個(gè)領(lǐng)域能密切聯(lián)系在一起的重要原因。因此將地震反應(yīng)譜理論引用到爆破地震中來是完全有可能的。

當(dāng)然，爆破地震與天然地震也有顯著差別，如爆破地震動(dòng)有如下特點(diǎn)：（1）幅值高、衰減快。（2）頻率高；（3）持續(xù)時(shí)間短。由于這些特點(diǎn)，使得在爆破地震和天然地震下結(jié)構(gòu)破壞程度不同。如天然地震加速度最大值平均為O.lm/s2時(shí)，相當(dāng)于地震烈度7度，一般會(huì)造成房屋一定程度的破壞,而爆破地震加速度最大值有時(shí)甚至達(dá)到1.0m/s2時(shí),才會(huì)引起房屋輕微破壞。第43頁/共62頁

在地震工程中應(yīng)用反應(yīng)譜理論有三個(gè)基本假定：第一，結(jié)構(gòu)地基相當(dāng)于剛性平面，且其特征尺度相對(duì)于地震波波長短，在其上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)完全一致；第二，地面運(yùn)動(dòng)過程可以用強(qiáng)地震觀測(cè)儀記錄表示；第三，結(jié)構(gòu)是彈性的。這三個(gè)假定對(duì)于爆破工程來說一般也都是成立的。因此，估計(jì)建筑物在爆破地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)及確定結(jié)構(gòu)的爆破地震荷載可以采用地震工程中已被廣泛應(yīng)用的反應(yīng)譜理論。隨著工業(yè)建設(shè)的發(fā)展和爆破技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，在爆破工程實(shí)踐中，越來越迫切要求了解各類建筑物抗爆抗震的性能。因此，把反應(yīng)譜理論應(yīng)用于研究建筑物、工業(yè)構(gòu)筑物等的動(dòng)力計(jì)算是爆破工程中需要努力解決的一個(gè)課題。第44頁/共62頁反應(yīng)譜理論基本概念

反應(yīng)譜的概念是用一個(gè)阻尼諧和振動(dòng)子單自由度彈性體系來模擬真實(shí)建筑物，然后考察此振動(dòng)子在承受天然地震和爆破地震引起的響應(yīng)（加速度、速度、位移）的特性，我們把實(shí)際測(cè)到的地面加速度曲線作為確定反應(yīng)譜的輸入，對(duì)于某一個(gè)自振頻率--阻尼的組合的彈性體系求出振動(dòng)子對(duì)于地面加速度的最大響應(yīng)，這一響應(yīng)就是反應(yīng)譜曲線上的一個(gè)點(diǎn)。因此，反應(yīng)譜的定義是：單自由度彈性體系對(duì)于給定的地面加速度輸入并考慮阻尼時(shí)的最大響應(yīng)（加速度、速度和位移）與系統(tǒng)的固有自振頻率（或周期）的關(guān)系曲線。

第45頁/共62頁

根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論，一個(gè)單自由度彈性體系在地震作用下的運(yùn)動(dòng)方程式為式中M--質(zhì)體質(zhì)；

C--系統(tǒng)的阻尼；

K--系統(tǒng)的剛度；

--分別為地面運(yùn)動(dòng)的位移、速度和加速度。地震作用下的單自由度系統(tǒng)地面加速度曲線第46頁/共62頁將上式除以質(zhì)體質(zhì)量M，經(jīng)整理后得：

方程式的解為：

這就是單自由度系統(tǒng)在零初始條件下地震反應(yīng)的積分表達(dá)式，式中的ω，為考慮阻尼時(shí)的體系自振頻率。當(dāng)阻尼很小時(shí)可以取ω=ω，，就可得最大位移為：第47頁/共62頁

當(dāng)阻尼比給定時(shí)，對(duì)于每一個(gè)地震加速度記錄，由上式可以計(jì)算一條umax與自振周期T（或自振頻率f）之間的關(guān)系曲線，稱之為最大位移反應(yīng)譜。地震反應(yīng)譜曲線第48頁/共62頁用試驗(yàn)法直接確定反應(yīng)譜曲線除數(shù)值計(jì)算方法確定反應(yīng)譜曲線外，我們還可以用地震反應(yīng)譜測(cè)試儀直接測(cè)量爆破地震反應(yīng)譜。

（1）反應(yīng)譜測(cè)試儀原理由單自由度彈性體系的地震反應(yīng)表達(dá)式可以看出，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)大小取決于以下三個(gè)因素：

A.地面運(yùn)動(dòng)加速度的特性；

B.結(jié)構(gòu)的自振頻率；

C.結(jié)構(gòu)的阻尼比。因此，在一定的爆破條件下的反應(yīng)譜只與結(jié)構(gòu)的自振特性有關(guān)，而與結(jié)構(gòu)的材料、形狀、大小差異無直接關(guān)系。這樣，我們就可以用一系列在一定阻尼比下不同自振頻率的振動(dòng)子（即單自由度彈性體系）來模擬不同的單自由度結(jié)構(gòu)，將爆破震動(dòng)下各振動(dòng)子的最大位移或最大加速度記錄下來，就可繪制爆破振動(dòng)反應(yīng)譜曲線。反應(yīng)譜測(cè)試儀就是根據(jù)此原理制成的。第49頁/共62頁

(2)反應(yīng)譜測(cè)試儀

反應(yīng)譜測(cè)試儀（也可稱為多擺儀）由一系列不同自振頻率的振動(dòng)子、底座、底板、記錄板等部件構(gòu)成。反應(yīng)譜測(cè)試儀示意圖1一振動(dòng)子,2一底座，3一底板,4一記錄板,5一記錄板支架，6一劃針

振動(dòng)子由質(zhì)體和簧片組成，質(zhì)體為金屬結(jié)構(gòu)，簧片為一定厚度的彈簧鋼板。振動(dòng)子固定在底座及底板上，使其只能在一個(gè)平面上運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成一個(gè)懸臂式單自由度體系。在質(zhì)體上裝有一金屬劃針。各振動(dòng)子的自振頻率應(yīng)該在一般爆破地震動(dòng)的頻率范圍內(nèi)，同時(shí)還要能代表在爆區(qū)內(nèi)建筑物的自振頻率。

第50頁/共62頁第51頁/共62頁地震反應(yīng)譜的應(yīng)用我們根據(jù)輸入結(jié)構(gòu)的一條爆破地震加速度時(shí)程曲線得到的爆破地震反應(yīng)譜曲線，只是對(duì)這個(gè)特定的爆破地震動(dòng)的一種描述。為了預(yù)先估計(jì)爆破地震對(duì)建筑物安全的影響，進(jìn)行工程抗震設(shè)汁，就需要對(duì)不同類型爆破地震記錄進(jìn)行計(jì)算，得出相應(yīng)許多爆破地震反應(yīng)譜曲線，然后采取平均反應(yīng)譜或外包絡(luò)線處理方法，最后得到的就是設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。如北京水利水電科學(xué)研究院根據(jù)不同類型的近二百條爆破地震實(shí)測(cè)記錄，計(jì)算出一族反應(yīng)譜曲線，采用外包絡(luò)線方式，歸納出爆源近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)兩條抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。第52頁/共62頁第53頁/共62頁第5