廢車、減震溝及沙袋緩沖對塌落振動減振效果對比研究

牛華偉，朱 洋，陳政清，曾炯坤,2，張繼峰,3

(1. 湖南大學風工程試驗研究中心，湖南 長沙，410082；2. 廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東 廣州，510062；3. 佛山市鐵路投資建設集團有限公司，廣東 佛山，528000)

在實施爆破拆除工程時，高聳建筑物塌落觸地振動往往相較于爆破振動所引起的動力響應更加顯著，且其振動頻率更接近一般結構物的自振頻率[1]，危害較大，因此該類振動的控制問題一直受到眾多研究者的關注。常用的塌落觸地振動控制方法主要通過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，微差爆破以減小建筑物倒塌觸地的總能，同時鋪設緩沖物改變倒塌建筑物與觸地點地層間的動力響應，從而減小觸地振動強度；控制地震波的傳播途徑大多借助開挖減震溝[3]，相應減振機理為，當建筑物塌落觸地所產生的地震波到達減震溝主體時，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[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在減震溝處繞行，如此一來，可大大降低減震溝外的地震波能量，從而減小地面質點振動。張志毅等[5]對常用爆破振動控制方法進行了總結；梁開水等[6]通過數值模擬研究了不同長度、寬度及深度的減震溝減震效果；郭濤等[7]利用ANSYS/LS-DYNA計算軟件模擬研究了不同位置條件下減震溝的減震效應；侯舜等[8]的研究表明，當減震溝內充滿水時，會降低減震溝的減振效果。孫崔源等[9]進行了爆破振動試驗，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到25.6%；藍鵬等[10]通過落錘沖擊試驗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律。當前，爆破拆除工程領域中的減振研究多集中在減震溝減震，而針對其它減振措施如利用緩沖墊層等的報道較少。

對處于建筑物及交通密集地帶的城市建筑進行爆破拆除時，往往因空間不足，無法開挖減震溝。而分段折疊爆破技術主要應用于高聳結構如煙囪、冷卻塔等，對于普通高層建筑結構、體育館、工業廠房等并不適用。因此尋找新型有效的塌落振動減振措施是爆破領域中亟待解決的問題，相應的模型試驗研究也必不可少。基于此，本文利用ANSYS/LS-DYNA建立起有、無減震溝條件下的塌落物沖擊地面模型模擬塌落振動過程，并以廢舊機動車、沙袋等為緩沖墊層進行塌落沖擊試驗，通過比較分析模擬與試驗結果，研究了廢舊機動車及其它緩沖物的減振效果，以期為相關工程實踐合理選擇減振措施提供參考。

1 數值模擬

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研究塌落振動地震波的傳播規律，基準模型見圖1。考慮到實際地形，場地土體整體尺寸為5 m×15 m×30 m，兩側土體厚度均為3 m，分別高出地面5 m和10 m，網格尺寸為0.2 m×0.2 m；落錘尺寸為0.66 m×1 m×3.5 m，每個邊長平分3段，共分為27個單元，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，不會產生較大變形及發生破壞，因此建模時將其視為彈性體，材料為*MAT_ELASTIC。土體與落錘的具體材料參數分別見表1及表2。將土體的側面及地面設置為無反射邊界*BOUNDRY_NON_REFLECTING，頂面為自由邊界，用來模擬半無限體。落錘擬從6 m高度處自由下墜，為了節省運算時間，用*INITIAL_VELOCITY設置初始下墜速度為10.38 m/s，在0.5m高度處下墜。模擬結果中均對響應峰值進行研究，分析終止時間設置為0.5 s。

圖1 基準模型

表1 土體材料參數

Table 1 Soil mass material parameters

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

表2 落錘材料參數

進一步在基準模型上增加減震溝構造。因減震溝深度相較于其長度及寬度對減振效果影響更明顯[11]，經多次計算，最終確定具有減震溝的有限元模型如圖2所示，圖2中，以落錘工作區中心為原點，L為原點到減震溝內側沿z方向的水平距離(1.5 m)，S為原點到任一地面質點沿z方向的水平距離。減震溝的具體尺寸與位置見表3。

圖2 帶減震溝有限元模型

表3 減震溝尺寸及位置

1.2 模擬結果與分析

無減震溝時地面質點分別沿水平徑向(z)、水平切向(x)及豎向(y)相應的振速峰值Vz、Vx、Vy隨S的衰減曲線如圖3所示。由圖3可見，無減震溝時地面質點水平徑向振速Vz峰值響應最大，豎向振速Vy峰值次之，水平切向振速Vx峰值響應最小，因此取其水平徑向振速Vz為分析對象。

圖3 振速峰值分布

有、無減震溝條件下地面質點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，當S小于L時，在有減震溝條件下地面質點的Vz值較無減震溝時稍大，這是因為地震波經過減震溝截面時發生反射與原地震波產生干涉疊加使振動響應放大[10]；當S大于L時，減震溝減振效果隨著S的減小先提升后降低，當S為2.0 m時相應的減振率最高，地面質點的Vz值從32.29 cm/s降至6.51 cm/s，降幅達到79.8%。總體而言，模擬所得減振率與文獻[8]所報道的結果接近，表明開挖較長、較深并且離震源較近的減震溝減振效果較好，但如果實際中每次進行爆破拆除時都開挖此類減震溝，工程量較大且成本偏高。

圖4 有減震溝與無減震溝時Vz峰值分布

Fig.4 Distribution ofVzpeak values with/without damping ditch

2 塌落沖擊試驗

2.1 試驗過程

分別以廢棄機動車、沙袋作為緩沖墊層或直接沖擊地面，按5組不同工況進行塌落物觸地試驗，具體試驗工況見表4。選用與數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型的緩沖墊層，試驗現場如圖5所示。為了使車輛大梁充分受力變形以耗散能量，在試驗中將所有廢棄車輛內部填充帶有鋼骨架的廢棄座椅以及部分廢棄鋼構件，另外用鐵絲將車門固定鎖死防止爆開。

表4 試驗工況

(a)工況1 (b)工況2 (c)工況3 (d)工況4 (e)工況5

圖5 試驗現場照片

Fig.5 Test site photos

在試驗場中布置2個測點用來測量地面質點振動響應分量，每個測點均使用3個拾振器。測點a到落錘工作區邊緣水平距離為640 cm，偏移中心線220 cm，測量豎向加速度、水平切向加速度及豎向速度等振動響應分量；測點b到落錘工作區邊緣水平距離為540 cm，偏移中心線120 cm，測量豎向加速度、水平徑向加速度及豎向速度等振動響應分量，具體布置如圖6 所示，水平切向為x軸方向，豎直方向(垂直紙面向外)為y軸方向，水平徑向為z軸方向。

圖6 測點位置圖

2.2 試驗結果與分析

2個測點共獲得6個振動響應分量，均完整記錄了地表振動響應，其中各工況下測點b記錄的豎向振速Vy時程曲線如圖7所示。由圖7可見，在工況2、3、4以廢棄機動車為緩沖墊層條件下測點的振動持續時長為0.3 s左右，而在工況1和5條件下相應的時長僅有0.2 s左右。不過以廢棄機動車作為緩沖物時，振動持續時長雖略有增加，但振動峰值卻顯著降低。

(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，測點所測振動響應分量及對應振動頻率。從表5中可以看出，在工況1無緩沖物條件下，測點b及a振動響應分量監測結果表明，隨著測點到落錘工作區邊緣水平距離的增加，測點豎向速度及加速度峰值均有所減小；在所測振動響應分量中，測點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，測點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個測點所測振動響應分量峰值相比工況1時的相應值均有明顯下降，但部分分量對應的振動頻率改變不大。除振速外，振動頻率也是影響建筑物安全的重要因素，測點監測結果表明，所有工況條件下，振動加速度豎向分量的平均頻率高于其水平振動分量相應值，各振動分量頻率介于10～40 Hz之間，接近一般建筑物的主振頻率及低階頻率。

表5 地表振動響應監測結果

3 數值模擬與沖擊試驗綜合分析

表6所示為對應塌落沖擊試驗測點b處振動響應分量的數值模擬結果。比較表5中工況1條件下測點b處的監測結果與表6中無減震溝條件下相應分量的模擬值可知，模擬值與實測結果數值接近，表明計算模型較好地反映了實際塌落物觸地振動過程，模擬結果準確度較高。從表6還可看出，相比無減震溝狀態，有減震溝的模型模擬結果中，振動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 振動分量數值模擬

根據測點所監測有緩沖層工況條件下各振動分量數值相比無緩沖層(工況1)時相應值的變化，計算出對應的減振率列于表7。由表7結合表6模擬計算結果可見，在采用廢棄機動車作為緩沖層的3種工況條件下，減振效果整體優于減震溝，且在同一工況下，距離震源更近的測點b較測點a各振動分量的減振率更高，尤其以微型面包車作為緩沖物時減振效果最好，能將測點b的豎向振動速度由無緩沖層時的5.608 cm/s降至0.124 cm/s，降幅高達97.8%，該處其它振動分量減振率也均在96%以上，且該工況下各振動響應分量僅為工況2及工況4相應值的50%左右；采用沙袋作為緩沖層時減振效果一般，各振動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，采用廢車作為緩沖層減振效果顯著，這是因為當重物沖擊廢車時，車身骨架及大梁發生塑性變形充分吸收能量，并將動能轉化為緩沖物的應變能，大大減小傳遞到地面的能量，從而達到良好的減振效果。工況3中微型面包車車身及輪轂產生的塑性變形最為明顯，因此其減振效果也最好。此外，廢車作為緩沖層使用后可再次回收，能大大降低工程成本。不過實際工程相比試驗環境，往往塌落物總能量更大，所需廢車量更多，通過數值模擬估算塌落體勢能即可粗略估計出廢車數量，但試驗中廢車尚有耗能余地，廢車車型也復雜多樣，因此還需更深入研究。

表7 不同工況下振動分量的減振率(%)

4 結論

(1)落錘沖擊數值模擬與塌落沖擊試驗動力響應規律較一致。

(2)減震溝、廢車及沙袋緩沖等措施均能在一定程度上降低地面質點振動響應峰值。無緩沖條件下，地面質點振動響應豎向分量峰值隨著測點到落錘工作區邊緣水平距離的增加而逐漸衰減。相比無緩沖工況，采用廢車作為緩沖層時，振動持續時間雖稍有增加，但振動峰值顯著減小。所有工況下，振動加速度豎向分量的平均振動頻率高于其水平分量相應值，采用廢車及沙袋緩沖對地面質點部分振動分量頻率影響不大。

(3)綜合分析表明，對塌落振動的減振效果以廢棄機動車尤其微型面包車為緩沖層時為最佳，減震溝次之，沙袋緩沖最差。