废车、减震沟及沙袋缓冲对塌落振动减振效果对比研究

牛华伟，朱 洋，陈政清，曾炯坤,2，张继峰,3

(1. 湖南大学风工程试验研究中心，湖南 长沙，410082；2. 广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东 广州，510062；3. 佛山市铁路投资建设集团有限公司，广东 佛山，528000)

在实施爆破拆除工程时，高耸建筑物塌落触地振动往往相较于爆破振动所引起的动力响应更加显著，且其振动频率更接近一般结构物的自振频率[1]，危害较大，因此该类振动的控制问题一直受到众多研究者的关注。常用的塌落触地振动控制方法主要通过控制震源或地震波的传播途径[2]，其中震源控制采用分段折叠爆破技术，微差爆破以减小建筑物倒塌触地的总能，同时铺设缓冲物改变倒塌建筑物与触地点地层间的动力响应，从而减小触地振动强度；控制地震波的传播途径大多借助开挖减震沟[3]，相应减振机理为，当建筑物塌落触地所产生的地震波到达减震沟主体时，由于空气的声阻抗与土体的波阻抗相比几乎可以忽略不计[4]，地震波能量接近完全反射，其余传播到减震沟底的地震波则会在减震沟处绕行，如此一来，可大大降低减震沟外的地震波能量，从而减小地面质点振动。张志毅等[5]对常用爆破振动控制方法进行了总结；梁开水等[6]通过数值模拟研究了不同长度、宽度及深度的减震沟减震效果；郭涛等[7]利用ANSYS/LS-DYNA计算软件模拟研究了不同位置条件下减震沟的减震效应；侯舜等[8]的研究表明，当减震沟内充满水时，会降低减震沟的减振效果。孙崔源等[9]进行了爆破振动试验，研究了改变爆源、加减震孔等多种措施的减振效果，所得减振率最高可达到25.6%；蓝鹏等[10]通过落锤冲击试验研究了不同尺寸减震沟的减振效果，利用回归分析得到减震沟作用下塌落冲击地震波传播规律。当前，爆破拆除工程领域中的减振研究多集中在减震沟减震，而针对其它减振措施如利用缓冲垫层等的报道较少。

对处于建筑物及交通密集地带的城市建筑进行爆破拆除时，往往因空间不足，无法开挖减震沟。而分段折叠爆破技术主要应用于高耸结构如烟囱、冷却塔等，对于普通高层建筑结构、体育馆、工业厂房等并不适用。因此寻找新型有效的塌落振动减振措施是爆破领域中亟待解决的问题，相应的模型试验研究也必不可少。基于此，本文利用ANSYS/LS-DYNA建立起有、无减震沟条件下的塌落物冲击地面模型模拟塌落振动过程，并以废旧机动车、沙袋等为缓冲垫层进行塌落冲击试验，通过比较分析模拟与试验结果，研究了废旧机动车及其它缓冲物的减振效果，以期为相关工程实践合理选择减振措施提供参考。

1 数值模拟

1.1 模型的建立

利用ANSYS/LS-DYNA软件建立塌落物与地面冲击模型来研究塌落振动地震波的传播规律，基准模型见图1。考虑到实际地形，场地土体整体尺寸为5 m×15 m×30 m，两侧土体厚度均为3 m，分别高出地面5 m和10 m，网格尺寸为0.2 m×0.2 m；落锤尺寸为0.66 m×1 m×3.5 m，每个边长平分3段，共分为27个单元，落锤重约6吨，模型中采用Solid164单元模拟土体与落锤。土体组元采用LS-DYNA软件自带材料模型*MAT_DRUCKER_PRAGER。落锤组元相较于土体刚性较大，不会产生较大变形及发生破坏，因此建模时将其视为弹性体，材料为*MAT_ELASTIC。土体与落锤的具体材料参数分别见表1及表2。将土体的侧面及地面设置为无反射边界*BOUNDRY_NON_REFLECTING，顶面为自由边界，用来模拟半无限体。落锤拟从6 m高度处自由下坠，为了节省运算时间，用*INITIAL_VELOCITY设置初始下坠速度为10.38 m/s，在0.5m高度处下坠。模拟结果中均对响应峰值进行研究，分析终止时间设置为0.5 s。

图1 基准模型

表1 土体材料参数

Table 1 Soil mass material parameters

参数密度/g·cm-3剪切模量/MPa泊松比黏聚力/kPa内摩擦角/(°)土体1.8160.252326

表2 落锤材料参数

进一步在基准模型上增加减震沟构造。因减震沟深度相较于其长度及宽度对减振效果影响更明显[11]，经多次计算，最终确定具有减震沟的有限元模型如图2所示，图2中，以落锤工作区中心为原点，L为原点到减震沟内侧沿z方向的水平距离(1.5 m)，S为原点到任一地面质点沿z方向的水平距离。减震沟的具体尺寸与位置见表3。

图2 带减震沟有限元模型

表3 减震沟尺寸及位置

1.2 模拟结果与分析

无减震沟时地面质点分别沿水平径向(z)、水平切向(x)及竖向(y)相应的振速峰值Vz、Vx、Vy随S的衰减曲线如图3所示。由图3可见，无减震沟时地面质点水平径向振速Vz峰值响应最大，竖向振速Vy峰值次之，水平切向振速Vx峰值响应最小，因此取其水平径向振速Vz为分析对象。

图3 振速峰值分布

有、无减震沟条件下地面质点的水平径向振速峰值Vz随S的衰减曲线如图4所示。由图4可见，当S小于L时，在有减震沟条件下地面质点的Vz值较无减震沟时稍大，这是因为地震波经过减震沟截面时发生反射与原地震波产生干涉叠加使振动响应放大[10]；当S大于L时，减震沟减振效果随着S的减小先提升后降低，当S为2.0 m时相应的减振率最高，地面质点的Vz值从32.29 cm/s降至6.51 cm/s，降幅达到79.8%。总体而言，模拟所得减振率与文献[8]所报道的结果接近，表明开挖较长、较深并且离震源较近的减震沟减振效果较好，但如果实际中每次进行爆破拆除时都开挖此类减震沟，工程量较大且成本偏高。

图4 有减震沟与无减震沟时Vz峰值分布

Fig.4 Distribution ofVzpeak values with/without damping ditch

2 塌落冲击试验

2.1 试验过程

分别以废弃机动车、沙袋作为缓冲垫层或直接冲击地面，按5组不同工况进行塌落物触地试验，具体试验工况见表4。选用与数值模拟中的落锤重量相同的混凝土梁作为塌落物，借助吊车将其吊至距地面6 m高处后自由释放，直接冲击地面或不同类型的缓冲垫层，试验现场如图5所示。为了使车辆大梁充分受力变形以耗散能量，在试验中将所有废弃车辆内部填充带有钢骨架的废弃座椅以及部分废弃钢构件，另外用铁丝将车门固定锁死防止爆开。

表4 试验工况

(a)工况1 (b)工况2 (c)工况3 (d)工况4 (e)工况5

图5 试验现场照片

Fig.5 Test site photos

在试验场中布置2个测点用来测量地面质点振动响应分量，每个测点均使用3个拾振器。测点a到落锤工作区边缘水平距离为640 cm，偏移中心线220 cm，测量竖向加速度、水平切向加速度及竖向速度等振动响应分量；测点b到落锤工作区边缘水平距离为540 cm，偏移中心线120 cm，测量竖向加速度、水平径向加速度及竖向速度等振动响应分量，具体布置如图6 所示，水平切向为x轴方向，竖直方向(垂直纸面向外)为y轴方向，水平径向为z轴方向。

图6 测点位置图

2.2 试验结果与分析

2个测点共获得6个振动响应分量，均完整记录了地表振动响应，其中各工况下测点b记录的竖向振速Vy时程曲线如图7所示。由图7可见，在工况2、3、4以废弃机动车为缓冲垫层条件下测点的振动持续时长为0.3 s左右，而在工况1和5条件下相应的时长仅有0.2 s左右。不过以废弃机动车作为缓冲物时，振动持续时长虽略有增加，但振动峰值却显著降低。

(a)工况1

(b)工况2

(c)工况3

(d)工况4

(e)工况5

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

表5所示为5种工况条件下，测点所测振动响应分量及对应振动频率。从表5中可以看出，在工况1无缓冲物条件下，测点b及a振动响应分量监测结果表明，随着测点到落锤工作区边缘水平距离的增加，测点竖向速度及加速度峰值均有所减小；在所测振动响应分量中，测点b处的水平径向加速度峰值最大，该处的竖向加速度峰值次之，测点a处竖向速度峰值最小。在其余4种有缓冲物的工况条件下，2个测点所测振动响应分量峰值相比工况1时的相应值均有明显下降，但部分分量对应的振动频率改变不大。除振速外，振动频率也是影响建筑物安全的重要因素，测点监测结果表明，所有工况条件下，振动加速度竖向分量的平均频率高于其水平振动分量相应值，各振动分量频率介于10～40 Hz之间，接近一般建筑物的主振频率及低阶频率。

表5 地表振动响应监测结果

3 数值模拟与冲击试验综合分析

表6所示为对应塌落冲击试验测点b处振动响应分量的数值模拟结果。比较表5中工况1条件下测点b处的监测结果与表6中无减震沟条件下相应分量的模拟值可知，模拟值与实测结果数值接近，表明计算模型较好地反映了实际塌落物触地振动过程，模拟结果准确度较高。从表6还可看出，相比无减震沟状态，有减震沟的模型模拟结果中，振动加速度分量平均下降了80%左右，各速度分量也降幅明显，尤其二者均以各自水平径向的分量减振效果为最佳。

表6 振动分量数值模拟

根据测点所监测有缓冲层工况条件下各振动分量数值相比无缓冲层(工况1)时相应值的变化，计算出对应的减振率列于表7。由表7结合表6模拟计算结果可见，在采用废弃机动车作为缓冲层的3种工况条件下，减振效果整体优于减震沟，且在同一工况下，距离震源更近的测点b较测点a各振动分量的减振率更高，尤其以微型面包车作为缓冲物时减振效果最好，能将测点b的竖向振动速度由无缓冲层时的5.608 cm/s降至0.124 cm/s，降幅高达97.8%，该处其它振动分量减振率也均在96%以上，且该工况下各振动响应分量仅为工况2及工况4相应值的50%左右；采用沙袋作为缓冲层时减振效果一般，各振动分量减振率最高仅为51.2%，减振效果不如减震沟。综合分析表明，采用废车作为缓冲层减振效果显著，这是因为当重物冲击废车时，车身骨架及大梁发生塑性变形充分吸收能量，并将动能转化为缓冲物的应变能，大大减小传递到地面的能量，从而达到良好的减振效果。工况3中微型面包车车身及轮毂产生的塑性变形最为明显，因此其减振效果也最好。此外，废车作为缓冲层使用后可再次回收，能大大降低工程成本。不过实际工程相比试验环境，往往塌落物总能量更大，所需废车量更多，通过数值模拟估算塌落体势能即可粗略估计出废车数量，但试验中废车尚有耗能余地，废车车型也复杂多样，因此还需更深入研究。

表7 不同工况下振动分量的减振率(%)

4 结论

(1)落锤冲击数值模拟与塌落冲击试验动力响应规律较一致。

(2)减震沟、废车及沙袋缓冲等措施均能在一定程度上降低地面质点振动响应峰值。无缓冲条件下，地面质点振动响应竖向分量峰值随着测点到落锤工作区边缘水平距离的增加而逐渐衰减。相比无缓冲工况，采用废车作为缓冲层时，振动持续时间虽稍有增加，但振动峰值显著减小。所有工况下，振动加速度竖向分量的平均振动频率高于其水平分量相应值，采用废车及沙袋缓冲对地面质点部分振动分量频率影响不大。

(3)综合分析表明，对塌落振动的减振效果以废弃机动车尤其微型面包车为缓冲层时为最佳，减震沟次之，沙袋缓冲最差。