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1、爆破震动能量均衡控制法研究金属矿采矿科学技术前沿论坛1.前言2.建（构）筑物基于能量的受震破坏机理研究3.爆破地震信号的HHT分析法 4.基于能量破坏机理的爆破震动控制 5.结论目录随着社会和科技的进步，爆破理论与技术的发展，以及国民经济发展的需要，爆破技术越来越多地应用到了诸如军事，矿业，铁路、公路、港口、机场等交通行业，水利水电设施建设和移山填海工程，甚至医学等领域。控制爆破震动危害是爆破安全技术研究的重要内容，人们已对爆破震动灾害控制技术技术进行了广泛而深入的研究与探索。采用先进的信号分析技术可以得到比以往更精确、详尽的信息数据，对现象和事物的本质可以认识得更加深刻。1.1.前言前言1.
2、11.1国内外研究现状国内外研究现状 但人们对爆破震动的破坏机理认识不同，其抗震设计方法就不一样，相应的效果也就有所区别。爆破震动对结构的损伤破坏不仅与震动的幅值有关，还与震动的频率、震动持续时间以及结构体本身的特性紧密相联。因此,对结构在爆破震动下的损伤破坏机理进行研究具有重要意义。提出一个科学、全面、合理的安全判据一直是各国爆破研究者追求的目标。爆破震动安全判据的建立是一个逐步完善的过程。1.1.前言前言短时Fourier变换、Wavelet变换和Hilbert变换的比较 短时Fourier变换后，信号的能量谱密度(psd)只是分布在单一的频率上，没有体现信号本身的非平稳特性；Wavele
3、t变换后的信号能量较好地反映了信号自身随时间的变化、频率也变化的效果，但它的冗余成分太多；而信号经Hilbert-Huang变换后的Hilbert能量谱最清晰地表明能量随时频的具体分布，准确地刻划了信号特征。2.2.爆破地震信号的爆破地震信号的HHTHHT分析法分析法2.22.2方法方法 3.3.爆破地震信号的爆破地震信号的HHTHHT分析法分析法固有模态函数(Intrinsic Mode Function，IMF)：(1)整个数据序列中，极值点的数量与过零点的数量相等或至多相差1；(2)信号上任意一点，由局部极大值点确定的包络线和由局部极小值点确定的包络线的均值均为0，即信号关于时间轴局部对
4、称。经验模态分解（）原理与算法经验模态分解（）原理与算法HHT法由EMD和Hilbert变换两部分组成一个典型的IMFEMD算法流程图 2.2.爆破地震信号的爆破地震信号的HHTHHT分析法分析法第一次筛选第一次筛选2.2.爆破地震信号的爆破地震信号的HHTHHT分析法分析法开始第二次筛选开始第二次筛选 筛选得到的第一个筛选得到的第一个IMF分量及余量分量及余量 分解的结果分解的结果 2.2.爆破地震信号的爆破地震信号的HHTHHT分析法分析法2.2.爆破地震信号的爆破地震信号的HHTHHT分析法分析法Hilbert能量谱的流程图能量谱的流程图2.42.4基于基于HHTHHT法的爆破震动信号分
5、析法的爆破震动信号分析 爆破震动信号 nHHT法对信号分析结果 l信号的频谱丰富，且大部分分布在100Hz以下，和原始信号的频谱是基本一致的。lEMD分解中分辨率是自适应的，EMD方法在分解信号时更加简单。lEMD分解中没有固定的基函数，具有自适应性，使信号分析更加灵活多变。lEMD分解出的IMF分量大都有清晰的物理意义。l瞬时能量很清晰地表明了信号能量随时间变化的情况。2.2.爆破地震信号的爆破地震信号的HHTHHT分析法分析法2.2.爆破地震信号的爆破地震信号的HHTHHT分析法分析法2.52.5HHTHHT法研究的有关问题法研究的有关问题 分解方法：采用更好的方法解决包络线不完全包络和因
6、三次样采用更好的方法解决包络线不完全包络和因三次样条插值而引起的过冲和欠冲条插值而引起的过冲和欠冲 。端点效应：减少分解中由于端点摆动而导致的污染。减少分解中由于端点摆动而导致的污染。信号的物理解释：有关复杂信号分解所得有关复杂信号分解所得IMFIMF分量所代表的具体分量所代表的具体物理意义有待进一步探讨。物理意义有待进一步探讨。信号长度的选取：在信号分解的样条插值中和计算瞬时频率的在信号分解的样条插值中和计算瞬时频率的HilbertHilbert变换中，都存在端点效应问题。在信号分解时，其长度变换中，都存在端点效应问题。在信号分解时，其长度不应取得太短。不应取得太短。2.2.爆破地震信号的爆
7、破地震信号的HHTHHT分析法分析法2.62.6HHTHHT法的完备性与正交性法的完备性与正交性 EMD完备性验证流程图 正交性的证明 整体正交系数IO定义 2.2.爆破地震信号的爆破地震信号的HHTHHT分析法分析法IMF分量的重构过程 2.2.爆破地震信号的爆破地震信号的HHTHHT分析法分析法重构误差与重构信号 2.2.爆破地震信号的爆破地震信号的HHTHHT分析法分析法2.72.7HHTHHT法的优越性法的优越性 HHT变换没有固定的先验基底，是自适应的；首次给出了IMF的定义，指出其幅值允许改变，突破了传统的将幅值不变的简谐信号定义为基底的局限，使信号分析更加灵活多变；每一个IMF可
8、以看作是信号中一个固有的震动模态，通过Hilbert变换得到的瞬时频率具有清晰的物理意义，能够表达信号的局部特征；在非线性结构下，HHT得到的三维谱能准确地用波内调制机制反映出系统的非线性变换特性，这是以往各种信号处理方法所不能比拟的。2.2.爆破地震信号的爆破地震信号的HHTHHT分析法分析法3.3.建（构）筑物基于能量的受震破坏机理研究建（构）筑物基于能量的受震破坏机理研究3.13.1建建(构构)筑物受震破坏形式筑物受震破坏形式结构受震破坏取决于爆破地震的特性和的建(构)筑物抗震性能 n爆破地震特性：爆破地震的强度、频谱和持续时间3要素 n建(构)筑物的抗震性能：建筑物本身的类型和陈旧程度
9、，建(构)筑物整体及各个部分(如柱、梁等)的响应特性 建(构)筑物受爆破震动作用后的破坏方式看，可归纳为以下3种形式：直接引起的建(构)筑物体破损 加速建(构)筑物体破损 间接引起建(构)筑物体破损 3.3.建（构）筑物基于能量的受震破坏机理研究建（构）筑物基于能量的受震破坏机理研究3.23.2能量破坏机理能量破坏机理爆破震动对建(构)筑物的危害评估是以能量平衡方程为基础的，而能量平衡方程又可由建(构)筑物的动力方程得出。能量反应示意图 能量反应方程式 瞬时输入能量定义 3.3.建（构）筑物基于能量的受震破坏机理研究建（构）筑物基于能量的受震破坏机理研究n瞬时输入能量的计算 基于HHT法的瞬时
10、输入能量 3.3.建（构）筑物基于能量的受震破坏机理研究建（构）筑物基于能量的受震破坏机理研究原始信号边际谱 原始信号能量谱 n瞬时输入能量的大小由质点震速与对应频率两者共同来决定，质点震幅大的瞬时输入能量未必就大。n在频率相同的条件下，瞬时输入能量主要由质点震速决定；如果是地基信号，要考虑IMF分量对建(构)筑物产生的放大效应；震动持时的作用主要体现在震速超过建(构)筑物弹性工作区使建(构)筑物进入非弹性工作区的累积损伤上。3.3.建（构）筑物基于能量的受震破坏机理研究建（构）筑物基于能量的受震破坏机理研究地基场地特性对建(构)筑物作用的分析 硬场地信号、功率谱及瞬时能量 软场地信号、功率谱
11、及瞬时能量 爆破地震累积作用 典型的爆破地震波形 建(构)筑物受瞬时输入能量作用示意图 n如果最大瞬时能量超过结构破坏极限能量，就会产生首次超越位移破坏；如果最大瞬时输入能量没有到破坏极限值，但超过结构弹性破坏值，就会导致累积损伤，若震动持时越长，超过弹性破坏能量的瞬时输入能量数目越多，其对结构参数的影响就越大。3.3.建（构）筑物基于能量的受震破坏机理研究建（构）筑物基于能量的受震破坏机理研究3.43.4小结小结n利用HHT法得到的最大瞬时输入能量很好地体现了爆破震动对建(构)筑物的破坏机理。最大瞬时输入能量是地震动作用在建(构)筑物上的最大能量脉冲，如果最大瞬时能量超过结构破坏极限能量，就
12、会产生首次超越位移破坏；如果最大瞬时输入能量没有到破坏极限值，但超过结构弹性破坏值，建(构)筑物会发生塑性变形，从而导致累积损伤，而累积作用的存在又相应降低了临界最大瞬时输入能量。n爆破震动3要素对建(构)筑物的影响是一个综合作用。瞬时输入能量的大小由质点震速与对应频率两者共同来决定，质点震幅大的瞬时输入能量未必就大；在频率相同的条件下，瞬时输入能量主要由质点震速决定；如果是地基信号，要考虑IMF分量对建(构)筑物产生的放大效应；震动持时与最大输入瞬时能量关系不大，它的作用主要体现在震速超过建(构)筑物弹性工作区使建(构)筑物进入非弹性工作区的累积损伤上，若震动持时越长，超过弹性破坏能量的瞬时
13、输入能量数目越多，其对结构性能参数的弱化就越明显。3.3.建（构）筑物基于能量的受震破坏机理研究建（构）筑物基于能量的受震破坏机理研究n场地特性的不同，对地震波和建(构)筑物的影响也不同。对同一震波，场地岩土越软，其地面运动中低频分量越多，作用在建(构)筑物上的能量脉冲越大。反之，场地岩土越硬，其高频成分越多。所以，相对于硬地基，软地基对建(构)筑物的影响要更显著。n在爆破工程尤其是大量重复爆破作业中，爆区附近建(构)筑物受震破坏主要由累积损伤所致。累积能量使建(构)筑物在非弹性工作阶段，即使最大瞬时输入能量值没达到极限破坏能量值，也会降低或丧失其承载能力，所以要重视累积破坏效应的作用。n基于
14、HHT法的瞬时输入能量很好地反映了多要素对建(构)筑物的共同作用，为进一步认识建(构)筑物受震损伤破坏机理提出了一个新思路，也为爆破震动危害的控制提供了新途径。3.3.建（构）筑物基于能量的受震破坏机理研究建（构）筑物基于能量的受震破坏机理研究4.4.爆破震动安全评估爆破震动安全评估4.14.1爆破震动统一安全判据爆破震动统一安全判据应把地震幅值、频率、持续时间，以及累积效应、建(构)筑物震前受力和场地等因素纳入综合影响因素的范畴。p能量判别原理 在爆破震动作用下，建(构)筑物受震破坏主要表现为“最大位移首次超越”和“塑性累积损伤”两种类型，或是两种类型的共同作用。建(构)筑物受爆破震动破坏的
15、程度主要视建(构)筑物本身所获瞬时输入能量的多少而定，而瞬时输入能量又很好地体现了爆破震动信号的3要素，通过最大瞬时输入能量与临界最大瞬时输入能量的比较，或者两者相对应的等效速度之对比就可评判建(构)筑物的受损状况。4.4.爆破震动安全评估爆破震动安全评估p最大瞬时输入能量等效速度EVE 判据法 如果是地基上的震动信号，首先对信号经EMD后，再通过Hilbert变换可获得每个IMF分量的能量谱。按各IMF分量的放大作用不同，分别将各个分量的主震相能量按相应的权重合成，从而得到综合能量 求出最大瞬时输入能量，再将其转换成等效速度。结合建(构)筑物的实际临界等效速度来判别建(构)筑物的破损情况。4
16、.4.爆破震动安全评估爆破震动安全评估p瞬时输入能量的等效速度 等效速度VE瞬时输入能量反应的最大值Emax 临界破坏等效速度 破坏统一安全判据 f1、f2、f3分别为累积效应系数、震前建(构)筑物受力影响系数及场地影响系数。4.4.爆破震动安全评估爆破震动安全评估4.24.2工程实例分析工程实例分析原始信号及频谱 l实例一4.4.爆破震动安全评估爆破震动安全评估信号瞬时能量信号IMF分量IMF分量对不同建筑物的放大倍数普通民房的结构响应信号及频谱宿舍楼的响应信号及频谱普通民房响应信号瞬时能量宿舍楼响应信号瞬时能量4.4.爆破震动安全评估爆破震动安全评估4.4.爆破震动安全评估爆破震动安全评估
17、办公楼的响应信号及频谱办公楼响应信号瞬时能量从上述可知，同一爆破震动信号经不同的建筑物响应后的波形是不同的，其震动幅值、优势频率和瞬时能量都会发生变化，变化的大小取决于原始信号中与结构固有频率相近的IMF分量本身的大小及其放大作用的大小，从而表现在爆破震动对建筑物的影响效果上。4.4.爆破震动安全评估爆破震动安全评估l实例2信号S1及其最大瞬时输入能量信号S2及其最大瞬时输入能量两次不同爆破的参数及监测记录4.4.爆破震动安全评估爆破震动安全评估现有标准不足：一是不能解释实测中的反常规现象；二是忽视了结构响应后对主频率的改变作用；三是对爆破震动持时和重复作业所产生的爆破累积效应考虑不够。4.3
18、4.3能量均衡控制爆破能量均衡控制爆破4.4.爆破震动安全评估爆破震动安全评估能量均衡控制爆破通过改变输入到被评价对象的瞬时输入能量，即调节瞬时输入能量的大小使其不引起结构破坏，从而控制爆破震动在安全范围内。典型能量均衡控制爆破信号图 瞬时能量图 多段微差，信号在时程上的突峰较多，段药量的分配较合适，其瞬时能量分布比较均匀。4.44.4小结小结4.4.爆破震动安全评估爆破震动安全评估n综合多因素，提出了瞬时输入能量的等效概念，建立了基于EVE的爆破震动统一安全判据模型及计算过程，探讨了有关系数选取，并针对工程实例进行分析，验证了其可行性，表明了该判据的全面性、科学性、合理性，同时指出了目前国家
19、爆破安全震动判据的不足。n基于建(构)筑物的能量破坏机理，从瞬时输入的角度提出了控制爆破震动危害的具体措施，同时提出了能量均衡控制爆破法，并在工程实践中加以应用。n基于EVE的爆破震动统一安全判据法的提出，为最终构建完整而科学的爆破震动损伤统一安全判据奠定了一定的理论基础。5 5结论结论 将HHT变换理论应用到爆破震动领域，为爆破震动信号处理的提供了一个新思路。从瞬时输入能量角度出发，结合HHT理论，研究了受爆破震动作用的建(构)筑物的破坏机理。爆破震动对建(构)筑物的损伤或破坏取决于信号最大瞬时输入能量，主要表现为“最大位移首次超越”和“塑性累积损伤”两种类型。瞬时输入能量是爆破震动三要素、地基特性和建(构)筑物本身特性等因素的综合反映。基于能量判别原理，建立了安全判据模型，提出了基于最大瞬时输入能量等效速度EVE(Equivalent Velocity of the Maximum Momentary Input Energy)的爆破震动统一安全判据法。提出了基于能量控制的能量均衡控制爆破法，并应用于工程实践。5 5结论结论