爆炸塔炸药空爆振动衰减及对邻近建筑影响试验(1).pdf

第 35 卷 第 1 期 2018 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 1 ▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂ Mar. 2018 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2018. 01. 004 爆炸塔炸药空爆振动衰减及对邻近建筑影响试验* 冯阳阳 1， 2， 蒲传金1， 2， 肖定军1， 2， 贺高威1， 2， 李健钰1， 2， 徐金贵1， 2 （1. 西南科技大学 环境与资源学院， 绵阳 621010; 2. 非煤矿山安全技术四川省高等学校重点实验室， 绵阳 621010 摘 要 基于 2. 5 kg TNT 当量爆炸塔实验场地， 设计 3 组不同炸药量 1. 0 kg、 1. 5 kg、 2. 0 kg 、 4 种不同药 包悬置高度 0. 5 m、 1. 0 m、 1. 5 m、 2. 0 m 的空爆振动试验， 研究爆炸塔内不同炸药量距地面不同高度裸露 药包爆炸振动的衰减规律及对邻近建筑物和仪器设备的影响规律。结果表明 振动持续时间在 0. 3 s 左右， 质点振动主频主要集中于 21 30 Hz 之间； 距爆心水平距离小于 14 m 时， 水平径向振动速度衰减速率比垂 直方向快； 大于 14 m 时， 垂直方向振动速度衰减速率快。轻气炮厅的地基结构自身经过隔震处理具有良好 的隔震效果， 爆炸塔内试验炸药量越大、 药包悬置高度越高， 隔震效果越好； 通过在邻近建筑物第一、 二层相 同位置的测试结果发现， 第二层的振动速度出现振动放大现象， 这种现象随药包悬置高度增加而降低， 随炸 药量增加而增大。依据爆破安全规程 GB67222014 的标准， 三组试验爆炸塔内空爆振动不会对周围建筑 物及轻气炮造成损害。 关键词 爆炸塔；爆炸振动；衰减规律；轻气炮；建筑物 中图分类号 O384； TD235 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X 2018 01 -0021 -06 Test of Vibration Attenuation and Influence on Adjacent Buildings of Explosive Airburst inside Blast Containment Chamber FENG Yang-yang1， 2， PU Chuan-jin1， 2， XIAO Ding-jun1， 2， HE Gao-wei1， 2， LI Jian-yu1， 2， XU Jin-gui1， 2 （1. School of Environment and Resource， Southwest University of Science and Technology， Mianyang 621010， China; 2. Non-Coal Mine Safety Technology Key Laboratory of Sichuan Province Colleges and Universities， Mianyang 621010， China Abstract Based on 2. 5 kg TNT equivalent blast containment chamber experimental site， three groups of differ- ent doses（1. 0 kg， 1. 5 kg， 2. 0 kg ， four different charge suspension height（0. 5 m， 1. 0 m， 1. 5 m， 2. 0 mof air- burst vibration test were designed to study the attenuation law and regularity of influence on adjacent buildings and e- quipment from explosion vibration caused by different doses of bare charges from different height to the ground inside blast containment chamber. The results show that vibration lasts at about 0. 3 s， and the main frequency is concentrat- ed on 21 30 Hz; when the horizontal distance from explosion center less than 14 m， the attenuation rate of horizontal radial vibration velocity is faster than the vertical direction; when it is greater than 14 m， the attenuation rate of vibra- tion velocity of the vertical direction is greater. Foundation structure of light-gas gun hall through isolation processing has good vibration isolation effect， the more for test doses inside blast containment chamber and the higher for charge suspension， the isolation effect is better. It is found by testing results in the same position on the first and second floor of the adjacent building that the vibration velocity on second floor appears vibration amplification phenomenon， which decreases with increasing charge suspended height and increases with the in amount of explosive. According to the safety regulations for blasting （GB67222014 ， the cartridge explosion vibration tests in air inside the blast contain- ment chamber will not damage the surrounding buildings or the light-gas gun. Key words blast containment chamber;explosion vibration;attenuation law;light-gas gun;buildings 万方数据 收稿日期 2017 -10 -12 作者简介 冯阳阳 （1993 - ， 男， 河南襄城人， 硕士研究生， 主要从事 工程爆破和安全研究，（E-mail 496818125 qq. com。 通讯作者 蒲传金 （1979 - ， 男， 硕士、 副教授， 主要从事工程爆破及 矿山安全等方面的教学与科研工作，（E-mail puchuanjin sina. com。 基金项目 四川省教育厅青年基金项目 （项目编号 10zd1011 爆炸塔作为抗爆建筑， 是爆炸作业、 试验和加工 等的重要场所 [1]。在爆炸塔中进行爆炸时， 产生的 地震波会对邻近建筑和仪器设备产生不利影响， 避 免损害相邻建筑和仪器设备是在爆炸塔内进行爆炸 试验的前提 [2， 3]。 对爆炸塔 （爆炸容器 的研究已有半个多世纪， 但是主要针对爆炸塔 （爆炸容器 结构强度和隔振 系统方面 [4-6]， 却较少关注爆炸塔 （爆炸容器 内爆 炸产生的振动对其邻近建 （构 筑物及重要仪器设 备的影响。然而， 在爆炸塔的使用过程中， 爆炸产生 的地震波对邻近建筑和仪器设备仍有较强的冲击振 动影响， 因此， 研究爆炸塔 （爆炸容器 内爆炸地震 波传播规律具有重要价值。胡八一等对 10 kg TNT 当量爆炸容器系统在五种 TNT 当量加载下邻近建 筑地表的加速度进行监测， 验证邻近建筑的安全 性 [7]。管永红等通过小波包分析爆炸容器振动分 量在不同位置的时频特征以及能量分布情况， 得到 爆炸容器的振动信号能量分布处于较宽的频带范 围， 振动能量随时间变化的发展出现剧烈变化 [8]。 以上成果主要从减震角度研究爆炸塔 （爆炸容器 振动规律及邻近建筑物的动力响应， 缺乏对地震波 传播特性及邻近建筑产生的高程放大效应的研究。 张士春对爆炸容器内小药量炸药爆炸时产生的冲击 振动对周边建筑物的影响有了初步认识， 但实验炸 药量局限于 100 g 以内的小药量范围 [9]。鉴于此， 以 2. 5 kg TNT 当量爆炸塔为实验平台， 通过振动监 测， 研究爆炸塔内不同悬置高度、 不同炸药量药包爆 炸振动衰减规律及对邻近建筑和仪器设备的影响。 1 爆炸塔及周边环境简介 西南科技大学新建特种实验楼于 2015 年 9 月 投入使用， 主要包括爆炸塔和轻气炮实验室等， 爆炸 塔与轻气炮实验室相对位置如图 1 所示。一级轻气 炮如图 2 所示。 爆炸塔设计当量为 2. 5 kg TNT， 内部直径 8 m， 塔体内部高度 9 m; 墙体为钢纤维混凝土， 厚度为 0. 6 m， 塔外侧设置隔振沟， 宽度 0. 8 m， 深度 2 m。 轻气炮实验室内安装有 1 套双炮管 （炮管直径 分别为 37 mm 和 57 mm 轻气炮实验系统， 轻气炮 实验室大厅和轻气炮与爆炸塔中心的距离分别为 9 m、 15 m， 由于距离较小， 爆炸塔内爆炸振动是否 对大厅和轻气炮产生不利影响是爆炸塔能够通过验 收的重要前提。 图 1 爆炸塔及邻近建筑设施与测点布置示意图 Fig. 1 Sketch map of blasting tower and adjacent 图 2 一级轻气炮 Fig. 2 One-stage light-gas gun building facilities and measuring points 2 爆炸试验与振动测试设计 2. 1 爆炸实验设计 共设 计 3 组 试 验， 炸 药 量 分 别 为 1. 0 kg、 1. 5 kg、 2. 0 kg。每组试验 4 次， 其药包悬置高度 （与爆炸塔地面距离 分别为 0. 5 m、 1. 0 m、 1. 5 m、 2. 0 m。为减小爆炸对爆炸塔地板衬砌钢板和木板 的破坏， 第 3 组药包悬置 0. 5 m 的实验未实施。炸 药为球形乳化炸药包， 8 号瞬发电雷管起爆。 2. 2 爆炸振动测试设计 爆炸振动测试系统由三向速度传感器、 振动记 录仪和计算机组成。振动记录仪为成都中科测控有 限公司 TC-4850 型和成都泰测科技有限公司 Blast- NET 型振动记录仪， Blast-NET 型爆炸测振仪采样速 率达 10 000 sps， TC-4850 型爆炸测振仪采样速率为 8 k， 采样时长为 2 s。 振动测试测点布置如图 1 所示， 共布置 7 个测 22爆 破 2018 年 3 月 万方数据 点， 测点 1、 2、 3、 7 布置在实验楼第一层混凝土地面 上， 测点 4 布置在测点 3 正对位置的第二层楼板上， 测点 5、 6 布置在轻气炮实验大厅内混凝土地面上， 测点 6 布置在轻气炮实验系统的基础上。实验时， 传感器用石膏固定。 3 爆炸振动测试结果及分析 3. 1 测试结果 每个测点三个方向的爆炸振动速度最大峰值 （PPv 及主频 （f 见表 1 表 3， 典型振动速度波形曲 线如图 3 所示。 3. 2 爆炸振动波形特性分析 （1 振动幅值 3 组爆炸振动测试， 各测点峰值振幅主要出现 在垂直方向上， 水平切向振幅最小。 （2 振动持时 爆炸振动波形呈现周期性递减趋势， 波形衰减 周期在 0. 3 s 左右， 出现这种振动特点的波形， 原因 可能与爆炸塔底板镶嵌钢板有关， 在爆炸荷载作用 下， 钢板发生简谐振动。同时， 可以判断爆炸振动持 时在 0. 3 s 左右， 与文献 [5] 中爆炸振动持时小于 0. 2 s相近。 （3 振动主频 测点振动主频主要集中于 21 30 Hz 之间， 测 点 1 振动主频随着药包悬置高度的增加呈上升趋 势， 炸药量对振动主频并无显著规律性影响。其余 测点， 振动主频随药包悬置高度和炸药量的变化几 乎没有发生变化。 表 1 第 1 组试验爆炸振动峰值 Table 1 Explosion vibration peak of first sets of tests 1 -1 1 -2 1 -3 1 -4 测点 水平 距离/ m PPv/ （cms -1 f/ Hz PPv/ （cms -1 f/ Hz PPv/ （cms -1 f/ Hz PPv/ （cms -1 f/ Hz 18. 350. 364270. 327310. 357430. 44556 214. 150. 208230. 235230. 208230. 27324 322. 850. 168210. 168210. 143210. 10421 422. 850. 200210. 194210. 172210. 19922 511. 560. 216210. 215210. 210210. 21821 615. 240. 269210. 261210. 240210. 24621 731. 650. 063210. 064210. 062210. 06921 表 2 第 2 组试验爆炸振动峰值 Table 2 Explosion vibration peak of second sets of tests 2 -1 2 -2 2 -3 2 -4 测点号 水平 距离/ m PPv/ （cms -1 f/ Hz PPv/ （cms -1 f/ Hz PPv/ （cms -1 f/ Hz PPv/ （cms -1 f/ Hz 18. 350. 598260. 486280. 498430. 55753 214. 150. 434240. 458240. 397240. 48525 322. 850. 308210. 280220. 241220. 26122 422. 850. 363210. 331220. 286220. 32122 511. 560. 369210. 335220. 297220. 33122 615. 240. 453210. 419220. 364220. 37022 731. 650. 106210. 100220. 088220. 10122 表 3 第 3 组试验爆炸振动峰值 Table 3 Explosion vibration peak of third sets of tests 3 -1 3 -2 3 -3 测点号 水平 距离/ m PPv/ （cms -1 f/ Hz PPv/ （cms -1 f/ Hz PPv/ （cms -1 f/ Hz 18. 350. 763290. 65031 214. 150. 644250. 673250. 65725 322. 850. 402220. 388220. 35522 422. 850. 481220. 464220. 42822 511. 560. 428220. 426220. 39322 615. 240. 560220. 518220. 45922 731. 650. 131220. 126220. 11422 32第 35 卷 第 1 期 冯阳阳， 蒲传金， 肖定军， 等 爆炸塔炸药空爆振动衰减及对邻近建筑影响试验 万方数据 图 3 典型振动速度波形 Fig. 3 Typical vibration velocity wave 3. 3 爆炸振动速度衰减规律分析 3. 3. 1 爆炸振动速度随水平距离变化规律分析 通过测点 1、 2、 3、 7 研究爆炸塔周围振动衰减规 律， 振速变化曲线如图 4 所示。 从图 4 可知， 水平径向、 切向及垂直方向振动速 度随着距爆心水平距离的增大逐渐减小， 符合萨道 夫斯基公式的振动衰减规律; 整体上， 测点垂直方向 的振速大于其水平径向的振速， 切向振速最低。因 此， 主要分析径向和垂向振速。 图 4 第一组试验质点振速曲线 Fig. 4 Particle vibration velocity curve of the first sets of tests 从测点1 到测点2， 距爆心水平距离从8 m 增加到 14 m， 水平径向振速降低到1/4 左右， 而垂直方向降低 到2/3 左右， 表明水平径向振动速度衰减速率比垂直 方向快， 这说明爆炸塔隔振沟对水平径向的衰减作用 显著， 与文献 [5] 的结论一致; 距爆心水平距离超过 14 m之后， 水平径向振动速度衰减速率非常缓慢， 而垂 直方向振动速度衰减速率大于水平径向。 3. 3. 2 悬置高度对爆炸地震波的影响 图 5 图 8 分别给出了测点 1、 2、 3、 7 振速随药 包悬置高度变化曲线， 由图可知， 对测点 1 来说， 水 平径向振速随药包悬置高度的增加而增加， 垂直方 向振速随药包悬置高度增加无显著规律性变化; 当 药包悬置高度达到某一值， 水平径向振速超过垂直 方向振速， 其它测点未出现此类现象。测点 2 水平 径向和垂直方向振速随药包悬置高度增加无明显变 化。测点 3 水平径向振速随药包悬置高度增加无明 显变化， 垂直方向振速随药包悬置高度增加呈降低 趋势。测点 7 水平径向和垂直方向振速随药包悬置 高度增加呈降低趋势。 （注 图 5 图 8 中 “1， 2， 3” 分别代表第 1， 2， 3 组试验 3. 3. 3 炸药量对爆炸地震波的影响 从图 5 图 8 及试验数据可知， 随着炸药量的 增加， 各监测点的三个方向上振速随之增加。 3. 4 爆炸振动对邻近建筑和轻气炮影响分析 3. 4. 1 爆炸振动对邻近建筑影响分析 （1 爆炸振动对框架结构影响安全判据确定 根据爆破安全规程 （GB67222014 给出的爆 破振动安全允许标准， 爆炸塔周围建构筑物参照 “一般民用建筑物” 类别。各测点振动主频均 ＞ 10 Hz， 按照从严控制的原则， 爆炸塔周围建构筑物 按 “一般民用建筑物， 主振频率 ＞10 Hz， 其安全允许 振动速度为 2. 000 cm/ s” 的情况来处理; 三组试验 中两层办公楼测点4 处最大振速为0. 481 cm/ s ＜ 控 制标准 2. 000 cm/ s。 图 5 测点 1 振速随悬置高度变化曲线 Fig. 5 Point 1 vibration velocity variation curve with suspension height （2 爆炸振动对邻近建筑影响分析 测点 2 距爆心水平距离大于测点 5， 除 2 次试 验的垂直方向测点 2 振速略小于测点 5， 其余试验 测点 2 水平径向及垂直方向振速均大于测点 5， 说 明爆炸产生的地震波是非平稳的随机复合波 [10， 11]。 出现这种现象， 与轻气炮厅的地基结构设计有关， 为 了减轻轻气炮及其附属设备受到的振动效应， 轻气 炮厅四周进行了隔震处理， 试验数据也验证了轻气 炮厅的隔震效果。 42爆 破 2018 年 3 月 万方数据 图 6 测点 2 振速随悬置高度变化曲线 Fig. 6 Point 2 vibration velocity variation curve with suspension height 图 7 测点 3 振速随悬置高度变化曲线 Fig. 7 Point 3 vibration velocity variation curve with suspension height 图 8 测点 7 振速随悬置高度变化曲线 Fig. 8 Point 7 vibration velocity variation curve with suspension height 测点垂直方向的振速远大于水平径向， 因此以 垂直方向为例进行分析。相对测点 2， 测点 5 峰值 振速降低量随药包悬置高度变化规律如图 9 所示; 由图可知， 随着药包悬置高度的增加测点 5 的峰值 振速降低量增大， 说明随着药包悬置高度的增加， 轻 气炮厅隔震效果整体增强。随着炸药量的增加， 测 点 5 的峰值振速降低量增大， 说明轻气炮厅隔震效 应愈明显， 隔震效果越好。 表 4 是二楼测点 4 相对于一楼测点 3 在水平径 向、 切向和垂直方向上的振速放大量， 对比一、 二楼 层测点可以发现， 二楼在三个方向上的振速放大量 有如下规律 水平径向上二楼振速比一楼有所降低， 水平切向和垂直方向上二楼振速比一楼增大， 出现 高程放大现象， 说明对于两层办公楼， 随着楼层的升 高， 振动能量更多的向水平切向和垂直方向转移， 峰 值振速集中在垂直方向上， 因此对两层办公楼振害 的控制主要从垂直方向的振速入手。 图 9 测点 5 振速降低量随悬置高度变化规律 Fig. 9 Variation law of point 5 vibration velocity decrement with suspension height 对垂直方向测点 4 振速增量随炸药悬置高度和 炸药量变化规律进行分析， 如图 10 所示。由图可 知， 除去两处突变点， 随着炸药悬置高度的增加， 二 楼的高程放大效应总体降低， 在试验条件允许下， 适 当增加药包悬置高度， 可以降低高程放大效应。随 着炸药量的增加， 二楼的高程放大效应随之增加。 其中在第 “1 -4” 次试验发生突变， 极大可能与测点 周边环境有关。 图 10 测点 4 振速放大量随悬置高度变化规律 Fig. 10 Variation law of point 4 vibration velocity magnification with suspension height 3. 4. 2 爆炸振动对轻气炮影响分析 （1 爆炸振动对轻气炮影响安全判据确定 根据爆破安全规程 （GB67222014 给出的爆 破振动安全允许标准， 轻气炮参照 “运行中的水电 站及发电厂中心控制设备” 类别。测点振动主频均 ＞10 Hz， 按照从严控制的原则， 轻气炮按 “运行中的 水电站及发电厂中心控制设备， 主振频率 ＞ 10 Hz， 其安全允许振动速度为 0. 600 cm/ s” 的情况来处 理。三组试验中轻气炮测点 6 处最大振 速 为 0. 560 cm/ s ＜ 控制标准 0. 600 cm/ s。 52第 35 卷 第 1 期 冯阳阳， 蒲传金， 肖定军， 等 爆炸塔炸药空爆振动衰减及对邻近建筑影响试验 万方数据 表 4 测点 4 振速放大量 Table 4 Point 4 vibration velocity magnification 悬置 高度/ m 径向 1. 0 kg 炸药振速增量/ （cms -1 切向垂向径向 1. 5 kg 炸药振速增量/ （cms -1 切向垂向径向 2. 0 kg 炸药振速增量/ （cms -1 切向垂向 0. 5-0. 0090. 0250. 032-0. 0190. 0440. 055 1. 0-0. 0120. 0230. 026-0. 0230. 0390. 051-0. 0350. 0480. 079 1. 5-0. 0090. 0210. 029-0. 0220. 0340. 045-0. 0470. 0450. 076 2. 0-0. 0050. 0340. 095-0. 0300. 0330. 060-0. 0490. 0370. 073 （2 爆炸振动对轻气炮影响分析 对比测点 5、 6， 可以发现， 随着距爆心水平距离 增加， 垂直方向振速反而增加。这可能与测点 6 的 布置位置有关系， 测点 6 传感器安装在轻气炮旁边， 轻气炮底座安装在深度 60 cm 的凹槽里， 导致振动 波发生边界放大效应。 相对测点 5， 测点 6 峰值振速放大量随药包悬 置高度变化规律如图 11 所示。由图可知， 随着药包 悬置高度的增加测点 6 的峰值振速放大量降低， 说 明随着药包悬置高度的增加， 边界放大效应逐渐减 小， 在试验条件允许下， 适当增加药包悬置高度， 有 利于轻气炮的维护。随着炸药量的增加， 测点 6 的 峰值振速放大量增大， 说明随炸药量的增加， 边界放 大效应增强。 图 11 测点 6 振速放大量随悬置高度变化规律 Fig. 11 Variation law of point 6 vibration velocity magnification with suspension height 4 结论 通过对爆炸塔周边 7 个测点进行振动监测分 析， 得到以下结论 （1 爆炸塔内药包爆炸振动持续时间在 0. 3 s 左右， 各测点振动主频主要集中在 21 30 Hz 之间， 最大振动速度主要出现在垂直方向， 水平切向振动 速度最小。距爆心水平距离小于14 m 时， 水平径向 振速衰减快， 大于 14 m 时垂直方向振速衰减快; 测 点 1 随药包悬置高度增加水平径向振速增大效应 显著。 （2 轻气炮厅隔震效果与爆炸塔内试验炸药量 和药包悬置高度有关， 药量越大、 药包悬置越高， 隔 震效果越好; 两层建筑结构振动高程放大效应随药 包悬置高度增加而降低， 随炸药量增加而增大。 （3 依据爆炸振动对框架结构及轻气炮影响的 安全判据， 3 组试验爆炸塔内空爆振动不会对周围 建筑物及轻气炮造成损害。 参考文献 References [1] 赵士达. 爆炸力学实验室 [J] . 科研工程， 1996， 18 （4 1-6. 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