理论教育 爆破地震对工程结构的振动响应问题

爆破地震对工程结构的振动响应问题

时间:2023-06-17 理论教育 版权反馈
【摘要】:对于爆破地震,由于波长短,一般民用建筑物都会有明显的行波效应,又由于爆破地震动的振幅峰值随距离衰减很快,因此不仅有行波相位差的影响,同时还有行波振幅衰变的影响。在天然地震中大多数工程结构基本上只需要考虑行波时差效应的多点激振影响就足够了,但对爆破地震,考虑各激点振幅衰减是有必要的。

爆破地震对工程结构的振动响应问题

前面所论述的地震动输入都是一致均匀的输入,就是说地基基础上的每一点地震地面运动幅值都是一样大小,而且属同步运动,常称为一致输入或均匀输入。但是不论天然地震还是爆破地震,产生的波都是由震源或爆源向四周传播的,由于建筑物基底尺度有一定的范围,当波前沿到达建筑物基础的一端时,另一端地面还处于静止状态。波动在基础上各点产生的相位差,导致结构基础各点所受激励不一致,这样结构物的动力反应与一致输入并不同。如前所述由于天然地震波长比爆破地震的波长长,对于一般结构(基础尺度不是很大),按均匀输入不会引起明显的差异,但对于基础长度 (如桥梁、水坝)很大的构筑物,用均匀输入会有较大的差别。对于爆破地震,由于波长短,一般民用建筑物都会有明显的行波效应,又由于爆破地震动的振幅峰值随距离衰减很快,因此不仅有行波相位差的影响,同时还有行波振幅衰变的影响。后者的影响对于天然地震往往是可以忽略的,但对于爆破地震往往不宜忽略。

均匀输入的地震反应分析,实质上是假设整个结构同时受到相同的地面运动加速度(t)}的作用。在建筑物长度比波长小很多时,这个假设应该是比较符合实际的,但对建筑物沿地震波传播方向的尺度比波长大时,这个假设可能与实际不符。一方面,由于场地土性质与覆盖层厚度可能有差别,地震波的频率构成不一样;另一方面,波先到的一端和波出基础的一端,时间差很大;第三方面,对爆破地震,振幅随距离衰减快,振幅相差也是明显的。

这些差别产生的影响比较复杂,现仅讨论地面运动相位差影响。设水平地震波相位由式 (7-9)表示:

式中:c是波传播速度;(t)是原始地震记录时程。地震动波向x方向传播,首先在t=t0时到达结构地基的Ⅰ柱基,经过x=L1后,到达Ⅱ柱基,再经过x=L2和x=L3后到达Ⅳ柱基其时间为t3,如图7-1所示。

图7-1 地基地震波激励时间差示意图

t3-t0=,即为比Ⅰ柱基延后的时间。设有一爆破地震表面波,传播速度c=300m/s,波主频率为15Hz,波持续时间为0.5s,波长为45m。对一个在波传播方向长度150m 的结构物,显然波到达Ⅲ柱基时比到达Ⅰ柱基晚了0.45秒,也就是说,Ⅰ柱基受激励基本结束时,Ⅲ柱基刚开始受到波的激励。相应Ⅱ柱基、Ⅲ柱基地震动波分别过去了2/3和1/2。可见,不同基础点,受到的激励是不同步的,直观判断,结构的反应显然与按均匀输入的结果是不相同的。

经上述分析可见,各柱基受到激励波形相同,但有时间差,这是每一个激点波形相同的多点支承激励问题,常称行波效应。如果在传播的过程中,各点激励时间不同步,各点波形频谱、振幅也不一样,这时的多点激振,就不是单一行波时差效应的多点激振。在天然地震中大多数工程结构基本上只需要考虑行波时差效应的多点激振影响就足够了,但对爆破地震,考虑各激点振幅衰减是有必要的。(www.daowen.com)

地震波通过结构基础底部进行结点输入,这些结点就是激点。

已知均匀一致输入时,各激点输入的地震波是同步的,且波形相同,沿水平向 (x向)激振时,离散结构的动力方程式表示为

但当仅有一个激点受水平x向地震波激励时,则动力平衡方程为

设有m个激点,当m个激点都有不同步的激励,即地震动多点输入时,结构体的动力平衡方程为

式中:xs为激点到计时零点的距离;c为波在地基介质中传播的速度;(t)为原始地震动加速度记录。

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