本發(fā)明涉及到爆破振動(dòng)能量分析領(lǐng)域，具體涉及一種多層建筑物的吸收爆破振動(dòng)能量舒適性評(píng)價(jià)方法。

背景技術(shù)：

隨著水利、鐵路、公路和城市建設(shè)等項(xiàng)目越來(lái)越多，鄰近人群聚居區(qū)的爆破作業(yè)越來(lái)越多，爆破作業(yè)誘發(fā)的爆破地震效應(yīng)導(dǎo)致的居民的抱怨、投訴和民事糾紛越來(lái)越多。大量調(diào)查研究表明：“人對(duì)伴隨爆破引起的地面與空氣擾動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)高度敏感”，人敏感的程度大約是建(構(gòu))筑物的10倍以上。滿足振動(dòng)舒適度要求的振動(dòng)強(qiáng)度小于使結(jié)構(gòu)破壞的安全限值，單從建筑結(jié)構(gòu)安全角度并不能很好地解決這種不滿和糾紛。人體的煩惱和不安甚至投訴主要是由對(duì)爆破作業(yè)的煩惱效應(yīng)、對(duì)建筑被破壞的擔(dān)憂和驚擾效應(yīng)共同引起的，是一種典型的振動(dòng)舒適性而非安全性問(wèn)題。近年來(lái)，爆破振動(dòng)舒適性問(wèn)題已經(jīng)受到美國(guó)、加拿大、澳大利亞、英國(guó)、印度和中國(guó)等國(guó)學(xué)者的關(guān)注，正如很多學(xué)者所說(shuō)，這一問(wèn)題已經(jīng)從結(jié)構(gòu)損傷問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)槿绾螠p少投訴的問(wèn)題，人們對(duì)振動(dòng)的感知是進(jìn)一步研究爆破振動(dòng)的一個(gè)重要方面和新的研究課題。

人體對(duì)于爆破振動(dòng)的反應(yīng)受到一系列因素的影響，主要的影響因素有爆破振動(dòng)的振幅、頻率和持續(xù)時(shí)間等。目前被廣泛采用作為評(píng)價(jià)爆破振動(dòng)舒適性的指標(biāo)有爆破振動(dòng)峰值強(qiáng)度、最大加權(quán)振動(dòng)烈度KB_Fmax、四次方振動(dòng)劑量值VDV和煩惱率指標(biāo)等。爆破振動(dòng)峰值強(qiáng)度指標(biāo)雖然易于理解且容易獲得，但忽略了頻率、持續(xù)時(shí)間等因素影響?！白畲蠹訖?quán)振動(dòng)烈度”KB_Fmax指標(biāo)實(shí)質(zhì)上還是一種經(jīng)過(guò)頻率計(jì)權(quán)的峰值振速。四次方振動(dòng)劑量值VDV計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜且易引入計(jì)算誤差。文獻(xiàn)提出了“煩惱率”的舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)，但其計(jì)算更為復(fù)雜，且對(duì)于爆破振動(dòng)這種瞬態(tài)振動(dòng)的適用性依然存疑。對(duì)于不同的舒適性評(píng)價(jià)方法，其對(duì)應(yīng)的舒適度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也有較大差別。文獻(xiàn)建議峰值爆破振動(dòng)速度(PPV)不大于5mm/s，同一年中可以有5％的概率超過(guò)5mm/s，但絕對(duì)不能超過(guò)10mm/s，對(duì)于長(zhǎng)期出現(xiàn)的爆破振動(dòng)建議不超過(guò)2mm/s。Chiappetta研究指出，建筑結(jié)構(gòu)的地面振動(dòng)水平達(dá)到0.76-2.54mm/s時(shí)人的感受很明顯，振動(dòng)水平在2.54-7.6mm/s可以令人不安，高于7.6mm/s時(shí)非常不舒適。張志毅等提出了爆破振動(dòng)的人性化控制指標(biāo)：地面上的有感振動(dòng)閾值為0.7mm/s，心理可承受的振動(dòng)閥值為5mm/s。于蕾通過(guò)分析多層建筑對(duì)爆破振動(dòng)的響應(yīng)及建筑內(nèi)人員的反應(yīng)，得出了白天可接受的振動(dòng)控制指標(biāo)分別為0.3cm/s(<10Hz)，0.3～0.5cm/s(10Hz～50Hz)，0.5～0.7cm/s(>50Hz)。酈東東等評(píng)價(jià)了碼頭土石方爆破作業(yè)時(shí)對(duì)人體舒適性的影響，得出當(dāng)KB_Fmax指標(biāo)小于3.0時(shí)，此時(shí)爆破振動(dòng)峰值振動(dòng)速度小于5mm/s，爆破振動(dòng)不會(huì)引起人體的煩惱。吳永剛等結(jié)合爆破 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出在計(jì)算加速度振級(jí)低于110dB，就可以將爆破振動(dòng)有害效應(yīng)降至最低，實(shí)現(xiàn)和諧生產(chǎn)。陳士海等分析提出了基于小波分析的能量評(píng)價(jià)指標(biāo)E_k作為舒適性評(píng)價(jià)方法，并結(jié)合工程實(shí)例得到了相應(yīng)的舒適性判據(jù)。目前爆破振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)形式各樣，不同標(biāo)準(zhǔn)間的差別較大，采用不同的爆破振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)，所得到的結(jié)論可能不同，甚至是相反的。

當(dāng)人體處于建筑物特別是高層建筑物中時(shí)，高層建筑物在爆破振動(dòng)作用下會(huì)發(fā)生動(dòng)力響應(yīng)，人體接受到的爆破振動(dòng)能量大小和頻率組成也將發(fā)生變化。高富強(qiáng)等分析了建筑結(jié)構(gòu)在爆破振動(dòng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性，得出結(jié)構(gòu)各部分振動(dòng)速度隨高度的增加具有不同程度的放大作用。于蕾通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)樓房不同層高的振動(dòng)響應(yīng)，指出低頻爆破振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致高層建筑產(chǎn)生頂層振動(dòng)放大效應(yīng)，而遠(yuǎn)大于自振頻率的高頻振動(dòng)不易隨樓層升高產(chǎn)生振動(dòng)放大效應(yīng)。張永興等通過(guò)對(duì)隧道上部地表建筑進(jìn)行振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)峰值振動(dòng)速度隨測(cè)點(diǎn)高度的增大有明顯的放大效應(yīng)，且測(cè)點(diǎn)高度越大，放大效應(yīng)越明顯。王振偉等對(duì)爆破地震波作用下框架建筑的動(dòng)力響應(yīng)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)自振頻率接近于爆破地震波的輸入頻率時(shí)，爆破振動(dòng)速度會(huì)被顯著放大。目前相關(guān)放大效應(yīng)研究多用于評(píng)價(jià)建筑物安全，對(duì)位于多層建筑物中的人體接受到的爆破振動(dòng)能量和舒適感受的變化研究較少。傳統(tǒng)舒適度評(píng)價(jià)方法，如爆破振動(dòng)峰值強(qiáng)度、最大加權(quán)振動(dòng)烈度KB_Fmax和四次方振動(dòng)劑量值VDV等，較少考慮多層建筑物因素的影響，有時(shí)候?qū)е滤玫氖孢m性結(jié)論不能完全反應(yīng)人體實(shí)際舒適性情況。

經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者和研究人員的大量研究，爆破振動(dòng)舒適效應(yīng)及其評(píng)價(jià)方法等逐漸被人們所認(rèn)識(shí)，然而，針對(duì)爆破振動(dòng)舒適性的研究起步較晚，相關(guān)研究較少，仍存在一定不足：

1)目前評(píng)價(jià)爆破振動(dòng)對(duì)人體影響的指標(biāo)大多采用峰值振動(dòng)速度、加速度和位移等，單一閾值評(píng)價(jià)指標(biāo)沒(méi)有考慮振動(dòng)頻率和持續(xù)時(shí)間等因素的影響。國(guó)內(nèi)研究人員嘗試采用振動(dòng)劑量VDV評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以同時(shí)考慮了爆破振動(dòng)三要素的影響，但計(jì)算VDV指標(biāo)首先要獲得可靠的爆破振動(dòng)加速度，而爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)大都是監(jiān)測(cè)振動(dòng)速度，客觀上制約了這一指標(biāo)的使用。而且，VDV指標(biāo)不能考慮人體自身和建筑物的振動(dòng)特性的影響。

2)傳統(tǒng)的峰值振動(dòng)速度等單一閾值評(píng)價(jià)指標(biāo)，以及VDV和KB_Fmax等指標(biāo)，均不能考慮多層建筑物對(duì)爆破振動(dòng)能量大小和頻率組成的影響，所以傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)用于建筑內(nèi)特別是多層建筑內(nèi)人體舒適性評(píng)價(jià)存在明顯不足。

3)目前國(guó)家在工程建設(shè)中大力倡導(dǎo)“以人為本，和諧發(fā)展”的理念，為了減少因爆破作業(yè)而引起的居民抱怨、投訴甚至民事糾紛，急需建立一套爆破振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)。目前，關(guān)于爆破振動(dòng)舒適性的評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)大都是以單一的峰值強(qiáng)度指標(biāo)為依據(jù)，仍然停 留在定性基礎(chǔ)上。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種多層建筑物的吸收爆破振動(dòng)能量舒適性評(píng)價(jià)方法，建立人體吸收爆破振動(dòng)能量(ABVE)的舒適性評(píng)判指標(biāo)，通過(guò)分析磚混建筑物和人體振動(dòng)特性，確定其對(duì)ABVE指標(biāo)的高程放大效應(yīng)和頻率構(gòu)成的定量化影響系數(shù)，通過(guò)對(duì)ABVE評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行定量的修正，準(zhǔn)確計(jì)算建筑中不同樓層人體接受的總的爆破振動(dòng)能量的大小和頻率組成，相較于傳統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，達(dá)到更準(zhǔn)確客觀評(píng)價(jià)爆破振動(dòng)舒適性的目的。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種多層建筑物的吸收爆破振動(dòng)能量舒適性評(píng)價(jià)方法，包括以下步驟：

步驟1：建立吸收爆破振動(dòng)能量指標(biāo)，包括爆破振動(dòng)總能量E、功率譜密度值、爆破振動(dòng)吸收能量值；

用能量傳遞和轉(zhuǎn)化來(lái)評(píng)價(jià)人體振動(dòng)特征，稱之為吸收爆破振動(dòng)能量，對(duì)于監(jiān)測(cè)所得到的爆破振動(dòng)數(shù)字信號(hào)，所述吸收爆破振動(dòng)能量v(t_i)為離散的爆破振速數(shù)字信號(hào)，n為總采樣點(diǎn)數(shù)，Δt是采樣的時(shí)間間隔；

用功率譜密度值對(duì)爆破振動(dòng)能量頻帶表征進(jìn)行分析，針對(duì)某個(gè)爆破振動(dòng)速度歷程v(t)進(jìn)行頻譜分析，得到不同的頻帶范圍f_i和相應(yīng)的功率譜密度值PSD_i，即W_f(f)在某一頻帶f_i處的值，則不同頻帶f_m≤f<f_n范圍內(nèi)的能量占總能量的大小為表示頻帶f_m≤f<f_n范圍內(nèi)的能量占總能量的比重；

得出不同頻帶范圍內(nèi)的爆破振動(dòng)吸收能量值為表示不同頻帶f_m≤f<f_n范圍內(nèi)的能量占總能量的比重，E表示吸收爆破振動(dòng)能量大?。?/p>

步驟2：通過(guò)每一層的振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到建筑物各樓層量化的能量放大系數(shù)γ_E，γ_E＝E_i/E₁，其中，E_i為二層及以上各層的吸收爆破振動(dòng)能量，i＝2，3，4，5，……，E₁為基礎(chǔ)部位的吸收爆破振動(dòng)能量；

步驟3：設(shè)f₀為結(jié)構(gòu)體的固有頻率，f_i為爆破振動(dòng)分量的激勵(lì)頻率，在爆破振動(dòng)荷載分量F_i sinω_it作用下，設(shè)則結(jié)構(gòu)體的位移放大系數(shù)為：

能量放大系數(shù)為

步驟4：設(shè)爆破振動(dòng)各頻率能量比重為爆破振動(dòng)能量各頻率成分受建筑物的影響權(quán)重為各個(gè)頻率能量對(duì)建筑物影響的參與權(quán)重有其中，γi為頻率比，其中f_n為建筑物的自振頻率；ζ₀為建筑物的結(jié)構(gòu)阻尼比；

根據(jù)爆破振動(dòng)能量組成和不同頻帶能量對(duì)建筑物的影響大小，對(duì)振動(dòng)能量進(jìn)行頻率計(jì)權(quán)，將這一能量計(jì)權(quán)值稱作建筑物頻率計(jì)權(quán)吸收爆破振動(dòng)能量，其中，E_fi即為第i層頻帶的頻率計(jì)權(quán)響應(yīng)能量，E_i為基礎(chǔ)部位爆破振動(dòng)各頻帶能量，是建筑物高程放大系數(shù)，表示對(duì)應(yīng)第i層頻帶f_i的能量比重，為第i層頻帶頻率成分受建筑物的影響權(quán)重；

步驟5：將各頻帶能量乘以人體振動(dòng)響應(yīng)計(jì)權(quán)系數(shù)，得到人體頻率計(jì)權(quán)吸收爆破振動(dòng)能量為：其中，E_f為建筑物中不同部位的人體頻率計(jì)權(quán)吸收爆破振動(dòng)能量，E_fi為第i層頻帶的建筑物頻率計(jì)權(quán)響應(yīng)能量，為第i層頻帶頻率成分人體振動(dòng)響應(yīng)計(jì)權(quán)系數(shù)。

根據(jù)上述方案，結(jié)構(gòu)阻尼比ζ₀在0.02～0.1之間。

根據(jù)上述方案，所述步驟5具體為：爆破地震波是在3個(gè)方向上同時(shí)向前傳播的，三個(gè)方向的振動(dòng)能量數(shù)值相加，即為振動(dòng)合效應(yīng)，對(duì)于爆破振動(dòng)這種瞬態(tài)沖擊振動(dòng)，將三個(gè)方向的振動(dòng)能量相加得E_t＝E_fx+E_fy+E_fz，其中，E_t為建筑物中不同部位人體吸收到的各方向的爆破振動(dòng)總能量，E_fx，E_fy，E_fz分別是水平徑向，水平切向和豎直向的人體頻率計(jì)權(quán)爆破振動(dòng)能量。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1)本發(fā)明建立了人體吸收爆破振動(dòng)能量的舒適性評(píng)判指標(biāo)，準(zhǔn)確計(jì)算了建筑中不同樓層人體接受的總的爆破振動(dòng)能量的大小和頻率組成，相較于傳統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，將爆破振動(dòng)特性、建筑物和人體振動(dòng)特性緊密結(jié)合起來(lái)，達(dá)到更準(zhǔn)確客觀評(píng)價(jià)爆破振動(dòng)舒適性的目的。

2)在分析多層建筑物振動(dòng)特性時(shí)，根據(jù)本發(fā)明提供的研究思路，進(jìn)行大量爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)和理論研究，獲得不同類型和高度建筑物對(duì)爆破振動(dòng)能量的影響系數(shù)，最終達(dá)到計(jì)算不同類型和高度建筑物不同部位的爆破振動(dòng)能量的目的。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明中監(jiān)測(cè)對(duì)象房屋結(jié)構(gòu)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置。

圖2為本發(fā)明中建筑物各層豎直向爆破振動(dòng)速度放大情況。

圖3為本發(fā)明中建筑物各層爆破振動(dòng)峰值速度放大情況。

圖4為本發(fā)明中建筑物各層爆破振動(dòng)能量放大情況。

圖5為本發(fā)明中有阻尼的單自由度體系受迫振動(dòng)模型。

圖6為本發(fā)明中單自由系統(tǒng)的幅頻特性曲線。

圖7為本發(fā)明中單自由系統(tǒng)的能量頻率特性曲線。

圖8爆破地震能量頻率特性曲線。

圖9為本發(fā)明中調(diào)整后的爆破地震能量頻率特性曲線。

圖10為本發(fā)明中ISO2631評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的頻率加權(quán)函數(shù)。

圖11為本發(fā)明中ENV12299評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)頻率加權(quán)曲線。

圖12為本發(fā)明中頻率計(jì)權(quán)曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

爆破作業(yè)將給臨近建(構(gòu))筑物的振動(dòng)舒適性產(chǎn)生不利影響，引起住戶的抱怨、不滿甚至投訴。將爆破振動(dòng)對(duì)人體的影響視為一種能量的傳遞和轉(zhuǎn)化過(guò)程，建立了人體吸收爆破振動(dòng)能量(ABVE)舒適性評(píng)判指標(biāo)。通過(guò)建筑物動(dòng)力響應(yīng)監(jiān)測(cè)和理論分析，研究建筑結(jié)構(gòu)對(duì)吸收爆破振動(dòng)能量指標(biāo)的高程放大效應(yīng)和不同頻率成分的選擇放大效應(yīng)，得到了典型4層磚混建筑對(duì)ABVE指標(biāo)的高程放大系數(shù)和不同頻率成分的選擇放大系數(shù)，據(jù)此可以計(jì)算該典型建筑不同部位特別是不同樓層ABVE指標(biāo)的大小和頻率組成。根據(jù)人體對(duì)不同頻率振動(dòng)的響應(yīng)特性，對(duì)ABVE指標(biāo)的頻率計(jì)權(quán)方法進(jìn)行簡(jiǎn)化，并通過(guò)計(jì)算各個(gè)方向的振動(dòng)合效應(yīng)，最終可以達(dá)到準(zhǔn)確計(jì)算建筑中不同樓層人體吸收各方向爆破振動(dòng)總能量的大小和頻率組成的目的，用于評(píng)價(jià)不同樓層人體的爆破振動(dòng)舒適性。

一、吸收爆破振動(dòng)能量ABVE指標(biāo)

人體對(duì)振動(dòng)的反應(yīng)不但與爆破振動(dòng)強(qiáng)度有關(guān)，還與振動(dòng)頻率、持續(xù)時(shí)間、人體動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性等有關(guān)。本發(fā)明將爆破振動(dòng)對(duì)人的影響看作是一種能量的傳遞和轉(zhuǎn)化，爆破作業(yè)是能量 源，爆破地震波可以看作能量載體，而建筑物中的人體可以看作能量受體，最終人體產(chǎn)生何種反應(yīng)可以看作受體的反應(yīng)結(jié)果。

在一定輸入和變形條件下，人體可看作線性系統(tǒng)，以線性集中參量系統(tǒng)來(lái)近似，即由無(wú)生命的質(zhì)量、彈性與阻尼元件等構(gòu)成的一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)。人體不同的部分具有各自的振動(dòng)頻率，當(dāng)爆破地震波傳至與人體接觸的地板或座椅等時(shí)，振動(dòng)能量被人體吸收，振動(dòng)能量產(chǎn)生流動(dòng)并沿全身傳遞，此時(shí)人體就產(chǎn)生振動(dòng)，慣性和彈性元件開(kāi)始吸收能量，直至輸入的振動(dòng)能量完全被耗散或轉(zhuǎn)移，即人體與振動(dòng)體之間存在一種能量的傳遞與轉(zhuǎn)化。

能量傳遞和轉(zhuǎn)化概念可用來(lái)評(píng)價(jià)人體振動(dòng)特征，本發(fā)明稱之為“吸收爆破振動(dòng)能量(Absorbed Blasting Vibration Energy，ABVE)”，以此作為表征人和振動(dòng)環(huán)境之間相互作用的參數(shù)?；谌梭w能量傳遞和吸收假設(shè)，單位時(shí)間人體吸收的爆破振動(dòng)能量可以用功率描述，而功率的力學(xué)模擬可以用其所作的功來(lái)度量。根據(jù)吸收能量是所消耗的振動(dòng)輸入的能量度量，人體在T時(shí)間內(nèi)的吸收能量可表示為

其中：E為人體的吸收能量；F(t)是輸入力函數(shù)，V(t)是輸入速度函數(shù)。

在爆破振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)中主要考慮振動(dòng)動(dòng)能，某個(gè)時(shí)刻的吸收爆破振動(dòng)能量可以用每個(gè)時(shí)刻振速的平方來(lái)表示，監(jiān)測(cè)得到的爆破振動(dòng)速度一般是離散的數(shù)字信號(hào)，式(1)可以改寫(xiě)為

式(2)中，v(t_i)為離散的爆破振速數(shù)字信號(hào)，n為總采樣點(diǎn)數(shù)，Δt是采樣的時(shí)間間隔。

爆破振動(dòng)總能量E表示了能量隨時(shí)間的變化情況，是沒(méi)有考慮頻率因素的能量。功率譜密度PSD(f)可以描述一定頻率范圍內(nèi)的諧波分量能量的相對(duì)大小，針對(duì)某個(gè)爆破振動(dòng)速度歷程v(t)進(jìn)行頻譜分析，得到不同的頻帶范圍f_i和相應(yīng)的功率譜密度值PSD_i，則任何一個(gè)頻帶范圍(f_m≤f<f_n)內(nèi)的能量占總能量的大小為

式中，表示頻帶f_m≤f<f_n范圍內(nèi)的能量占總能量的比重。

在按照式(2)得到吸收爆破振動(dòng)能量后，利用式(3)可以得到不同頻帶范圍內(nèi)的吸收爆破振 動(dòng)能量值為

因此，對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析后，將整個(gè)頻率域分段，聯(lián)立式(2)、(3)和(4)，即可計(jì)算各頻帶的能量比例和能量大小，以及總的吸收爆破振動(dòng)能量。

二、爆破振動(dòng)荷載作用下多層建筑物動(dòng)力響應(yīng)特性

為了定量分析建筑物對(duì)爆破振動(dòng)能量的高程放大效應(yīng)，對(duì)某典型4層磚混建筑物進(jìn)行爆破振動(dòng)響應(yīng)監(jiān)測(cè)，振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1，1#、2#、3#和4#測(cè)點(diǎn)分別位于建筑基礎(chǔ)、二層、三層和四層。共監(jiān)測(cè)得到20組爆破振動(dòng)速度數(shù)據(jù)，建筑各層典型爆破振動(dòng)波形如圖2所示。隨著建筑物樓層的增加，爆破振動(dòng)出現(xiàn)了較為明顯的增大，即建筑物對(duì)爆破振動(dòng)出現(xiàn)了明顯的振動(dòng)響應(yīng)，爆破振動(dòng)能量隨樓層增高增加趨勢(shì)較為明顯。

對(duì)20組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，峰值質(zhì)點(diǎn)振速的放大情況如圖3所示，隨著樓層增高各方向峰值振速增大并不明顯，隨樓層的增加出現(xiàn)波動(dòng)。根據(jù)ABVE指標(biāo)計(jì)算方法，計(jì)算建筑各層、各方向的爆破振動(dòng)總能量，得各層爆破振動(dòng)吸收能量放大系數(shù)如圖4和表1所示，呈現(xiàn)明顯的逐層增大趨勢(shì)，表明了建筑物產(chǎn)生了振動(dòng)響應(yīng)，位于建筑物高層的人所吸收到的爆破振動(dòng)能量更大，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到了典型4層磚混建筑物各樓層量化的能量放大系數(shù)，如表1所示。

表1建筑物不同樓層能量放大系數(shù)

三、建筑物對(duì)爆破振動(dòng)能量的不同頻率成分的選擇放大效應(yīng)

由于爆破振動(dòng)頻率組成的復(fù)雜性和建筑結(jié)構(gòu)自身的振動(dòng)特性，造成了建筑物對(duì)介質(zhì)中傳來(lái)的爆破振動(dòng)波的具有選擇放大效應(yīng)。爆破地震中含有豐富的頻率成分，可以看作不同頻率的正弦或余弦函數(shù)的疊加，而建筑物對(duì)爆破地震的響應(yīng)，也可以看作對(duì)不同頻率振動(dòng)分量激勵(lì)響應(yīng)的疊加。當(dāng)爆破振動(dòng)波進(jìn)入結(jié)構(gòu)體時(shí)，結(jié)構(gòu)體會(huì)使與結(jié)構(gòu)體固有周期相一致或相近的某些頻率分量放大并通過(guò)，而將另一些與結(jié)構(gòu)體固有周期不一致的某些頻率分量縮小或?yàn)V掉。建筑物對(duì)不同頻率爆破振動(dòng)分量的響應(yīng)，可以通過(guò)單自由度線性阻尼系統(tǒng)的受迫振動(dòng)來(lái)研究。

爆破地震波可以認(rèn)為是由一系列正弦波分量疊加而成

式中，A_i為第i個(gè)正弦分量的振幅值，ω_i為第i個(gè)正弦分量的圓頻率，為i個(gè)正弦分量的初相位。

假設(shè)爆破地震波中存在這樣一個(gè)分量，其加速度為

a_i＝asinω_it (6)

式中，a為加速度振幅值，ω_i為正弦波分量的角速度。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將結(jié)構(gòu)體系假設(shè)為單自由度系統(tǒng)，具有阻尼的單自由度體系的受迫振動(dòng)的模型圖5所示。

在單自由度體系中，相當(dāng)于結(jié)構(gòu)體系上作用的強(qiáng)迫力為

F＝F_i sinω_i(t) (7)

式中，F(xiàn)_i＝-ma。其動(dòng)力方程為

式中，m、c和k分別為結(jié)構(gòu)體系的質(zhì)量、粘滯阻尼系數(shù)和剛度，x為結(jié)構(gòu)位移，為結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度，為結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度。

由此可得

式中，為結(jié)構(gòu)體系的固有頻率，為結(jié)構(gòu)阻尼比。

由于外荷載以簡(jiǎn)諧變化。因此可假設(shè)方程的特解形式為

x＝N₁sinω_it+N₂cosω_it (10)

式中，N₁和N₂為待定系數(shù)。

選擇適當(dāng)?shù)腘₁和N₂可得

由于sinω_it和cosω_it是在-1和1之間交替變化的函數(shù)，則有，

解得

假設(shè)

用常數(shù)A和代替N₁和N₂，可得

式中，x為動(dòng)荷載幅值F作用下的靜力位移。

設(shè)f₀為結(jié)構(gòu)體的固有頻率，f_i為爆破振動(dòng)分量的激勵(lì)頻率，所以，在爆破振動(dòng)荷載分量F_i sinω_it作用下，設(shè)則結(jié)構(gòu)體的位移放大系數(shù)為

由式(15)可見(jiàn)，動(dòng)力放大系數(shù)β不僅與頻率比λ有關(guān)，而且與結(jié)構(gòu)阻尼比ζ₀有關(guān)，對(duì)于不同的ζ₀值可以畫(huà)出動(dòng)力放大系數(shù)與頻率比的關(guān)系曲線，如圖6所示，實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的阻 尼比都比較小，一般ζ₀在0.02～0.1左右。

從圖6可以看出，當(dāng)建筑物在簡(jiǎn)諧力作用下，其位移放大系數(shù)完全由簡(jiǎn)諧力的頻率、建(構(gòu))筑物的固有頻率、阻尼比確定。當(dāng)激振頻率越接近結(jié)構(gòu)體的固有頻率，且結(jié)構(gòu)體的阻尼比越小時(shí)，振動(dòng)響應(yīng)的放大系數(shù)就越大，反之，放大系數(shù)就越小。對(duì)于不同的阻尼比，當(dāng)γ＝1時(shí)，系統(tǒng)位移放大系數(shù)存在極值，即當(dāng)頻率比接近于1時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，此時(shí)放大系數(shù)達(dá)到最大，最大放大系數(shù)受阻尼比的影響程度較高。但是當(dāng)頻率比不等于1，即激勵(lì)頻率遠(yuǎn)離系統(tǒng)固有頻率時(shí)，位移放大系數(shù)迅速減小；激勵(lì)頻率向低頻方向移動(dòng)時(shí)，放大系數(shù)趨于1，而向高頻發(fā)展時(shí)，放大系數(shù)迅速減小，并趨向0，在激勵(lì)頻率為固有頻率的2倍時(shí)，位移放大系數(shù)就減小到了0.3左右；并且在高頻端，放大系數(shù)受阻尼影響很小。

爆破振動(dòng)可以看成不同頻率諧波分量的疊加，如果將這些諧波分量分別考慮，根據(jù)上述有關(guān)單自由度系統(tǒng)的討論，它們?cè)谧饔糜谕唤ㄖ飼r(shí)，由于各自頻率的不同，對(duì)應(yīng)的位移放大系數(shù)也不同，只有與建筑物固有頻率接近的諧波分量會(huì)得到最大程度的放大；而相對(duì)較低的諧波分量會(huì)基本上維持自身的振幅，比建筑物固有頻率高的諧波分量可能會(huì)削弱。這種建筑物對(duì)不同諧波分量的響應(yīng)特征，可以理解為建筑物對(duì)爆破地震中不同頻率能量成分的選擇放大效應(yīng)。

如果考慮爆破振動(dòng)諧波分量可以表示為

u＝Asinωt (16)

式中，u表示位移；A為位移幅值；圓頻率為ω，則其速度歷程可以表示為

v＝Aωcosωt (17)

根據(jù)式(2)的定義，爆破振動(dòng)的能量為

E＝(Aω)²cos²ωt (18)

則可以得到能量幅值與位移幅值的關(guān)系式為

E_A＝(Aω)² (19)

聯(lián)立(15)，可以得到能量放大系數(shù)為

仿照位移放大系數(shù)的做法，根據(jù)式(20)也可以繪出單自由度系統(tǒng)的能量頻率特性曲線，如圖7所示。

在圖7中，對(duì)應(yīng)γ＝1處的能量放大系數(shù)極值依次為100、25、11.1和6.25，阻尼比對(duì)放大系數(shù)的極值影響非常大?？紤]結(jié)構(gòu)阻尼比等于0.1的情況下，對(duì)于一個(gè)頻率成分豐富的爆破振動(dòng)過(guò)程，在它作用于結(jié)構(gòu)時(shí)，與結(jié)構(gòu)固有頻率相一致的能量成分將被放大25倍，低于該頻率的能量成分將基本維持不變，而頻率較高的能量成分將被抑制。所以通過(guò)結(jié)構(gòu)響應(yīng)反應(yīng)出來(lái)的振動(dòng)能量相對(duì)比例構(gòu)成將會(huì)發(fā)生很大變化，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)固有頻率的能量成分將會(huì)顯得十分突出。

對(duì)于爆破振動(dòng)中的諧波分量，在幅值相同的情況下，只有頻率與建筑物固有頻率相近的諧波能量得到最大程度上的放大。由于建筑物對(duì)于不同能量成分的選擇放大效應(yīng)，它對(duì)于爆破振動(dòng)中延伸到其固有頻率范圍以內(nèi)的能量非常敏感。因此，在爆破振動(dòng)總能量一定的情況，分析爆破舒適性時(shí)，人體敏感頻段(5～80Hz)內(nèi)的能量大小由爆破振動(dòng)特征和建筑物動(dòng)力特性決定。

四、建筑物頻率計(jì)權(quán)吸收爆破振動(dòng)能量

假設(shè)爆破振動(dòng)各頻率能量比重為可以式(3)求取。爆破振動(dòng)能量各頻率成分受建筑物的影響權(quán)重為根據(jù)式(20)中表示的能量放大系數(shù)計(jì)算，各個(gè)頻率能量對(duì)建筑物影響的參與權(quán)重的計(jì)算式如下：

式中，為各頻帶的能量放大系數(shù)；γ_i為頻率比，其中f_n為建筑物的自振頻率；ζ₀為建筑物的結(jié)構(gòu)阻尼比。

由此可知，放大系數(shù)β即為結(jié)構(gòu)體在爆破振動(dòng)作用下的能量響應(yīng)系數(shù)，由式(21)可知，建筑物的振動(dòng)能量響應(yīng)系數(shù)與其本身的固有頻率和阻尼比密切相關(guān)。當(dāng)爆破振動(dòng)的激勵(lì)頻率越接近建筑物的固有頻率以及建筑物的阻尼比越小時(shí)，振動(dòng)能量響應(yīng)系數(shù)就越大，即振動(dòng)響應(yīng)就越大；反之，振動(dòng)響應(yīng)就越小。因此，根據(jù)結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)能量響應(yīng)系數(shù)，便可求得結(jié)構(gòu)體在爆破振動(dòng)作用下的頻帶能量響應(yīng)系數(shù)。

根據(jù)爆破振動(dòng)能量組成和不同頻帶能量對(duì)建筑物的影響大小，對(duì)振動(dòng)能量進(jìn)行頻率計(jì)權(quán)，將這一能量計(jì)權(quán)值稱作“建筑物頻率計(jì)權(quán)吸收爆破振動(dòng)能量”

式中，E_fi即為第i層頻帶的頻率計(jì)權(quán)響應(yīng)能量，E_i為基礎(chǔ)部位爆破振動(dòng)各頻帶能量，是建筑物高程放大系數(shù)，表示對(duì)應(yīng)第i層頻帶f_i的能量比重，為第i層頻帶頻率成分受建筑物的影響權(quán)重。

將各個(gè)頻帶的頻率計(jì)權(quán)響應(yīng)能量累加，即可獲得建筑結(jié)構(gòu)在爆破振動(dòng)作用下的建筑物頻率計(jì)權(quán)爆破振動(dòng)能量，不但可以同時(shí)反映爆破振動(dòng)三要素的作用影響，又能反映建(構(gòu))筑物本身的固有特性對(duì)爆破振動(dòng)能量的響應(yīng)情況。本發(fā)明中取結(jié)構(gòu)阻尼比等于0.05，地面建筑物的自振頻率一般在10Hz以下，而建筑物只對(duì)某個(gè)特定頻率成分的能量存在選擇放大效應(yīng)，可以將整個(gè)頻率范圍劃分為若干個(gè)頻帶，而每個(gè)頻帶對(duì)應(yīng)的計(jì)權(quán)系數(shù)根據(jù)建筑物固有頻率進(jìn)行計(jì)算。

本發(fā)明研究只針對(duì)露天爆破爆源和地面建筑物，常見(jiàn)建筑物的自振頻率主要集中在1～10Hz之間，如表2所示。對(duì)于建筑物而言，除了表2列出的基頻以外，還存在相對(duì)較高的高階自振頻率，因此取10Hz為建筑物固有頻率的參考值。

表2常見(jiàn)民用建筑物自振頻率

假設(shè)建筑物固有頻率為10Hz，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05，在此情況下計(jì)算的能量頻率特性曲線如圖8所示。

由于建筑物存在高階振型，結(jié)合美國(guó)露天礦復(fù)墾管理局(OSMRE)的安全控制標(biāo)準(zhǔn)，將頻率范圍分為5個(gè)區(qū)段：0～10Hz、10～20Hz、20～40Hz、40～80Hz、>80Hz，修正后的能量放大系數(shù)如圖9所示。

根據(jù)圖9的結(jié)果，斜線段則計(jì)算該頻段的平均值，根據(jù)式(21)計(jì)算各頻帶的能量計(jì)權(quán)系數(shù)，如表3所示。

表3各頻帶能量加權(quán)系數(shù)

五、人體頻率計(jì)權(quán)響應(yīng)能量

人體對(duì)于伴隨爆破而產(chǎn)生的振動(dòng)非常敏感，感受也非常復(fù)雜，受到一系列因素的影響。相同振幅的爆破振動(dòng)，其方向和頻率不同，人體的感受不同。研究表明對(duì)于同樣的振動(dòng)，人體和建筑結(jié)構(gòu)的響應(yīng)有很大的不同，建筑物對(duì)于低頻振動(dòng)比較敏感，人體對(duì)于高頻振動(dòng)則更為敏感，人體對(duì)于振動(dòng)的反應(yīng)和忍耐力曲線與建筑物剛好相反。

人體可以看成是由各器官組成的有機(jī)體，存在自身的固有振動(dòng)頻率，對(duì)不同頻率的振動(dòng)的敏感性有所差別，所以振動(dòng)頻率也是評(píng)價(jià)振動(dòng)舒適性的基本參數(shù)。人體反應(yīng)特別敏感的是處于1～80Hz的振動(dòng)，因?yàn)槿梭w多個(gè)器官的主振頻率處在1～80Hz之間。當(dāng)置身于與人體器官的固有頻率接近的振動(dòng)環(huán)境時(shí)，將引起相應(yīng)器官的共振，振幅迅速增大進(jìn)而產(chǎn)生相對(duì)位移，從而使人感到不舒適。因此，吸收爆破振動(dòng)能量在經(jīng)過(guò)建筑物高程放大和頻率計(jì)權(quán)后，還需要經(jīng)過(guò)人體頻率響應(yīng)計(jì)權(quán)，才能達(dá)到更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)爆破振動(dòng)對(duì)人體的影響的目的。

對(duì)于振動(dòng)信號(hào)頻率計(jì)權(quán)的方法，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中給出了整體頻率計(jì)權(quán)和1/3倍帶寬頻率計(jì)權(quán)等頻域?yàn)V波計(jì)權(quán)方式，其中1/3倍帶寬頻率計(jì)權(quán)方法如圖10所示。1999年歐盟頒布商務(wù)乘坐舒適性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)ENV12299，規(guī)定了0.01～100Hz內(nèi)的頻率計(jì)權(quán)曲線如圖11所示。

對(duì)比這些研究成果，雖然表現(xiàn)形式不同，但所表達(dá)的含義卻是相似的。在較低頻段(小于4Hz)，頻率計(jì)權(quán)值較小，使這部分振動(dòng)信號(hào)在計(jì)權(quán)后更小，反映了較低頻段振動(dòng)對(duì)人體的影響較低。一般來(lái)說(shuō)，振動(dòng)對(duì)人體產(chǎn)生的生物效應(yīng)主要是引致人體器官的共振，而整個(gè)人體(個(gè)別器官也如此)存在著自振頻率，并且大多數(shù)在在4Hz以上，因此人體對(duì)于4Hz以下的振動(dòng)并不敏感。

在較高頻段(4～80Hz)，計(jì)權(quán)對(duì)振動(dòng)信號(hào)中高位頻段的權(quán)重有所加大，這是由于這個(gè)頻段對(duì)人體有著重要的影響。雖然人體對(duì)振動(dòng)最敏感的頻段是4～8Hz，但是如上所述，人體有多個(gè)器官的共振頻率分布在高位頻段，它們也會(huì)引起人的各種不良主觀感受。另外，露天爆破作業(yè)引起的振動(dòng)，能量主要集中在高位頻段(4～80Hz)，是爆破振動(dòng)能量組成的主要成分。

對(duì)于80Hz以上的爆破振動(dòng)，人體又變得不那么敏感。這是由于高于80Hz的振動(dòng)在傳入 人體前，已經(jīng)大量被衣服和鞋子等吸收，這種振動(dòng)幾乎達(dá)不到緊靠身體表層的皮膚，不會(huì)引起人體的全身振動(dòng)，所以對(duì)人體的影響較小。

以上頻率計(jì)權(quán)方法適用于振動(dòng)加速度，且計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜。對(duì)于爆破振動(dòng)這種瞬態(tài)沖擊振動(dòng)來(lái)說(shuō)，持續(xù)時(shí)間很短，可以在對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的條件下，對(duì)頻率計(jì)權(quán)方法進(jìn)行簡(jiǎn)化，將現(xiàn)有頻率計(jì)權(quán)曲線繪制在圖12上，可以看出，在垂直方向計(jì)權(quán)系數(shù)相同，水平方向在大于3Hz后計(jì)權(quán)系數(shù)出現(xiàn)較小的差異(變化規(guī)律相同)，而且爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間較短，超過(guò)90％的能量集中在10～80Hz，可以采用頻率計(jì)權(quán)曲線的外包絡(luò)線，將頻率計(jì)權(quán)曲線線性化，如圖12和表4所示，采用簡(jiǎn)化方法對(duì)爆破振動(dòng)能量計(jì)算結(jié)果影響非常小，而計(jì)算過(guò)程大大簡(jiǎn)化，用于爆破振動(dòng)振動(dòng)作用下人體的頻率計(jì)權(quán)，還可以與建筑物對(duì)爆破振動(dòng)的響應(yīng)統(tǒng)一起來(lái)。

所以，考慮人體對(duì)不同頻率成分爆破振動(dòng)能量吸收程度的不同，將各頻帶能量乘以人體振動(dòng)響應(yīng)計(jì)權(quán)系數(shù)，得到人體頻率計(jì)權(quán)吸收爆破振動(dòng)能量為：

式中，E_f為建筑物中不同部位的人體頻率計(jì)權(quán)吸收爆破振動(dòng)能量，E_fi為第i層頻帶的建筑物頻率計(jì)權(quán)響應(yīng)能量，為第i層頻帶頻率成分人體振動(dòng)響應(yīng)計(jì)權(quán)系數(shù)。

表4各頻帶能量人體振動(dòng)響應(yīng)計(jì)權(quán)系數(shù)

爆破地震波是在3個(gè)方向上(水平徑向、水平切向和豎直向)同時(shí)向前傳播的，傳統(tǒng)方法采用振動(dòng)速度、加速度等物理量評(píng)價(jià)爆破振動(dòng)舒適性，只能考慮三個(gè)方向中某個(gè)振動(dòng)峰值。本發(fā)明提出的基于能量原理的爆破振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)方法，能量指標(biāo)作為一個(gè)標(biāo)量，三個(gè)方向的振動(dòng)能量數(shù)值相加，即為振動(dòng)合效應(yīng)，且具有明確的物理意義。對(duì)于爆破振動(dòng)這種瞬態(tài)沖擊振動(dòng)，可以將三個(gè)方向的振動(dòng)能量相加得

E_t＝E_fx+E_fy+E_fz (24)

式中，E_t為建筑物中不同部位人體吸收到的各方向的爆破振動(dòng)總能量，E_fx，E_fy，E_fz分別是水平徑向，水平切向和豎直向的人體頻率計(jì)權(quán)爆破振動(dòng)能量。