基于瞬态激励的岩样阻尼比试验研究.pdf

年月第 卷 第期河北水利电力学院学报 文章编号：（）基于瞬态激励的岩样阻尼比试验研究郑世夺，樊青山，张树强，刘涛，刘卫然（河北省建筑工程质量检测中心有限公司，河北省石家庄市槐安西路 号 ；阜平县住房和城乡建设局，河北省保定市阜平县桥西街 号 ；河北京铁勘测设计院有限公司，河北省石家庄市新华路 号 ；河北科技大学 建筑工程学院，河北省石家庄市裕翔街 号 ）摘要：岩石阻尼比是工业和民用建筑地基基础工程设计重要的动力特性参数之一，目前尚未有该指标明确的试验规程。为了掌握某地核电站机组核岛区基岩的阻尼比，我们结合工程实际情况，采用瞬态激励使岩样产生自由振动，通过在岩样上粘贴应变片和加速度传感器两种方法采集振动信号，通过计算得出了岩样的阻尼比，并对两种采集信号测定的阻尼进行了比较，此研究可为相似工程提供一定参考。关键词：基岩；动力特性；瞬态激励；阻尼比中图分类号：；文献标识码：随着社会的不断发展和人民生活水平的不断提高，日常生产生活对能源的需求不断增加，而石油、煤炭等不可再生能源却面临着资源枯竭。因此，世界各国都在大力加快核电能源的发展，以响应节能、环保、减排和可持续发展，我国在核电能源方面也获得了良好的发展机遇。在岩土动力学中场地地基岩土的动模量和阻尼比是两个很重要的参数，其在场地土层和土体地震反应研究、土工建（构）筑物地震稳定性研究中扮演着特别重要的角色。在不同地区岩土动力特性存在差异性，另外岩土的物理性质、加载方式及试验方法也存在不同，对具体的、不同的场地地基进行相关试验十分重要。迄今为止，已有多位国内外研究人员在实验室进行了广泛的阻尼研究，并取得了许多宝贵的研究成果 ，在推动全球土动力学和地震工程学领域的发展方面起到了巨大的促进作用。核电厂是一个特别重要的结构，在进行选址的时候一定要慎重，因为其涉及到水文、地质、地表、气象、电站的工艺、土建、运输、环保、电网等诸多方面，尤其是核电厂的安全性、适用性、经济性。所以核电厂的选址是一个相当复杂的系统工程。在核电厂选址的时候，地震的影响是最优先考虑的。人类对地震的预报还比较困难，控制难度也比较大，所以核电厂的选址必须是在离地震活动带比较远的地方，历史上地震活动比较稳定。在地质条件上，要选择稳定基岩为建设主体厂房的地质稳固区。由于核电厂需要大量的冷却水，水文条件也很重要，所以核电厂往往会选择临海或江湖。就气象条件而言，核电厂在不影响周边居民生活的情况下，应选择远离居民点的顺风区域，以利于废气扩散。受日本福岛核电站泄漏事故的影响，中国的核电厂选址较为保守和安全，全部建在稳定的基岩上，离地质断裂带较远。核电厂的选址要经过国家核安全局的严格审查，且抗震标准、防洪标准等都提高一级设防。为此，结合工程实际情况，以某核电站场地岩土为例，根据工程需要开展了相关试验。某核电站位于二级海蚀阶地之上，场址三面环海，地势高差起伏较小，大部分地段平坦开阔，核岛基岩为中风化和微风化花岗岩。根据厂址实际情况钻取的岩样，经过加工厂加工后进行基岩阻尼试验，确定岩体的阻尼比，为该核电站场址土体地震反应分析、建（构）筑物地震稳定性分析、结构性能评估和优化工程设计工作提供数据支撑。收稿日期：修回日期：基金项目：河北省建设科技研究指导性计划项目（）第一作者简介：郑世夺（），男，河北邢台人，高级工程师，硕士，主要从事建筑物检测鉴定及加固改造方面的研究。：激励技术 激励技术分类实验室振动模态测试分析，首先要对直接关系到测试效果和测试精度的结构构件施加动力响应（通过对一定尺寸、形状的构件进行激励），使得结构构件产生振动。截至目前，激励技术可分为两大类：宽频带激励和正弦稳态扫频激励。宽频带激励宽频带激励的特点是，激励力的频谱有足够的频带，其力的频谱宽，通过一次激励力可以得到多阶的模态信息。宽频带激励（多种频率混合）可以分为以下种：瞬态激励（）、伪随机激励（）和纯随机激励（）。瞬态激励（）进一步可分为：力锤脉冲、阶跃和正弦快速扫频种，其传递函数分析和相干较纯随机激励有明显改善，峰值变陡变清，共振处的相干更好。瞬态激励设备携带方便，现场操作简单便捷。基于瞬态激励法简单的原理、方便的计算和较高的解析力，本实验采用此种激励方法。纯随机激励（）容易发生泄漏现象，造成测量精度降低，质量下降。伪随机激励（）所得到的波形讯号以正弦波形信号为主，其平均的非线性的能力不及纯随机激励。正弦稳态扫频激励在实际结构的动力测试过程中，需要对采集到的信号进行消噪处理，使所得到的幅值与相位特性信息的频响函数更加精确。因为设备、环境等因素在采集、转换、传输过程中经常会影响到信号，导致现实信号中夹杂着随机杂波。锤击法瞬态激励介绍在实验室进行结构模态分析时，若需要结构构件产生振动，需对其施加激励系统或者力锤等外力。年力锤由美国 和 大学联合发明制造，年获得美国工业发明 奖（）。力锤激励最显著的优点是在结构中不添加任何质量，不会影响结构的动力特性。以锤击方式输入一击，产生一种向规定频率延伸更为圆滑的力。力锤一般带有测冲击激励信号的力感应器，由配重、锤体、力感应器、锤柄、锤头等组成。两种弹性力锤，如图所示。重锤接触结构时的初始速度，重锤的硬度、质量以及重锤在结构上的可塑性（可用刚度来衡量），往往都会与激励力的能级和频带有关。）弹性力锤）弹性力锤）图力锤组成部件 当进行力锤的力学模型等效时，锤体（包括配重）可以集中质量犕表示，锤头建模以弹簧表示，刚度系数以犓表示，如图所示。在初始条件下，用锤体敲击实验试件，假定为单自由度系统按初速度狓做自由振动，结构构件振动的时间范围为锤头脱离被激励试件的瞬间，锤头反弹开受激励试件接触的瞬间。如图所示，力脉冲信号波形呈半正弦波形。图力锤等效模型图 图力锤脉冲信号时域波形 阻尼测试方法阻尼存在于任何结构部件的振动系统中，对于第期郑世夺等：基于瞬态激励的岩样阻尼比试验研究需要掌握结构部件动力特性来说，测试阻尼是非常重要的。在航空航天、建筑结构等材料的选取中减震器的安装可以保证结构的安全使用，但减震器的减震效果必须通过试验才能获得 。我国核电厂偏爱在大型基岩上建设，这主要是由于大型基岩可以保证足够的地基承载力。鉴于核电厂考虑到地震的影响，其选址的基岩动模量和阻尼比是计算岩土动力学时特别重要的动力参数。良好的基岩介质具有衰波、消音、消振等消耗能量的物理特性，工程设计人员将根据不同的工程项目，选择能量消耗特性不同的基岩，来保证建筑物的安全运行。抗震设计则是为了保证建筑物的安全使用。根据当地确定的地震烈度，计算其地震反应分析和稳定性的基岩和结构耗能特性，对结构的减震特性进行合理的设计。这就需要对结构的基岩阻尼减震特性进行更精确的测试。目前，工程中常用阻尼测试方法有时域对数衰减法、频域共振频率法和频域半功率带宽法 。对数衰减法对数衰减法是时域内常用的阻尼比测试方法。这种方法首先在结构构件上施加瞬态脉冲或稳态激励，被激励的结构构件做自由振动，然后运用自由振动振幅衰减速度和阻尼比的相关关系，根据自由振动的振幅衰减曲线，计算出对数衰减率，求得减振系数，求得阻尼比。这种方法通过结构的第一阶振型衰减自由振动曲线求阻尼比，其求得的阻尼比精度较高。由于对数衰减法对振动的波形控制比较严格，所以在实验室和模拟试验条件中较容易实现。共振频率法利用精密仪器可以测出结构构件的多阶共振频率。由于目前精密的测试仪器难以测出现实中大型土木结构的结构质量，导致这种方法对于大型土木结构等实际工程很难做到，有待进行研究。半功率带宽法利用自功率谱的共振峰寻找结构自身的固有频率，再根据其谱线求得结构的阻尼比，是结构构件的半功率带宽法。由于这种方法简便易用，在工程中运用也是非常广泛的。但在结构构件为小阻尼的情况下，即使测得的低频段峰值频率有较小误差，经过运算得出的结构构件的阻尼比误差也比较大。阻尼试验准备工作 岩样制备本次试验岩样取自核岛区 钻孔、钻孔各个岩样，核岛区 钻孔、钻孔各个岩样，合计个岩样。钻孔取出的岩样经过现场勘察工程师确认，均为中风化花岗岩。岩样经过工厂加工，阻尼试验岩样编号和尺寸分 别 为：，均 为 直 径，长 度 均 为 ，为 直 径，长度为 。经过工厂加工后的中风化花岗岩岩样，如图所示。图中风化花岗岩岩样 试验设备测试设备由北京东方振动噪声技术研究所研发的 双积分电荷放大器、智能信号采集与处理分析仪、组合式抗混合滤波放大器、弹性力锤、标准振动测试分析软件及计算机等设备组成，如图所示。河北水利电力学院学报 图试验设备 试验仪器连接方式本次测试试验采用两种测试方法，即在岩样上粘贴应变片和压电式加速度传感器进行数据测试。测试方法一岩样粘贴应变片测试数据线 组合式抗混滤波放大器 智能信号采集处理分析仪 标准型振动测试分析软件。测试方法二岩样压电式加速度传感器测试数据线 型电荷电压滤波积分放大器（电荷输入通道）智能信号采集处理分析仪 标准型振动测试分析软件。岩样阻尼计算过程岩样的阻尼比试验采用悬臂梁自由振动法。实验过程中，将制成圆柱形体的岩样，固定其中一边，敲击另一边，岩样产生横向振动，如图所示。实验中，用动态应变仪记录其振动衰减的全过程曲线，根据岩样的振动衰减曲线通过式（）至式（）确定岩样的阻尼比等参数。图岩样阻尼试验图 振动频率犳由下式确定：犳 狋（）式中，狋为相邻波峰间的时间间隔，。衰减系数由下式确定：犃犃 狋（）式中，犃，犃为振动波峰幅值。阻尼比由下式确定：（）式中，犳，犳为振动波频率，。阻尼系数由下式确定：犕（）式中，折中质量犕由下列方法计算：犕折 珡犿犎（）式中，珡犿为单位长度的质量，；犎为岩样长度，。岩样阻尼测试结果及分析阻尼测试代表性岩样经弹性力锤敲击后振动衰减曲线图，如图、图所示。表为岩样粘贴应变片阻尼比测试结果，表为岩样压电式加速度传感器阻尼比测试结果，表为两种测试方法的测得阻尼比比较的误差结果。第期郑世夺等：基于瞬态激励的岩样阻尼比试验研究图粘贴应变片岩样振动图 图压电式加速度传感器岩样振动图 河北水利电力学院学报 表岩样粘贴应变片阻尼比测试结果 核岛编号孔号试件编号频率 衰减系数阻尼系数（）阻尼比阻尼比平均值核岛中风 化花岗岩 核岛中风 化花岗岩 表岩样压电式加速度传感器阻尼比测试结果 核岛编号孔号试件编号频率 衰减系数阻尼系数（）阻尼比阻尼比平均值核岛中风 化花岗岩 核岛中风 化花岗岩 表岩样两种阻尼比测试方法比较 核岛编号孔号试件编号粘贴应变片阻尼比加速度传感器阻尼比阻尼比误差核岛中风 化花岗岩 核岛中 风化花岗岩 由表实验结果可知，核岛和岛中风化花岗岩采用粘贴应变片测得的阻尼比范围为 ，平均值为 。由表实验结果可知，核岛和岛中风化花岗岩采用压电式加速度传感器测得的阻尼比范围为 ，平均值为 ；采用两种测试方法得到的数值误差范围为 ，且采用压电式加速度传感器测得的数值偏小，阻尼比可以通过两种方法中的任意一种进行测量。从以上个岩样测得的数值来看，岩样长度 与长度 偏差不大，但长度太短不方便操作，建议岩样加工长度在 之间。结论通过测试研究，本次试验主要的结论如下：）本次试验采用瞬态激励的方法可以测得岩样的阻尼比，对实际工程应用提供了满意的数据支持。）测试理想的岩样衰减曲线，可以通过粘贴应变片和压电式加速度传感器来测量，但后者的计算得到的数值比较小，这可能是由于不能忽视传感器的附加质量造成的。）如在以后遇到类似工程，建议岩样加工长度范围为 ，以便于测试操作。参考文献王军，蔡袁强，丁光亚，等双向激振下饱和软黏土动模量与阻尼变化规律试验研究岩石力学与工程学报，（）：朱云江豫西黄土动力特性及地震荷载下深挖路堑黄土边坡稳定分析郑州：华北水利水电大学，郑世夺基于小波和振动模态分析的正放四角锥网架结构损伤检测研究石家庄：河北科技大学，张瑾，杨德健大跨度复杂空间悬挂结构自振特征与动力性能分析河北水利电力学院学报，（）：杜鹏飞高阻尼隔震橡胶支座在桥梁设计中的分析与运用赤峰学院学报（自然科学版），（）：秦超，夏明一，徐振邦，等碳纤维复合材料阻尼特性测试及仿真分析第十二届全国振动理论及应用学术会议论文集，：李晖，孙伟，张永峰，等悬臂薄板结构阻尼特性几种测试方法的比较中国工程机械学报，（）：赵汗青，高兴海，李海燕悬臂梁振动参数的实验测试方法分 析 与 比 较 实 验 室 研 究 与 探 索，（）：朱玉豪，吴学乾，吕杨，等 管约束椰子纤维混凝土的动态性能河北水利电力学院学报，（）：第期郑世夺等：基于瞬态激励的岩样阻尼比试验研究犈 狓 狆 犲 狉 犻 犿 犲 狀 狋 犪 犾 犛 狋 狌 犱 狔狅 狀犇 犪 犿 狆 犻 狀 犵犚 犪 狋 犻 狅狅 犳犚 狅 犮 犽犛 犪 犿 狆 犾 犲 狊犅 犪 狊 犲 犱狅 狀犜 狉 犪 狀 狊 犻 犲 狀 狋犈 狓 犮 犻 狋 犪 狋 犻 狅 狀 ，（，；，；，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊：；（责任编辑：孙刚檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪）（上接第 页），犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊：；（责任编辑：郝海森）河北水利电力学院学报