一种减弱大型构筑物倒塌引起地面振动的方法与流程

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，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。

技术实现要素：

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(在本申请中主要是密布钢管)所具有的耗能强、压缩后回弹几乎可忽略、耐久性好、维护费用少等优点，在冲击力作用下，减振垫层可产生多道“褶皱”，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，设计选定该些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，再将所述减振垫层的所述初步物理参数与所述压缩后高度进行比较，进而确定所述减振垫层的最佳参数；

ⅲ)将最终物理参数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.初步选用具有一定初步高度的减振垫层；

b.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；

c.通过有限元模型，并以最大体积的所述碎片以及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所述压缩后高度，取两者的较大值并初步确定为所述减振垫层的所述压缩后高度；

d.若步骤c所得到的减振垫层的所述压缩高度小于步骤a中所选用的减振垫层的所述初步高度，则修改步骤c中所述减振垫层的物理参数；

e.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初步高度，从而确定所减振垫层的所述最佳密度。

优选地，选用密布钢管作为所述减振垫层。

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，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，所述步骤ⅲ具体包括：

在所述减振垫层的顶部采用轻质油毡材料封闭，将所述减振垫层所形成的垫层的顶部标高与相邻的地面标高设置到相同。

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，减振垫层耗能能力更强。碎片散落并“淹没”在减振垫层中，减振效果更佳；

(2)品种选择面大。通过改变减振垫层的钢材类型、壁厚、和高度等不同参数，可以获得不同“松软”程度的减振垫层，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，减振垫层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。减振垫层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为本发明方法中减振垫层布置图；

图2为对应于图1中单个钢管压缩变形图；

图3为对应于图3的减振垫层应力-应变关系图；

图4为本发明实际应用时减振垫层布置范围的平面图；

图5为本发明实际应用时减振垫层布置范围的立面图。

附图标记：

单个钢管1、倒塌的构筑物2、减振垫层3、受振动影响的构筑物4。

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，钢管1采用圆柱体，相邻规则排列，形成减振垫层。减振垫层1可看成是一种多孔材料。其空孔率接近100％，具有高压缩性。

如图2所示，单个钢管1被压缩后产生大变形，形成多道“褶皱”，消耗能量。如将减振垫层看成一种材料，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。已知减振垫层1的物理参数，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式振动为例，来说明本申请采用减振垫层作为垫层可以显著减弱大型构筑物倒塌引起地面振动。图中，倒塌的构筑物2为冷却塔，减振垫层为3，受振动影响的结构4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。

本申请采用减振垫层作为垫层以减弱大型构筑物倒塌引起地面振动的具体步骤包括：

(1)确定构筑物2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)确定减振垫层1的物理参数，具体还包括以下步骤：

第一步，确定减振垫层1高度，一般以1至2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，初步选择减振垫层1的各物理参数，如钢材料参数，钢管1几何参数。建立“碎片-减振垫层”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减振垫层1，分别得到减振垫层1压缩高度。取两者的较大值为本步骤得到的减振垫层压缩高度；

第四步，如果第三步得到的减振垫层1压缩高度显著小于第二步中确定的减振垫层1高度，则修改第三步中减振垫层1的物理参数(比如减小钢管壁厚)，使得减振垫层1变得更“松软”，重新计算第三步。不断试算，直至第三步得到的减振垫层压缩高度接近但略小于减振垫层高度。此时，减振垫层1具有较好的耗能减振效果。同时，考虑到减振垫层1能得到充分利用，其经济性也较佳。

(3)将减振垫层1布置在瓦砾堆积的地面范围内。减振垫层1顶部采用轻质油毡类材料封闭，防止人员跌落，起安全作用。减振垫层3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减振垫层3两种情况，以评价减振垫层3的减振效果。减振垫层布置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，高度为1.4m。钢管外直径850mm，壁厚20mm，q345钢。倒塌后的碎片撞击减振垫层1，最大压缩高度0.94m。

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，减振垫层3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。