爆破振動測試技術

爆破振動測試技術第1頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日

爆破地震效應被公認為爆破的“公害”之首。對建構筑物的危害尤為嚴重，一直是爆破工作者關注的熱點。本章著重講述爆破地震波的形成、特征；爆破震動強度及破壞判據(jù)；爆破地震測試技術和反應譜理論。4.1爆破地震波及爆破地震效應4.1.1爆破地震波

(1)爆破地震波的形成及特征

炸藥在巖土中爆炸時，一部分能量對炸藥周圍的介質引起擾動，并以波動形式向外傳播。通常認為：在爆炸近區(qū)（藥包半徑的10~15倍）傳播的是沖擊波。在中區(qū)（藥包半徑的15~400倍）為應力波。因應力波到達界面產(chǎn)生反射和折射疊加便形成地震波。地震波是一種彈性波，它包含在介質內部傳播的體波和沿地面?zhèn)鞑サ拿娌ā?/p>

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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產(chǎn)生壓縮和拉伸變形。其特點是周期短，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質點產(chǎn)生剪切變形。其特點是周期較長，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3頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日

在短距離內，三種波（P波、S波、R波）幾乎一起到達，因而辯認地震波的類型是非常復雜的。而在遠距離處，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)一段時間后，波形逐漸衰減。第4頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日由于多采用毫秒微差起爆，導致波群相互干擾和重疊，增加了爆破地震波形的復雜性，因此，在實測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5頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日

(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)時間TE三個基本參數(shù)表示。

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

頻率f0（或周期T0）：一般用最大振幅所對應的一個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)振動特征，屬頻域較寬的隨機信號，用頻譜分析法得出的頻譜可描述其頻率特征。

振動持續(xù)時間TE：是指測點振動從開始到全部停止的時間。反映振動衰減的快慢。由于記錄到的持續(xù)時間和儀器靈敏度有關，儀器靈敏度高，測得的振動持續(xù)時間就長，反之則短。因此，關于振動持續(xù)時間的定義還不統(tǒng)一，確定的方法也各異。第6頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日4.1.2爆破地震動及爆破地震效應

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

爆破地震效應是一個比較復雜的問題，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、傳播介質和地形條件等。同時，對建筑物的災害而言，爆破地震波僅是外部條件，而建筑物的結構特性和材料特性是其內部條件。它又與地基特性和約束條件以及施工質量等因素有關。因此，爆破地震效應是一個包含建（構）筑物本身以及爆破地震波多種因素的綜合性的現(xiàn)象。

第7頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日國內外對爆破地震效應進行了大量的研究。主要研究的問題可以歸納為兩個方面：

（1）爆破地震波的特征及傳播規(guī)律；（2）爆破地震波對建筑物的影響。為解決這一問題，一方面是加強對各種爆破條件下爆破地震波的特性分析和對建構筑物危害的現(xiàn)象和破壞特征的宏觀調查；另一方面是加強對與爆破危害相應的爆破地震波的特征參數(shù)、結構的動力響應及結構動力特性參數(shù)的測試。以宏觀調查資料以及爆破振動測試數(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力響應關系。因此，爆破振動測試是研究爆破地震效應的基本手段和方法。

第8頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日4.1.3衡量爆破震動強度的物理量及破壞判據(jù)的確定

(1)衡量爆破震動強度的物理量

爆破震動強度可以用介質質點運動的各物理量來衡量，如質點振動位移、速度和加速度。但以哪種物理量作為衡量標準最合適，目前在國內外有不同觀點。

一種觀點認為以介質質點振動速度較好。其理由是，通過大量觀測表明，爆破地震破壞程度與振動速度大小的相關性比較密切。較其它物理量而言，振動速度與巖土性質有較穩(wěn)定的相關關系，規(guī)律性較好。另一觀點則認為用振動加速度作為衡量標準。因為加速度可以反映作用在建筑物或構筑物基礎上的荷載大小，從而揭示結構的受力狀態(tài)及破壞機理。目前多采用振動速度作為衡量安全的主要物理量。第9頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日

通過國內外大量實測結果分析表明：反映爆破震動強度的諸多物理量與炸藥量、爆心距、巖土性質及場地條件等因素密切相關。雖然各個國家試驗條件各不相同，但大致上都可總結得出以下形式的經(jīng)驗公式：A=KQmRn

式中A--反映爆破震動強度的物理量（振動速度或加速度）；Q--炸藥量；R--測點至爆源中心的距離；K、m、n--反映不同爆破方式、地質、場地條件等因素的系數(shù)。第10頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日

以質點振動速度作為衡量爆破震動強度的物理量時，根據(jù)爆破方式的不同，有下列經(jīng)驗公式：對于集中藥包爆破：

對于延長藥包爆破：式中v--質點振動最大速度，cm/s，Q--炸藥量，kg（齊發(fā)爆破時為總裝藥量，延遲爆破時，為最大一段的裝藥量）；R--測點距爆源中心的距離，m；K--與爆破場地條件有關的系數(shù)；α--與地質條件有關的爆破地震波衰減系數(shù)。

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質點振動最大加速度計算經(jīng)驗公式與振動最大速度經(jīng)驗公式的形式相同，只是K、α系數(shù)不同。

K、α數(shù)值是根據(jù)現(xiàn)場試驗所測得數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計分析得到的，數(shù)值變化范圍較大。因此，選取應十分慎重，一般通過現(xiàn)場爆破試驗求得。對于一些重要工程，往往通過小藥量現(xiàn)場爆破試驗，測得質點振動最大速度或最大加速度，再進行回歸分析，從而得到比較符合實際情況的K、α數(shù)值。若按工程類比法選取時，只能以與工程建設場地的地質條件和爆破方式相似的經(jīng)驗公式中的K、α數(shù)值作參考。

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(2)爆破震動破壞判據(jù)引起建筑構筑物或巖體破壞的爆破震動強度臨界值稱為爆破震動破壞判據(jù)。對于不同的物理量，如位移、速度、加速度等，都有相應的破壞判據(jù)。由于建構筑物或巖體本身的多樣性，雖然經(jīng)過了大量的實測工作，但要確定出一個統(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)程或實際應用中，將建（構）筑物的破壞程度大致分為無破壞、輕微破壞和嚴重破壞三類。并給定每一類破壞的臨界值。根據(jù)測試資料，規(guī)定一般建（構）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13頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日86年頒布的國家標準《爆破安全規(guī)程》(GB6722一86)規(guī)定主要類型建構筑物地面質點的安全震動速度為：（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1Ocm/s；中等穩(wěn)定有良好支護2Ocm/s；圍巖穩(wěn)定無支護80cm/s。在評價爆破震動對建構筑物的危害時，除用位移、速度、加速度作為破壞判據(jù)外，還應考慮爆破振動持續(xù)時間對建構筑物的累積破壞作用，振動頻率與建構筑物固有頻率之間的關系。

第14頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日4.2爆破振動測量儀器4.2.1測振傳感器（拾振器）

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

(1)慣性式傳感器的力學原理

慣性質量塊M用一彈簧和阻尼器掛在傳感器的外殼上，組成一個“質量-彈簧-阻尼”單自由度彈性系統(tǒng)。儀器外殼固定在振動體上，當振動體振動時，傳感器外殼隨著振動，從而激勵“質量-彈簧-阻尼”系統(tǒng)振動。慣性式傳感器構造示意圖第15頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日

根據(jù)結構動力學理論，單白由度彈性系統(tǒng)由于基礎位移引起強迫振動時，質量M的運動微分方程為：

假定振動體作簡諧振動，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，特解為強迫振動。由于系統(tǒng)具有阻尼，自由振動項在阻尼的作用下很快消失，可忽略不計，故只考慮代表穩(wěn)態(tài)振動的強迫振動。其解為：第16頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日

上式也就是傳感器的響應方程。式中式中ω為振動圓頻率；為傳感器“質量-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動規(guī)律是相同的，均為簡諧運動，只相差一個相位角。所以，采用慣性式傳感器能夠如實地反映振動體的振動信號。但是，傳感器輸出y所表示的振動物理量與頻率比和阻尼比ζ有關，它可以是位移、速度和加速度。(4.1)第17頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日

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-調整慣性塊位置手柄，7-垂直拉簧

當拾振器置于振動體上并隨著一起振動時，擺錘由于慣性處于靜止狀態(tài)，線圈和磁鋼產(chǎn)生相對運動，線圈切割磁力線，于是在線圈兩端產(chǎn)生與振動速度成正比的感應電勢，通過輸出端即可測得振動速度。由于65型拾振器的固有頻率低、靈敏度高，可用來測量低頻、微幅的振動。用一臺拾振器可分別測量垂直和水平方向振動。

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振儀，工作原理是相同的，都是基于電磁感應的原理，把振動體的振動速度轉變?yōu)楦袘妱觿?。?8頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日

701型拾振器

701型拾振器也是慣性擺式速度傳感器，它的結構、工作原理與65型拾振器基本一樣。在儀器內部裝有積分電路，因此，它不僅可測量振動速度，也可測量振動位移。它可測量微振，也可測量低頻大位移。701型拾振器有701-S型和701-Z型，分別測量水平和垂直方向振動。還具有體積小、重量輕、攜帶方便的優(yōu)點。第19頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日壓電式加速度計示意圖1-殼體，2-硬彈簧，3-質量塊，4-輸出端，5-壓電晶體片，6-基座（3）壓電式加速度計

壓電式加速度計的構造及工作原理

慣性質量塊放在壓電晶體上，并用硬彈簧施加一定的預應力，可減少晶體受壓力時引起的非線性誤差，提高測量精度。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)，構成一個彈簧常數(shù)為瓦的彈K簧，系統(tǒng)阻尼用C表示，這就構成了單自由度系統(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。質量塊相對于外殼的位移與振動體的振動加速度成正比，即。第20頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日當被測物體振動時，加速度計“質量－彈簧－系統(tǒng)”的質量塊由于受到慣性力作用，作用在壓電晶體片上的振動壓力為根據(jù)壓電晶體的“壓電效應”，當壓電晶體片承受壓力作用時，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：壓電式加速度計的輸出電荷或輸出電壓與被測物體的振動加速度成正比。第21頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日

壓電式加速度計的主要性能及特性

(1)安裝諧振頻率。加速度計安裝在被測物體上，加速度基座與被測物體連成一個整體。在這種情況下加速度計中的“質量－彈簧”系統(tǒng)的固有頻率就稱為安裝諧振頻率，它比加速度計自身的諧振頻率低。加速度計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在單位加速度下的電荷輸出量或電壓輸出量。第22頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日

(3)橫向靈敏度。所謂橫向靈敏度是指加速度計橫向運動響應的靈敏度。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、切片加工時的精度等因素有關外，還與使用時的安裝質量有關。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，可能會使橫向靈敏度由3~4％增加到15~20%。

(4)頻率響應。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%，壓電式加速度計的諧振頻率一般都在1OkHz以上。下限主要受測量儀器低頻響應的限制，采用電荷放大器，頻率下限可達0.3Hz，甚至達到0.003Hz。第23頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日

(5)加速度計的動態(tài)范圍。是指加速度計可測的加速度范圍。加速度計的動態(tài)范圍下限取決于測量儀器的輸出噪聲水平，而上限取決于加速度計內壓電晶體所承受的最大壓力或最大非線性度。

因此，每種型號加速度計的動態(tài)范圍上限是不同的，如國產(chǎn)的YD－l型加速度計最大可測加速度為2OOm/s2，YD－15型壓電式加速度計為8OOOOm/s2,YD-13型卻只為1Om/s2.除以上主要特性外，還有加速度底座應變效應，溫度靈敏度，磁場靈敏度和聲場靈敏度等特性，對測試結果都有一定的影響。第24頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日4.2.2測振放大器由測振傳感器輸出的電信號一般很微弱，需要放大后才能供顯示和記錄。測振放大器就是將微弱的電信號進行放大的裝置。一般測振放大器中還裝置有微積分電路、濾波電路等。所以，它不僅對信號有放大作用，還有對信號進行微分、積分和濾波的功能。測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相配。

(1)磁電式速度傳感器中的放大器一般有幾個通道，可同時放大多路信號，內設置有微積分網(wǎng)絡，包括一個微分電路和兩個積分電路，它可直接與磁電式速度傳感器配套使用，用來測量速度、加速度和不同頻率范圍的位移。第25頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日

測振儀的主要性能指標：頻率響應：2~1OOOOHz（＜5%）；電壓測量范圍：O~1OmV~31.6V分八擋；精度：測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）；振動測量范圍：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26頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日

(2)壓電式加速度計測試系統(tǒng)放大器壓電式加速度計具有高輸出阻抗的特性。相連放大器輸入阻抗的大小將對測試系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重大影響。一般的測振放大器的輸入阻抗低。因此，在測試系統(tǒng)中必須設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27頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日4.2.3測振記錄設備

記錄儀的基本作用是記錄和顯示被測振動物理量隨時間變化的曲線，以便進行分析、處理。因此，要求記錄設備能完全真實地記錄、存貯所測量的振動信號，以確保分析結果的可靠和精確度。4.2.4測振系統(tǒng)的標定爆破振動測試系統(tǒng)中各種儀器、設備的性能參數(shù)對測試結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)廠家對各種儀器的性能指標參數(shù)都進行了校準測試。但用戶在使用中為確保振動測試的質量，往往需要對測振儀器的主要性能參數(shù)進行定期標定和檢驗。第28頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日測振儀器的標定可分為分部標定和系統(tǒng)標定。

分部標定：分別對測振傳感器、放大器、記錄儀進行各種壯能參數(shù)的標定。

系統(tǒng)標定：將傳感器、放大器和記錄儀組成的測試系統(tǒng)進行全系統(tǒng)的連機標定，以得到輸入量與記錄量之間的定量關系。在爆破振動測試中，常采用的是測試系統(tǒng)的標定。常用的標定方法是在標準振動臺上進行。測試系統(tǒng)標定的主要內容有頻率響應、靈敏度和線性度等。第29頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日4.3爆破地震效應測試4.3.1爆破地震效應測試目的了解和掌握爆破地震波的特征、傳播規(guī)律以及對建筑物的影響、破壞機理等，以防止和減少對建筑物的破壞，達到最有效地控制爆破地震波危害的目的。首先要利用經(jīng)驗公式初步估算爆破振動強度，然后參照目前常用的爆破破壞判據(jù)，判斷爆破振動效應的大小。一般都要先進行小規(guī)模的爆破試驗，通過實地測試爆破振動強度的資料，求得符合該爆破條件下的K、α值，再用來作為進行爆破設計的參數(shù)。第30頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日4.3.2爆破地震波的測試

爆破地震波測試的實質就是測量爆破地震動下介質質點的振動規(guī)律。實際上只需要測量到爆破地震動時介質質點的振動位移、速度、和加速度的時間歷程曲線（振動波形圖）。通過分析計算即可得到表征地震波特性的基本參量、幅值、持續(xù)時間、主頻率及頻譜。傳感器安裝方向應與所測量質點的運動分量一致。第31頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日4.3.3爆破地震波對建筑結構震動效應的測試

(1)爆破地震波對建筑結構震動效應用質點振動速度和加速度對預估建構筑物的震動效應和安全程度有一定的參考價值，但不能反映結構的真實受力狀態(tài)和特性,無法揭示建構筑物的破壞機理。因為它忽視了結構本身的固有特性(如固有頻率和阻尼)對震動效應的影響。

根據(jù)結構動力學理論,在爆破地震作用下,結構的效應與地震波的強度、頻率特性以及結構的固有頻率和阻尼比等因素密切相關。當結構本身的固有頻率與爆破地震波的主頻一致或接近時，結構將產(chǎn)生劇烈的振動。因此，用爆破地震波物理量衡量地震波對建構筑物的的振動效應只能是一個粗略的估計。第32頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日

爆破震動與建筑物的結構響應實質上是結構的振動問題。在結構力學中，反映結構振動響應的最基本參量是結構構件應力、振動位移和加速度來表述。

結構振動應力和位移是反映結構振動響應的最基本的參量，直接反映了結構內部的受力特性和變形情況以及結構的工作狀態(tài)和破壞機理。

結構振動加速度也是反映爆破地震效應的一個重要參量，它描述了在爆破地震作用下結構振動慣性力大小。可以確定作用在結構上的動荷載，對結構抗爆抗震設計是很重要的。當結構中的應力大于極限強度時，結構將發(fā)生破壞。位移過大也是安全上不允許的。第33頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日（3）結構動力響應測試

爆破地震作用時結構的動力響應主要包括結構的震動應力、位移和加速度響應。一般采用電測法。

A.結構震動應力測量一般是用電阻應變測量法進行結構應變的測量，再根據(jù)彈性力學理論中的應力應變關系，由測得的應變值求得所要測量的動應力。

（2）確定動力響應的方法：

A.試驗測試法。由于影響波的因素復雜和爆破震動模型相似率的不成熟。目前還無法采用模型實驗來確定結構動力響應。主要還是通過實際測試來確定；

B.動力分析法。借用計算機技術和地震工程學中的反應譜理論，分析探討結構的動力響應。第34頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日單向應力狀態(tài)：平面應力狀態(tài)：

測試時，應根據(jù)結構構件的受力特點，在構件上選擇有代表性的部位布置應變測點，按構件的受力狀態(tài)布置不同的應變片。對單向應力狀態(tài)布置單向應變計，對平面應力狀態(tài)可布置直角應變花或等角應變花。第35頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日

B.結構震動位移測量結構振動位移的測試是在結構的待測部位裝位移傳感器，通過測振放大器及記錄儀器可得到結構振動位移隨時間變化的過程--位移波形圖，再根據(jù)測試系統(tǒng)的標定結果，由位移波形圖可得到工程上所關心的最大位移幅值，還可以應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或加速度信號經(jīng)一次積分或二次積分，變?yōu)槲灰菩盘枴５?6頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日

C.結構震動加速度測量

結構振動加速度測試系統(tǒng)和測試方法與爆破地震波加速度測試基本相同。測試時根據(jù)結構受力情況，在具有代表性的部位布置加速度測點，根據(jù)需要安裝單軸向加速度計或三軸向加速度計。

結構振動位移測試是指結構絕對位移的測試。若要測量結構對地面振動的相對位移時，應同時測量地面振動位移，然后根據(jù)它們的相位關系確定相對位移?；蛘哂孟鄬κ轿灰朴?，設法使傳感器一端固定在地面上，另一端活動桿與結構測點相接觸，這樣測量的結果就是結構與地面的相對位移。第37頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日4.3.4測試結果分析與處理爆破地震波和結構爆破振動效應的測試結果是反映各種振動信息的曲線，即振動波形圖。它包含著與爆破振動有關的信息和無關的信息。信號分析和數(shù)據(jù)處理就是通過數(shù)學方法來突出與爆破振動有關的信息，而壓縮無關的信息。爆破地震動是一種隨機振動，在記錄到的波形圖上的頻率、幅值都是隨時間不規(guī)則變化的，爆破地震波和結構動力響應信號都屬于隨機信號。一般需要專門的數(shù)據(jù)分析儀或計算機進行來處理。但在實際中也用人工的方法進行初步簡單的分析和處理。第38頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日

(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直接測得的波形進行分析，從波形圖上量取確定有用的數(shù)據(jù)。這個分析方法比較筒單、省時、實用，又具有一定精度。

A.振幅A當波形圖在基線兩側很不對稱時，一般只讀取峰值，即讀取最大幅值，振動參量數(shù)值是將振動波形的幅值除以測振儀器系統(tǒng)的標定靈敏度值cm/s/mm。第39頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日

B.振動頻率（周期）

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

C.振動持續(xù)時間

指測點運動開始到全部停止所持續(xù)的時間。由于實測的波形圖上質點運動開始和停止的時間不易確定，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為至的一段時間作為爆破振動持續(xù)時間。第40頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日

（2）頻譜分析由振動理論分析可知：復雜的振動信號是由不同頻率的諧波迭加而成的。其中只有一個或幾個頻率的諧振動是主要的，相應的頻率稱為主頻率。由于地質條件、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時，結構的響應大小與地震波的頻率特性有關。

（3）經(jīng)驗公式的建立一般認為，爆破震動強度質點振動速度、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)驗公式表示為：第41頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日根據(jù)測得的A和已知的Q、R，利用回歸分析方法就可確定K、α系數(shù)。在進行波形分析處理時，應保證分析的原始波形要正確，否則將會造成錯誤的結果。第42頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日4.4爆破地震反應譜及其測試4.4.1概述建筑物結構在爆破地震作用下的動力響應取決于輸入結構基底的爆破地震波的特征和建筑結構的特性。用前面介紹的測試方法可以直接得到在一定的爆破條件下某一特定的結構的動力響應，這對研究該結構在一定爆破條件下的工作狀態(tài)，受力特性是很有價值的，但達仍有很大的局限性。首先，由于建筑物的多樣性，爆破條件的復雜性，有限數(shù)量的測試資料不能反映不同地震波的特征，以及結構的動力特性對結構動力響應影響的結果。第43頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日其次，從結構抗爆抗震的設計要求，更重要的是需要確定作用在結構上的爆破地震荷載。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，進行結構抗震設計，被認為是比較成熟的。它是根據(jù)實測的強地震的加速度記錄來計算地震反應譜，或者直接利用儀器測量反應譜曲線。由于地震反應譜曲線綜合考慮了地面加速度特征及結構物的固有特性，因此，根據(jù)地震反應譜進行結構的抗震設計和分析是比較可靠的，實踐證明，利用反應譜進行結構抗震設計或分析已建成的結構的安全性，是非常簡便而有用的。第44頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日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，造成建筑物的破壞；兩者的地震動強度均明顯地與震源能量、震源距離有關；兩者的地震動參數(shù)都受地質地形等因素的影響。爆破與天然地震的上述相似性及它們在地震波傳播理論的共同性，是使這兩個領域能密切聯(lián)系在一起的重要原因。因此將地震反應譜理論引用到爆破地震中來是完全有可能的。

當然，爆破地震與天然地震也有顯著差別，如爆破地震動有如下特點：（1）幅值高、衰減快。（2）頻率高；（3）持續(xù)時間短。由于這些特點，使得在爆破地震和天然地震下結構破壞程度不同。如天然地震加速度最大值平均為O.lm/s2時，相當于地震烈度7度，一般會造成房屋一定程度的破壞,而爆破地震加速度最大值有時甚至達到1.0m/s2時,才會引起房屋輕微破壞。第45頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日在地震工程中應用反應譜理論有三個基本假定：第一，結構地基相當于剛性平面，且其特征尺度相對于地震波波長短，在其上各點的運動完全一致；第二，地面運動過程可以用強地震觀測儀記錄表示；第三，結構是彈性的。這三個假定對于爆破工程來說一般也都是成立的。因此，估計建筑物在爆破地震作用下的動力響應及確定結構的爆破地震荷載可以采用地震工程中已被廣泛應用的反應譜理論。隨著工業(yè)建設的發(fā)展和爆破技術應用的日益廣泛，在爆破工程實踐中，越來越迫切要求了解各類建筑物抗爆抗震的性能。因此，把反應譜理論應用于研究建筑物、工業(yè)構筑物等的動力計算是爆破工程中需要努力解決的一個課題。第46頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日4.4.2反應譜理論基本概念

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

第47頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日根據(jù)結構動力學理論，一個單自由度彈性體系在地震作用下的運動方程式為式中M--質體質；C--系統(tǒng)的阻尼；K--系統(tǒng)的剛度；--分別為地面運動的位移、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48頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日將上式除以質體質量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的積分表達式，式中的ω，為考慮阻尼時的體系自振頻率。當阻尼很小時可以取ω=ω，，就可得最大位移為：第49頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日當阻尼比給定時，對于每一個地震加速度記錄，由上式可以計算一條umax與自振周期T（或自振頻率f）之間的關系曲線，稱之為最大位移反應譜。地震反應譜曲線第50頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日4.4.3用試驗法直接確定反應譜曲線除數(shù)值計算方法確定反應譜曲線外，我們還可以用地震反應譜測試儀直接測量爆破地震反應譜。

（1）反應譜測試儀原理由單自由度彈性體系的地震反應表達式可以看出，結構的地震響應大小取決于以下三個因素：A.地面運動加速度的特性；B.結構的自振頻率；C.結構的阻尼比。因此，在一定的爆破條件下的反應譜只與結構的自振特性有關，而與結構的材料、形狀、大小差異無直接關系。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子（即單自由度彈性體系）來模擬不同的單自由度結構，將爆破震動下各振動子的最大位移或最大加速度記錄下來，就可繪制爆破振動反應譜曲線。反應譜測試儀就是根據(jù)此原理制成的。第51頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日

(2)反應譜測試儀

反應譜測試儀（也可稱為多擺儀）由一系列不同自振頻率的振動子、底座、底板、記錄板等部件構成。反應譜測試儀示意圖1一振動子,2一底座，3一底板,4一記錄板,5一記錄板支架，6一劃針振動子由質體和簧片組成，質體為金屬結構，簧片為一定厚度的彈簧鋼板。振動子固定在底座及底板上，使其只能在一個平面上運動，構成一個懸臂式單自由度體系。在質體上裝有一金屬劃針。各振動子的自振頻率應該在一般爆破地震動的頻率范圍內，同時還要能代表在爆區(qū)內建筑物的自振頻率。

第52頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日第53頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日4.4.4地震反應譜的應用我們根據(jù)輸入結構的一條爆破地震加速度時程曲線得到的爆破地震反應譜曲線，只是對這個特定的爆破地震動的一種描述。為了預先估計爆破地震對建筑物安全的影響，進行工程抗震設汁，就需要對不同類型爆破地震記錄進行計算，得出相應許多爆破地震反應譜曲線，然后采取平均反應譜或外包絡線處理方法，最后得到的就是設計反應譜。如北京水利水電科學研究院根據(jù)不同類型的近二百條爆破地震實測記錄，計算出一族反應譜曲線，采用外包絡線方式，歸納出爆源近區(qū)和遠區(qū)兩條抗震設計反應譜。第54頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日第55頁，共63頁，2023年，2月20日，星期日第56頁，共63頁，202