以建筑物抗震設(shè)計(jì)為依據(jù)的爆破振動(dòng)安全判別研究

杜耀志，劉 旺

(國(guó)防科技大學(xué)指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院， 湖南長(zhǎng)沙 410072)

0 引言

目前，爆破振動(dòng)安全判別通常以地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為主，輔以主振頻率作為標(biāo)準(zhǔn)，速度－頻率標(biāo)準(zhǔn)僅僅是對(duì)獨(dú)立閾值理論的延伸，沒(méi)有考慮到振動(dòng)持續(xù)時(shí)間和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響。近幾年來(lái)，有人根據(jù)材料的動(dòng)態(tài)拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則，利用質(zhì)點(diǎn)振速與動(dòng)態(tài)抗拉應(yīng)力的關(guān)系，建立了一種新的判據(jù)，即動(dòng)態(tài)抗拉應(yīng)力判據(jù)，但由于建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和材料性能無(wú)法確定，使得這種判據(jù)指標(biāo)對(duì)于不同場(chǎng)區(qū)和不同類型建筑結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性較差，不具備推廣應(yīng)用價(jià)值。

鑒于爆破振動(dòng)效應(yīng)和地震效應(yīng)對(duì)建構(gòu)筑物的作用機(jī)理相同，以被保護(hù)對(duì)象(即目標(biāo)建筑物)抗震設(shè)計(jì)為依據(jù)，探討新的爆破振動(dòng)安全判別途徑和方法已經(jīng)十分迫切和必要。

1 以抗震設(shè)計(jì)為依據(jù)判別爆破振動(dòng)安全的科學(xué)性

1.1 完善現(xiàn)行爆破振動(dòng)安全判別標(biāo)準(zhǔn)的必要性

爆破振動(dòng)安全判別的對(duì)象往往是某一具體的建筑物，而結(jié)構(gòu)類型相同的建筑物即使具有相同的自振頻率，但因其建筑結(jié)構(gòu)、場(chǎng)地、建筑材料的不同，使得它們對(duì)爆破振動(dòng)效應(yīng)的響應(yīng)表現(xiàn)出巨大的差異?，F(xiàn)行的爆破振動(dòng)安全判別標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同建筑物以大類劃分，對(duì)大類采用統(tǒng)一的判別標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法反映個(gè)體差異，因此，補(bǔ)充和完善現(xiàn)行的爆破振動(dòng)安全判別標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)其針對(duì)性顯得十分必要。

1.2 爆破振動(dòng)與天然地震對(duì)建筑物的激勵(lì)及破壞機(jī)理基本相同

爆破地震波和天然地震波都包括在介質(zhì)內(nèi)部傳播的體波和沿地層表面?zhèn)鞑サ拿娌ǎ渲忻娌ǖ淖饔檬菍?dǎo)致建筑物破壞的主要原因。爆破振動(dòng)與天然地震對(duì)建筑物的力學(xué)效應(yīng)都表現(xiàn)為直接作用在結(jié)構(gòu)體上的壓力、拉力或剪切力，所以將力學(xué)響應(yīng)特性作為爆破振動(dòng)或天然地震對(duì)建筑物破壞與否的衡量指標(biāo)，具有較強(qiáng)的合理性和可比性。

1.3 建筑物第一水準(zhǔn)烈度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與爆破振動(dòng)安全指標(biāo)相對(duì)應(yīng)

雖然建筑抗震設(shè)計(jì)是針對(duì)天然地震而言的，但由于爆破振動(dòng)與地震之間具有相同的物理特性，所以抗震設(shè)計(jì)中對(duì)建筑物遭破壞作用的標(biāo)準(zhǔn)同樣適用于爆破振動(dòng)對(duì)建筑物的破壞作用。

地震基本烈度的確定反映了地震烈度衰減規(guī)律和震中距等影響的概率因素，它確定的是基本烈度在地域上的分布(見圖1)。但是對(duì)于某一個(gè)地區(qū)，并不是每次地震都是按基本烈度發(fā)生的，也存在一個(gè)概率分布的問(wèn)題。一般認(rèn)為地震烈度的概率分布符合正態(tài)分布，其分布函數(shù)為:

式中:δ—烈度上限;

I—烈度;

ε—眾值烈度(亦稱為多遇地震烈度);

k—形狀系數(shù)。

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011―2010，以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)指出，在建筑物遭遇第一水準(zhǔn)烈度(眾值烈度)時(shí)，結(jié)構(gòu)處于正常使用狀態(tài)，從結(jié)構(gòu)抗震分析角度，可視為彈性體系，采用彈性反應(yīng)譜進(jìn)行彈性分析［1］。因此，爆破振動(dòng)對(duì)建筑物構(gòu)成的影響程度必須控制在彈性范圍內(nèi)，即在爆破振動(dòng)的作用下，建筑物一直處于彈性工作階段，不能出現(xiàn)非彈性變形［2］，在安全判別時(shí)必須以建筑物設(shè)計(jì)遭遇第一水準(zhǔn)烈度為判據(jù)閾值，也就是說(shuō)爆破振動(dòng)作用下建筑物受到的最大剪切力Qmax要小于建筑物在遭遇第一水準(zhǔn)烈度時(shí)的最大剪切力閾值，即《規(guī)范》中的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值FEK。

圖1 地震烈度的概率分布

2 以抗震設(shè)計(jì)為依據(jù)的爆破振動(dòng)安全判別方法

2.1 水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算

2.1.1 確定水平地震影響系數(shù)最大值

《規(guī)范》把抗震等級(jí)分為4級(jí)，其中第1級(jí)代表最高的抗震設(shè)計(jì)要求，第4級(jí)代表最低的要求。建筑物抗震設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)烈度、結(jié)構(gòu)類型以及房屋的高度按《規(guī)范》確定結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)。對(duì)于爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)而言，依據(jù)具體建筑物的結(jié)構(gòu)類型和所設(shè)計(jì)的抗震等級(jí)便可根據(jù)《規(guī)范》反推出其可抗地震烈度。

地震烈度是指某一地區(qū)、地面即房屋建筑等工程結(jié)構(gòu)遭受到一次地震影響的強(qiáng)烈程度。我國(guó)根據(jù)房屋建筑震害指數(shù)、地表破壞程度即地面運(yùn)動(dòng)加速度指標(biāo)將地震烈度分為12度，制定了《中國(guó)地震烈度表》。

《規(guī)范》中列出了不同地震烈度分別在多遇地震和罕遇地震下所對(duì)應(yīng)的水平地震影響系數(shù)最大值(見表1)。

表1 水平地震影響系數(shù)最大值αmax

2.1.2 確定場(chǎng)地的特征周期值

場(chǎng)地的特征周期是根據(jù)場(chǎng)地類別和抗震設(shè)計(jì)分組得出的，見表2。

2.1.3 確定地震影響系數(shù)

《規(guī)范》給出了地震影響系數(shù)α與結(jié)構(gòu)自振周期T的關(guān)系曲線及計(jì)算公式(見圖2)。

表2 特征周期值Tg(S)

圖2 α與結(jié)構(gòu)自振周期T的關(guān)系曲線

其中:αmax—水平地震影響系數(shù)最大值;

Tg—特征周期值;

T—結(jié)構(gòu)自振周期;

ξ—結(jié)構(gòu)的阻尼比;

η1—斜率調(diào)整系數(shù);

η2—阻尼調(diào)整系數(shù)

2.1.4 計(jì)算水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值

我國(guó)在建筑物抗震驗(yàn)算中，采用二階段設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)。其中的第一階段設(shè)計(jì)為承載力驗(yàn)算，同理，爆破振動(dòng)對(duì)建筑物的影響應(yīng)該控制在該階段之內(nèi)。該階段是取第一水準(zhǔn)的地震參數(shù)來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)的彈性地震作用標(biāo)準(zhǔn)值和相應(yīng)的地震作用效應(yīng)［3］。

式中:FEK—水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值;

α—地震影響系數(shù);

β—?jiǎng)恿ο禂?shù);

G—重力荷載代表值，G=mg，m為建筑物的自重，g為重力加速度。

FEK即目標(biāo)建筑物在彈性反應(yīng)階段最大允許剪切作用力，換言之，爆破振動(dòng)對(duì)目標(biāo)建筑物的剪切作用力不得大于FEK。

2.2 爆破振動(dòng)對(duì)目標(biāo)建筑物的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和最大剪切力計(jì)算

在單質(zhì)點(diǎn)彈性體系的水平地震反應(yīng)理論中，根據(jù)達(dá)朗伯原理，質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)的任一瞬時(shí)，作用在質(zhì)點(diǎn)上的阻尼力)，彈性恢復(fù)力 Kx(t)和慣性力處于瞬時(shí)平衡狀態(tài)，即:

其中:c—阻尼系數(shù)(或粘滯阻尼);

x(t)—質(zhì)點(diǎn)對(duì)地面的相對(duì)位移;

K—抗側(cè)移剛度或稱之為彈簧常數(shù)。

一般稱ω為體系的自振頻率(也稱角頻率)。對(duì)應(yīng)于給定的固有周期和阻尼比，把最大位移xmax乘以彈簧常數(shù)K，即可得到最大剪切力:

根據(jù)以上步驟所得參數(shù)，以實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)地面加速度為輸入，便可得出在爆破振動(dòng)作用下的目標(biāo)建筑物受力時(shí)程曲線。

2.3 爆破振動(dòng)安全判別標(biāo)準(zhǔn)

爆破振動(dòng)作用下判定目標(biāo)建筑物是否安全的判別式為:Qmax＜FEK，即Qmax＜FEK則判定爆破振動(dòng)作用對(duì)目標(biāo)建筑物是安全的，否則反之。

3 工程實(shí)例與分析

在瀏陽(yáng)河大橋拆除爆破中，以待爆橋附近的一處三層框架結(jié)構(gòu)民用建筑為爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用以上安全標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該建筑物進(jìn)行爆破振動(dòng)安全判別?？拐鹪O(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

表3 抗震設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)該建筑物抗震設(shè)計(jì)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)參數(shù)有:

Tg=0.35 s，αmax=0.16 ，ξ=0.05 ，T=0.65s，m=127400 kg

由于所用測(cè)振儀為速度型，應(yīng)利用測(cè)振分析軟件對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行微分得到加速度時(shí)程數(shù)據(jù)。依據(jù)單質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)反應(yīng)譜理論進(jìn)行matlab編程，分析相對(duì)位移反應(yīng)波形、相對(duì)速度反應(yīng)波形和絕對(duì)加速度反應(yīng)波形［4］，得出最大相對(duì)位移 xmax=0.0029 cm，最大相對(duì)速度 vmax=0.0284 cm/s，最大絕對(duì)加速度amax=1.2819 cm/s2。

則:Qmax＜FEK

依此判斷，此次瀏陽(yáng)河大橋爆破拆除的爆破振動(dòng)作用不會(huì)對(duì)目標(biāo)建筑物造成破壞。爆破后，對(duì)目標(biāo)建筑物進(jìn)行了全面檢測(cè)，結(jié)果表明，上述判斷與實(shí)際結(jié)果相符。

4 結(jié)論

以建筑物抗震設(shè)計(jì)為依據(jù)，充分考慮建筑物自身特性和場(chǎng)地特性受爆破振動(dòng)效應(yīng)的影響因素，針對(duì)具體的建筑物相對(duì)應(yīng)地給出爆破振動(dòng)的安全判據(jù)值，從而保證對(duì)爆破振動(dòng)的安全判別具有較強(qiáng)的針對(duì)性和科學(xué)性。本文只僅僅進(jìn)行了一些初步探討，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的樣本數(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，是否具有實(shí)用價(jià)值有待進(jìn)一步深入研究。

［1］GB50011—2010.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］丁建國(guó).彈塑性反應(yīng)譜及其在抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，31(6):780-783.

［3］尚守平.結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)［M］.北京:高等教育出版社，2003:40-46.

［4］［日］大崎順彥，田琪譯.地震動(dòng)的譜分析入門(第二版)［M］.北京:地震出版社，2008:132-145.