CN108038272B - 一种减弱大型构筑物倒塌引起地面振动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种减弱大型构筑物倒塌引起地面振动的方法，包括以下步骤：Ⅰ)确定构筑物倒塌后瓦砾堆积的地面范围；Ⅱ)提供减振垫层，设计选定该减振垫层的初步物理参数，利用所述瓦砾堆积中的碎片和瓦砾计算得到所述减振垫层的压缩高度，再将所述初步物理参数与所述压缩高度进行比较，进而确定所述减振垫层的最佳密度；Ⅲ)设计制作所述减振垫层；Ⅳ)将最佳密度确定的所述减振垫层布置在所述瓦砾堆积的地面范围内。本发明利用减振垫层所具有的耗能强、压缩后回弹几乎可忽略、耐久性好和维护费用少的优点，在冲击力作用下，减振垫层可产生有效的缓冲耗能，从而有效减弱大型构筑物倒塌引起地面的振动。

Description

一种减弱大型构筑物倒塌引起地面振动的方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，涉及一种减弱大型构筑物倒塌引起地面振动的方法。

背景技术

众所周知，大型构筑物如果发生倒塌，会引起强烈的地面振动，可能对周围构筑物、各类设备和人群产生危害。

目前，这一情况在中国内陆核电站中引起特别的关注。通常，内陆核电站选址需要考虑以下因素：

(1)需要靠近大河以获得充沛的水源，保证核电站水冷却系统正常工作；

(2)避开人口稠密地区，以便在发生核事故时方便进行人口疏散。

在我国，选址考虑以上两个因素所导致的结果是，厂址区域一般狭小。此外，考虑经济性，核电站的冷却塔一般采用高度200米左右的大型钢筋混凝土冷却塔，距离核岛300米左右。投资方和工程师担心，一旦大型冷却塔在外部荷载作用下发生倒塌，将引起强烈的地面振动。振动将在极短的时间内传递至核岛，可能导致核设施发生故障，有诱发核事故的风险。

为解决上述问题，现有的一种办法是降低地面振动，其中，采用垫层铺设在地表是一种现行有效的减振方法。垫层一般采用松软的材料，当混凝土碎片冲击垫层时，垫层变形吸收冲击能量，减弱碎片速度，起到地面减振的效果。

一般工程中经常采用的垫层有细沙和回填土，但是，这两种垫层材料具有以下不足：

(1)“松软”程度不足够，耗能效果有限；

(2)耐久性不足，时间长会结硬，降低减振效应；

(3)如果想保持不结硬，则需要额外的维护工作。

发明内容

为克服现有技术所存在的缺陷，现提供一种减弱大型构筑物倒塌引起地面振动的方法，利用减振垫层(在本申请中主要是泡沫混凝土)所具有的耗能强、压缩后回弹几乎可忽略、耐久性好和维护费用少的优点，在冲击力作用下，减振垫层可产生有效的缓冲耗能，从而有效减弱大型构筑物倒塌引起地面的振动。

为实现上述目的，本发明的解决方案是：提供一种减弱大型构筑物倒塌引起地面振动的方法，包括以下步骤：

Ⅰ)确定构筑物倒塌后瓦砾堆积的地面范围；

Ⅱ)提供减振垫层，设计选定该减振垫层的初步物理参数，利用所述瓦砾堆积中的碎片和瓦砾得到所述减振垫层的压缩高度，再将所述初步物理参数与所述压缩高度进行比较，进而确定所述减振垫层的最佳密度；

Ⅲ)设计制作所述减振垫层；

Ⅳ)将最佳密度确定的所述减振垫层布置在所述瓦砾堆积的地面范围内。

优选地，所述步骤Ⅱ具体包括：

a.确定在步骤Ⅰ中瓦砾撞击地面时两种不同特征的碎片，一种是具有最大体积的碎片及这种碎片的速度，另一种是具有最大速度的瓦砾及该种瓦砾的体积；

b.根据地基施工开挖土体深度和地面设计标高，设计选定所述减振垫层的厚度；

c.选取泡沫混凝土的密度，得到相应的受压应力-应变关系，公式如下：

A＝3.3×10¹³ρ^3/2-3.5×10¹³ρ (2)

B＝432.1ρ^3.8 (3)

E＝968.2ρ²+31.7ρ (4)

式中，ρ为密度，单位g/cm³；σ为应力，单位MPa；ε为应变，无单位；A为中间量，单位MPa；B为中间量，单位MPa；E为中间量，单位MPa；m为常数，取0.33；α为常数，取0.17；k为常数，取1.1；l为常数，取3.9；

d.通过有限元模型，并分别以最大体积的所述碎片和具有最大速度的所述瓦砾撞击所述减振垫层，进而分别得到所述减振垫层的压缩后高度，取两者的较大值并初步确定为所述减振垫层的压缩高度；

e.若步骤d所得到的所述减振垫层的所述压缩高度小于步骤b中所选定的减振垫层厚度，则减小步骤c中所述减振垫层的密度以使得所述减振垫层变松软，重新计算步骤c至步骤e；

f.不断试算，直至步骤d所述得到的减振垫层的所述压缩高度接近且小于所述减振垫层厚度，从而确定所减振垫层的所述最佳密度。

优选地，选用泡沫混凝土作为所述减振垫层。

优选地，所述步骤Ⅰ具体包括：

通过有限元数值模拟的方式，确定各种荷载作用下，所述构筑物倒塌后所述瓦砾堆积在地表的范围。

优选地，所述载荷包括地震和强风。

优选地，实施所述步骤Ⅲ具体包括：

提供原材料包括发泡剂、水泥、粉煤灰、石灰、石膏和轻集料；

制作时，先将所述发泡剂与水混合均匀并不断搅拌形成泡沫溶液；

再将所述原材料和水混合均匀以形成混合物；

然后将所述泡沫溶液加入到所述混合物中，并搅拌均匀；

最后经养护后得到所述减振垫层的成品。

优选地，实施所述步骤Ⅳ具体包括：

采用分层法施工，将所述减振垫层等厚度地分层浇筑在所述瓦砾堆积的地表范围之内，并使所述减振垫层的顶部标高与相邻的所述地面标高相同。

本发明一种减弱大型构筑物倒塌引起地面振动的方法的有益效果包括：

(1)减振效果好。相比细沙和回填土，泡沫混凝土耗能能力更强。碎片散落并“淹没”在泡沫混凝土垫层中，减振效果更佳；

(2)品种选择面大。通过改变泡沫混凝土的密度，可以获得不同“松软”程度的泡沫混凝土。相比之下，细沙和回填土的类型较少；

(3)性能稳定。一旦施工完毕，泡沫混凝土的性能在后续几十年内几乎是不变的，而细沙和回填土则有不断固结变硬的问题；

(4)维护费用低。泡沫混凝土在几十年的使用期间几乎不用维护。而如果想保持性能不变，细沙和回填土则需要不断维护并产生维护费用。

附图说明

图1为本发明方法中泡沫混凝土的微观结构示意图；

图2为本发明方法中泡沫混凝土的压缩变形图；

图3为对应于图3中泡沫混凝土的应力-应变关系图；

图4为本发明实际应用时泡沫混凝土减振垫层布置范围的平面图；

图5为本发明实际应用时泡沫混凝土减振垫层布置范围的立面图。

附图标记：

砂浆1、气泡2、泡沫混凝土3、加载头或倒塌构筑物的碎片4、压实区5、倒塌的构筑物6、泡沫混凝土垫层7、受振动影响的构筑物8。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明进一步加以说明。

如图1所示，泡沫混凝土中含有砂浆1和大量的泡沫形成的气泡2，从而形成一种多孔材料。其空孔率最大可达75％左右。泡沫混凝土3的一个特点是高压缩性。以该种泡沫混凝土作为减振垫层。

如图2所示，泡沫混凝土3在受压加载头或者倒塌构筑物6的碎片4冲击下，产生压实区5，压缩深度为h1。

其压缩应力-应变关系如图3所示，可分为弹线段、平台段和压实段共三个阶段。已知泡沫混凝土3的密度，可以得到相应的受压应力-应变关系。

如图4和图5所示，本实施例以内陆核电站中大型冷却塔倒塌触地振动为例，来说明采用泡沫混凝土作为垫层可以减弱大型构筑物6倒塌引起地面振动。图中，倒塌的构筑物6为冷却塔，泡沫混凝土垫层为7，受振动影响的结构8是附近的安全壳，其振动不能超过一定的限值，否则会影响核设施的安全运行，有诱发核事故的风险。

本发明采用泡沫混凝土作为垫层以减弱大型构筑物倒塌引起地面振动的步骤是：

(1)确定构筑物6倒塌后瓦砾堆积的地面范围。该范围需要通过结构倒塌数值模拟确定，通常考虑的外部荷载包括地震和强风。

(2)确定泡沫混凝土3的厚度和密度，包括以下步骤：

第一步，根据地基施工开挖土体深度和地面设计标高，确定泡沫混凝土3厚度，一般以2-4米为宜；

第二步，确定在步骤(1)中瓦砾撞击地面时两种特征碎片，一种是具有最大体积的碎片及其速度，另一种是具有最大速度的瓦砾及其体积；

第三步，选取泡沫混凝土3的密度，并应用相应的受压应力-应变关系公式，该公式如下：

A＝3.3×10¹³ρ^3/2-3.5×10¹³ρ (2)

B＝432.1ρ^3.8 (3)

E＝968.2ρ²+31.7ρ (4)

式中，ρ为密度，单位g/cm³；σ为应力，单位MPa；ε为应变，无单位；A为中间量，单位MPa；B为中间量，单位MPa；E为中间量，单位MPa；m为常数，取0.33；α为常数，取0.17；k为常数，取1.1；l为常数，取3.9；

第四步，建立“碎片-泡沫混凝土”有限元模型，分别以最大体积的碎片及其速度、以及具有最大速度的碎片及其体积撞击泡沫混凝土，分别得到泡沫混凝土压缩高度。取两者的较大值为本步骤得到的泡沫混凝土压缩高度；

第五步，如果第四步得到的泡沫混凝土3压缩高度小于第二步中确定的泡沫混凝土3厚度，则减小第三步中泡沫混凝土3的密度，使得泡沫混凝土3变得更“松软”，重新计算第三至五步。不断试算，直至泡沫混凝土3压缩高度接近但略小于泡沫混凝土3厚度，此时泡沫混凝土具有最大的耗能减振效果，同时考虑到泡沫混凝土3能得到充分利用，经济性也较佳。

(3)设计、制作所采用的泡沫混凝土3。主要原料包括：发泡剂、水泥、粉煤灰、石灰、石膏和轻集料(如膨胀珍珠岩、EPS颗粒、炉渣、砂等)。优选地，为改善泡沫混凝土的材性，可以加入一些添加剂，如：膨胀剂、纤维材料。制作时，首先在室温下将发泡剂与水混合均匀并用搅拌机不断搅拌形成泡沫溶液；然后将水泥、粉煤灰、石灰、石膏和轻集料和水等主要组分混合均匀形成混合物；接下来将泡沫溶液加入到主要组分的混合物中，并搅拌均匀；最后注模、低幅振动密实、预养护、脱模、养护，得到成品。

(4)将泡沫混凝土3等厚度地浇筑在瓦砾堆积的地面范围。采用分层法施工，将泡沫混凝土3等厚度、分层浇筑在瓦砾堆积的地面范围之内，泡沫混凝土垫层7的顶部标高与相邻的地面标高相同。

以下为本实施例列举的一个验证实例：

已知某钢筋混凝土双曲线冷却塔，塔高185m，支柱底部距离冷却塔中轴线74m。地基为中风化砂质板岩，剪切波速为1406m/s。将冷却塔支柱底部与地基表面分离，并对支柱底部施加人工合成的RG1.60地震波。当地震波的水平向加速度峰值达到0.6g，同时竖直向加速度峰值达到0.4g时，冷却塔发生倒塌，具体表现为塔筒与支柱连接部位发生破坏，塔筒以相对完整的姿态撞击地面。

分别计算地基表面有无泡沫混凝土垫层7两种情况，以评价泡沫混凝土垫层7的减振效果。泡沫混凝土3分布在以冷却塔中轴线与地面交点为圆心，半径为120m的圆形区域内，厚度为4m。泡沫混凝土3密度取500kg/m3。倒塌碎片撞击泡沫混凝土3的最大压缩高度为3.7m。

根据计算结果，确定地面竖向振动加速度最强的方向。然后，在地基表面，沿着该方向取3个测点，这些测点分别距离冷却塔中轴线200m、300m和400m。将上述测点的各向加速度峰值列于表1。可见，泡沫混凝土垫层7能够有效减轻地面振动。

表1各测点加速度峰值

注：括号内数值表示设置垫层后加速度峰值降低的百分比。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种减弱大型构筑物倒塌引起地面振动的方法，其特征在于，包括以下步骤：

Ⅰ)确定构筑物倒塌后瓦砾堆积的地面范围；

Ⅱ)提供减振垫层，设计选定该减振垫层的初步物理参数，利用所述瓦砾堆积中的碎片和瓦砾得到所述减振垫层的压缩高度，再将所述初步物理参数与所述压缩高度进行比较，进而确定所述减振垫层的最佳密度；

Ⅲ)设计制作所述减振垫层；

Ⅳ)将最佳密度确定的所述减振垫层布置在所述瓦砾堆积的地面范围内；

所述步骤Ⅱ具体包括：

a.确定在步骤Ⅰ中瓦砾撞击地面时两种不同的碎片及其特征，一种是具有最大体积的碎片及这种碎片的速度，另一种是具有最大速度的碎片及该种碎片的体积；

b.根据地基施工开挖土体深度和地面设计标高，设计选定所述减振垫层的厚度；

c.选取泡沫混凝土的密度，应用相应的受压应力-应变关系公式，该公式如下：

A＝＝3.3×10¹³ρ^3/2-3.5×10¹³ρ (2)

B＝432.1ρ^3.8 (3)

E＝968.2ρ²+31.7ρ (4)

式中，ρ为密度，单位g/cm³；σ为应力，单位MPa；ε为应变，无单位；A为中间量，单位MPa；B为中间量，单位MPa；E为中间量，单位MPa；m为常数，取0.33；α为常数，取0.17；k为常数，取1.1；l为常数，取3.9；

d.通过有限元模型，并分别以最大体积的所述碎片和具有最大速度的所述碎片撞击所述减振垫层，进而分别得到所述减振垫层的压缩后高度，取两者的较大值并初步确定为所述减振垫层的压缩高度；

e.若步骤d所得到的所述减振垫层的所述压缩高度小于步骤b中所选定的减振垫层的厚度，则减小步骤c中所述减振垫层的密度以使得所述减振垫层变松软，重新计算步骤c至步骤e；

f.不断试算，直至步骤d所述得到的减振垫层的所述压缩高度接近且小于所述减振垫层的厚度，从而确定所减振垫层的所述最佳密度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，选用泡沫混凝土作为所述减振垫层。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤Ⅰ具体包括：

通过有限元数值模拟的方式，确定各种荷载作用下，所述构筑物倒塌后所述瓦砾堆积在地表的范围。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述荷载包括地震和强风。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，实施所述步骤Ⅲ具体包括：

提供原材料包括发泡剂、水泥、粉煤灰、石灰、石膏和轻集料；

制作时，先将所述发泡剂与水混合均匀并不断搅拌形成泡沫溶液；

再将所述原材料和水混合均匀以形成混合物；

然后将所述泡沫溶液加入到所述混合物中，并搅拌均匀；

最后经养护后得到所述减振垫层的成品。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，实施所述步骤Ⅳ具体包括：

采用分层法施工，将所述减振垫层等厚度地分层浇筑在所述瓦砾堆积的地表范围之内，并使所述减振垫层的顶部标高与相邻的所述地面标高相同。

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