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1、4 0 4 叶琳等：某简体结构冲击载荷特性影响分析 _ 二一-：一：某简体结构冲击载荷特性影响分析叶琳1 连志颖1苏安1张春巍2( 第二炮兵工程设计研究院，北京，1 0 0 0 l l ；2 哈尔滨工业大学土木工程学院，哈尔滨，1 5 0 0 9 0 )摘要：本文通过引入升压时间放大倍数及1 和正压( 降压) 作用时间放大倍数及2 ，系统仿真了地冲击载荷升压、降压作用时间以及与结构体系阻尼比、刚度联合变化所产生的对结构震动峰值响应量的影响规律。关健词：载荷模型结构特性响应规律仿真分析1 分析模型设定防护结构的抗震设计分析，受很多相互联系的因素影响，这些因素中典型的有：武器爆炸类型，当量大小，效
2、应类型，结构所处爆炸中心距位置和相应的地形地貌地质情况以及防护结构类型等。引起结构受载运动的效应有空气冲击波、地冲击、弹坑效应。各种效应的相对重要性取决于结构与地表和爆炸点的相对位置。而地下结构主要是受地冲击的作用。地冲击荷载是动态和多维的，其中爆炸类型、当量、结构所处爆炸中心距及其所处环境决定了结构的载荷特性，同时也是结构震动特性的主要影响因素。为了研究其规律，本文在建立筒体结构地冲击震动分析模型的基础上，通过引入升压时间放大倍数及，和正压( 降压) 作用时间放大倍数及2 ，进行了系统的仿真计算，给出了升、正压作用时间变化及其与结构体系刚度与阻尼的联合变化对结构震动响应峰值的影响规律。图l
3、所示，给出了地下简体防护结构爆炸中心距，结构位于爆炸引起的地冲击作用区。本问题中，简体结构可以作为不考虑其横向结构的单一竖向简体进行分析，即视为一个单质量动力体系。在一般情况下，一个单质量体系可以有六个自由度：三个正交方向的平移和三个绕正交轴的转动。并采用非耦合体系进行分析，即认为其中一个振型中的力或者位移在其它振型中不产生响应。同时分开考虑竖向与横向震动。e 门【R ：8 0 9 m冒 11三， 、? 、? 、，人、图1 地冲击分区示意图丝查至壁垒墅望壅幽燮堡燮结构动力分析的运动方程可以表达为：，城+ c o 戈+ k o x = u ( t )式中c o = 2 m 0 0 9 0 ，k
4、o = m 瑶，u ( f ) 为输入的爆炸荷载作用力。4 0 5( 1 )爆炸引起的地运动也可以看作为是一种地震效应，其对地下结构的作用也是以惯性荷载的形式施加的。以爆炸引起的地运动加速度作为输入，这样一来，爆炸冲击荷载作用下结构的震动分析与普通意义上的建筑结构振动分析问题相类似了。以上爆炸冲击载荷输人形式的结构动力分析的运动方程在加速度输入情况下的形式可以写为：m 2 + 2 ，l 彘贾+ ( 0 0 x = m ( 一戈。)( 2 )式中戈。为爆炸冲击加速度取值。由于简体结构受冲击响应主要集中于竖向与水平方向两个方向，分析所用的荷载模型源于水平地冲击荷载直接作用和竖向地冲击直接作用，所不
5、同之处在于这里采用加速度时程代替作用力时程。荷载输人模型和时程如图2 到3 所示，具体参数见表1 。K饕州卅几= L L 一 G入、，t 口气f +图2 荷载竖向、水平作用方式图3 荷载作用模型和参数表1 荷载计算模型与参数汇总加速度波峰值到达时间升压时间正压时间方向 M 一( m s 2 )t 。( ，l s )t ( m s )f ( m s )竖向7 0 0 4 1 3 2 55 41 8 6 2水平1 0 8 95 041 0注：木是按照荷载的力反推出的加速度。参照规范建立竖向冲击加速度波形的参数与水平冲击的参数完全一致，这样竖向的分析与水平分析完全一致；经过分析比较可知，前者建立的荷
6、载尽管峰值略小，但由于作用时间参数上的差别，计算出来的结构响应略为不利，考虑所有可能的情况，并且尽量不丢掉最不利情况，本文以下分析都是基于此种情况展开的。由于荷载及其对结构的动力影响存在着较大的不确定性，以下对简体结构等效地冲击输入作用荷载进行特性影响分析，以定量给出载荷作用输入特性对结构震动的影响情况。2 仿真分析将筒体结构看作为一个单质量体系，在单一方向( 竖向或水平) 不考虑两者耦联的情况下，此时结构的相关计算参数为：质量m = 2 9 2 6 t ；阻尼比根据实际，其变化范围大致在1 0 5 0 之间，不失一般性且经计算分析其影响对于最大反应加速度影响并不显著，因此取 中间值毒o =
7、3 0 ；自振圆频率倒o = 1 2 2 5 r a d l s ( 即f o = 1 9 5 H z ) 。仿真分析总时间5 s ，计算时间步长A t = 0 1 m s 。考虑升压时间与降压时间对结构峰值响应量的影响。首先，在结构无控制措施时的质量、刚度、阻尼参数条件下，分析升压时间与降压时间变化对结构位移、加速度峰值响应的影响。结构的运动方程为，舭+ C o X + k o x = 一，眦P ( f 升，z )引入两个系数，升压时间放大倍数O t 。和正压( 降压) 作用时间放大倍数O t ：，则有白2a l t h 、z2O t 2 t + o2 一及。和O t ：单独变化的影响考虑及
8、，在1 。1 0 之间变化，及：分别为1 、2 、4 、8 时，分别对应图中4 条曲线。S D O F体系的竖直方向位移和加速度峰值响应量与玖，的关系示于图4 中，竖直方向响应量降低率与及，的关系示于图5 中。这里，升压与降压时间对结构响应的影响总的趋势是：延长升压时间将极大的降低结构的加速度反应峰值，而延长降压时间的结论并不十分明确；同时，在个别情况下，如只延长升压时间而不延长降压时间，体系的加速度不但不会得到有效地控制，还有可能被放大，要引起充分注意。图4 升压与降压时间单独变化对体系的竖向峰值响应量的影响图5 升压与降压时间单独变化对体系的竖向峰值响应量降低率的影响2 2 及1 和口2
9、同时变化的影响同时考虑升压时间放大倍数及，和正压作用( 降压) 时间放大倍数Q ：的变化的影响，这里假定它们依某一比例关系变化。考虑及1 在1 1 0 之间变化，及2 分别为及| 的0 5 倍、1倍和2 倍时，分别对应图中3 条曲线。S D O F 体系的竖直方向位移和加速度峰值响应量与及l的关系示于图6 中，竖直方向响应量降低率与口，的关系示于图7 中。图6 升压与降压时间同时变化对体系的竖直向峰值响应量的影响图7 升压与降压时间同时变化对体系的竖直向峰值响应量降低率的影响皂堕时琳等：某简体结构冲击载荷特性影响分析为更进一步阐述及。和n 2 的变化，在它们的取值范围均为1 。1 0 之间时，
10、考虑同步和不同步、同趋势和相反趋势变化时的结果以三维图的形式示于图8 中。图8 升压与降压时间同时变化对体系的竖向峰值响应量及其降低率的影响三维图2 3 口1 与刚度变化的联合影响考虑在及l = 及2 关系下，升压时间放大倍数及l 与体系频率调整系数芦( o J 。= 触o ) 联合变化对结构运动峰值响应量的影响。考虑a 1 在1 1 0 之间变化，卢分别为o 5 、1 和2 时，分别对应图中3 条曲线。$ D O F 体系的竖直方向位移和加速度峰值响应量与及，的关系示于图9 中，竖直方向响应量降低率与及，的关系示于图1 0 中。图9 升压时间与体系刚度联合变化对体系的竖直向峰值响应量的影响中
11、国土木I 程学会防护I 程分会第九次学术年会论文集4 0 9图1 0 升压时间与体系刚度联合变化对体系的竖直向峰值响应量降低率的影响从以上分析可以看出，同时同步延长荷载作用的升压和降压时间，适当增加体系的刚度，可以取得良好的控制效果，无论是对于位移还是加速度而言，都是如此。 2 4 及- 与阻尼比s o 变化的联合影响考虑在及，= g t ：关系下，升压时间放大倍数及l 与体系阻尼比善。联合变化对结构运动峰值响应量的影响。考虑O t l 在1 。1 0 之间变化，彘分别为1 0 、3 0 和5 0 时，分别对应图中3 条曲线。S D O F 体系的竖直方向位移和加速度峰值响应量与O t ，的关
12、系示于图1 l 中，竖直方向响应量降低率与反，的关系示于图1 2 中。图1 2 升压时间与体系阻尼比联合变化对体系的竖直向峰值响应量降低率的影响3 结论本文通过对影响结构震动响应位移和加速度峰值5 个因素( 升压时间、降压时间、荷载最大幅值、固有频率、系统阻尼比) 分析，就其影响规律有了个全面的认识，进而得出了以下一些初步结论：( 1 ) 筒体的震动分析，需要采用两种荷载输入模式，即水平和竖向地冲击，从反应计算结果上来看，单方向的竖向振动计算能够具有一定的代表性。( 2 ) 延长升压时间将极大的降低结构的加速度反应峰值，但在个别情况下，如只延长升压时间而不延长降压时间，体系的加速度不但不会得到
13、有效地控制，还有可能被放大。( 3 ) 在升降压时间变化的某一范围内，结构最大位移响应与升压时间基本无关，而与降压时间成正比；( 4 ) 同步延长荷载作用的升压和降压时间，适当增加体系的刚度，对于位移还是加速度的控制可以取得良好的效果。结构的阻尼比对位移的影响较大，而对加速度的影响极小。参考文献【1 】R o b e r tE C r a w f o r d ，C o r n e l i u sJ H i g g i n s & E d w a r dH B u l t m a n n T h eA i rF o r c eM a n u a lf o rD e s i g na n dA n
14、 a l y s i so fH a r d e n e dS t r u c t u r e s M C i v i lN u c l e a rS y s t e m sC o r p o r a t i o nA l b u q u e r q u e ，N e wM e x i c o8 7 1 0 2 ，O c t 1 9 7 4 ( 美国空军防护结构设计与分析手册，中国人民解放军空军后勤部工程设计局)【2 】周听清爆炸动力学及其应用【M 】合肥：中国科学技术大学出版社，2 0 0 1【3 】V e p r i kAM & B a B i t s k yVI V i b r a t
15、i o nP r o t e c t i o no fS e n s i t i v eE l e c t r o n i cE q u i p m e n tF r o mH a r s hH a r m o n i cV i b r a t i o n J J o u r n a lo fS o u n da n dV i b r a t i o n V 0 1 2 3 8 ，N o 1 ，2 0 0 0 ，1 9 3 0【4 】武田寿一建筑物隔震防振与控制【M 】北京：中国建筑工业出版社，1 9 9 7【5 】防护结构设计( 上册) ，中国人民解放军空军工程学院，1 9 7 5【6 】吕玉恒，王庭佛噪声与振动控制设备及材料选用手册【M 】北京：机械工业出版社，1 9 9 9
