頻繁礦震下臨近建筑物結(jié)構(gòu)疲勞損傷及安全選址研究*

王凱旋，胡 萍，周建新

(中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012)

0 引言

礦產(chǎn)資源在國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展中具有重要地位，但礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中引起的周邊環(huán)境擾動(dòng)和建筑結(jié)構(gòu)損傷時(shí)有發(fā)生，這不僅對(duì)礦山安全生產(chǎn)和礦工生命安全造成直接危害，還常有礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，對(duì)周邊建筑物和居民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。

近年來(lái)礦山爆破振動(dòng)下建筑物的力學(xué)響應(yīng)問(wèn)題成為學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，相關(guān)研究成果較多。范勇等[1]運(yùn)用基于確定的高端墻爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)側(cè)向爆破荷載作用下地下廠房高端墻安全性進(jìn)行分析；賈磊等[2]建立爆破施工對(duì)既有襯砌振動(dòng)影響的數(shù)值模型，給出數(shù)值計(jì)算中爆破荷載的波形、荷載峰值、加載時(shí)間的模擬方法，并研究爆破開(kāi)挖進(jìn)尺、間距及埋深等因素對(duì)既有鄰近隧道的影響；包輝[3]基于大量爆破振動(dòng)實(shí)際監(jiān)測(cè)效據(jù)，對(duì)爆破振動(dòng)速度反應(yīng)譜譜面積SR與爆破地震波信號(hào)各特征量進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，研究SR對(duì)建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)損傷的影響和關(guān)聯(lián)；李永靖[4]運(yùn)用疲勞累計(jì)損傷理論，建立頻繁礦震作用下鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)層次上的損傷模型；吳仕鵬[5]系統(tǒng)歸納爆破振動(dòng)波的形成、參數(shù)及影響，對(duì)振動(dòng)荷載作用下建筑物發(fā)生共振的現(xiàn)象進(jìn)行理論分析，形成單、多自由度體系的振動(dòng)方程；張玉成等[6]針對(duì)隧道開(kāi)挖爆破施工對(duì)既有建筑物的影響，將孔狀爆破荷載等效成面荷載進(jìn)行爆炸作用的模擬，使得數(shù)值分析更加簡(jiǎn)化；董隴軍等[7]對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度、爆破振動(dòng)主頻率等8個(gè)影響因子進(jìn)行分析研究，建立露天采礦爆破振動(dòng)對(duì)砌體結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)預(yù)測(cè)的Fisher判別模型。

鑒于此，研究礦山爆破振動(dòng)對(duì)于周邊環(huán)境及人員保護(hù)具有重要意義。目前學(xué)者們針對(duì)礦山開(kāi)采誘發(fā)的礦震影響研究主要包括以下2種思路：1)對(duì)建筑物簡(jiǎn)化為僅考慮烈度因素，從而分析單次地震荷載作用下的結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)；2)僅針對(duì)單個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，依據(jù)實(shí)驗(yàn)中試塊在頻繁振動(dòng)荷載作用的累積損傷規(guī)律，得到經(jīng)驗(yàn)性的結(jié)構(gòu)累積損傷模型。現(xiàn)有研究主要包括以下需要改進(jìn)的內(nèi)容：1)需準(zhǔn)確描述振動(dòng)波如何通過(guò)巖土體傳遞至建筑物，并給出爆破振動(dòng)源與建筑物在不同間距下結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)譜或位移反應(yīng)譜；2)需加強(qiáng)對(duì)頻繁礦震下的結(jié)構(gòu)累積損傷破壞規(guī)律的監(jiān)測(cè)，輔以理論經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值模擬成果進(jìn)行驗(yàn)證和拓展分析；3)需針對(duì)不同的建筑物正常使用要求，給出頻繁礦震相應(yīng)的爆破安全允許距離。

綜上所述，本文根據(jù)某鐵礦實(shí)際作業(yè)區(qū)內(nèi)擬規(guī)劃建筑物的工程案例，對(duì)結(jié)構(gòu)累積損傷和擬規(guī)劃建筑選址進(jìn)行研究；現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展振動(dòng)監(jiān)測(cè)并結(jié)合修正后的撒道夫斯基公式得到振動(dòng)速度等參數(shù)，依據(jù)不同類型建筑物正常使用相應(yīng)的振動(dòng)速度，得到單次爆破振動(dòng)安全允許距離；采用ANSYS有限元建模得到頻繁爆破振動(dòng)下建筑物的動(dòng)力力學(xué)響應(yīng)，并分析結(jié)構(gòu)軟化效應(yīng)和應(yīng)力疲勞損傷，從而指導(dǎo)投資及規(guī)劃建設(shè)。

1 爆破振動(dòng)下建筑物結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理

1.1 爆破振動(dòng)引發(fā)建筑物共振

爆破振動(dòng)破壞效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是1個(gè)動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程，爆破瞬間產(chǎn)生巨大的能量并以能量波的形式沿介質(zhì)向四周擴(kuò)散，引起質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)。樓房可簡(jiǎn)化成下端為固定支座、上端為自由支座的構(gòu)件桿。爆破產(chǎn)生的動(dòng)力荷載-應(yīng)力波傳遞形式有徑向、切向和垂向3種形式，分別引起建筑物“水平搖擺” “左右扭轉(zhuǎn)”和“上下顛簸”，如同在風(fēng)荷載的作用下，建筑物產(chǎn)生“鞭梢效應(yīng)”，此時(shí)建筑物頂端振動(dòng)及變形最大[8]。由于建筑物結(jié)構(gòu)型式和構(gòu)件連接變化多樣，在復(fù)雜應(yīng)力共同作用下，某些門窗洞口、樓梯間等位置可能產(chǎn)生應(yīng)力集中破壞或微損傷，故不能簡(jiǎn)化為均質(zhì)的彈性體。

1.2 環(huán)境擾動(dòng)引起結(jié)構(gòu)二次損傷

在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境下，爆破產(chǎn)生的動(dòng)力荷載-應(yīng)力波在巖層節(jié)理或斷層帶發(fā)生發(fā)射和折射，對(duì)周邊巖層承載結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動(dòng)，應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)變化，形成斷裂帶，甚至發(fā)生土層的“噴砂” “液化”的現(xiàn)象，或引起采空區(qū)塌陷，進(jìn)而誘發(fā)礦震，對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生二次傷害。

1.3 爆破振動(dòng)下結(jié)構(gòu)損傷的影響因素

根據(jù)文獻(xiàn)[9]及試驗(yàn)測(cè)試分析，得出爆破振動(dòng)下建筑物結(jié)構(gòu)損傷的影響因素來(lái)源主要為地質(zhì)條件、爆破源及建筑物3個(gè)方面，見(jiàn)表1。

表1 影響因素分類及內(nèi)容

2 礦爆臨近建筑物安全允許距離

北京某鐵礦廠建于1971年，采用無(wú)底柱分段崩落法，利用鑿巖臺(tái)車鉆鑿1～2排76～80 mm的扇形炮孔，裝填黏性粒狀銨油炸藥，最大起爆藥量1 780～1 920 kg/次，單響最大藥量為72 kg。礦爆作業(yè)區(qū)內(nèi)規(guī)劃建設(shè)科研基地項(xiàng)目，總面積約2萬(wàn)m2。

2.1 震動(dòng)參數(shù)確定

采用NUBOX-6016型智能振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，使用石膏作為傳感器與地表巖石之間的黏結(jié)劑，確保傳感器與地表巖石粘合固結(jié)良好，如圖1所示。在擬規(guī)劃建設(shè)區(qū)域內(nèi)，測(cè)點(diǎn)距離爆破源位置150 m左右。測(cè)得爆破振動(dòng)時(shí)間-加速度曲線，如圖2所示。

圖1 爆破振動(dòng)傳感器安裝

圖2 爆破振動(dòng)波的時(shí)間-加速度曲線

2.2 單次振動(dòng)時(shí)建筑物安全允許距離

《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)[10]中對(duì)建筑物保護(hù)的爆破振動(dòng)速度安全允許標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，見(jiàn)表2。

表2 爆破振動(dòng)速度安全允許標(biāo)準(zhǔn)

鐵礦作業(yè)區(qū)地形復(fù)雜，且受高差、采空區(qū)等多重因素影響，為便于計(jì)算分析，假定不考慮地質(zhì)及建筑物因素的作用，僅考慮爆破振動(dòng)源的影響，則振動(dòng)速度的撒道夫斯基公式[10]修正為式(1)：

(1)

式中：V為振動(dòng)速度，mm/s；Q為炸藥量，kg；R為爆心距，m；K，α為與爆破點(diǎn)地形、地質(zhì)等條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》，取α=1.3，K=300(軟巖石)；n為與裝藥條件和爆心距有關(guān)的指數(shù)，爆心距較大時(shí)取為1/3；δ為高差影響系數(shù)，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)確定，取1。根據(jù)式(1)，假定藥量Q和爆心位置不變，得出爆破振動(dòng)安全允許距離r，如式(2)所示：

(2)

取可以確保不同形式和用途的建筑物正常使用的振動(dòng)速度V進(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)的爆破振動(dòng)安全允許距離r，如圖3所示。

由式(2)與圖3可知，爆破振動(dòng)安全允許距離r與振動(dòng)速度V呈負(fù)相關(guān)，建筑物抵抗振動(dòng)能力越強(qiáng)，允許振動(dòng)速度越大，則相應(yīng)爆破振動(dòng)安全允許距離r越小，故建筑物抵抗振動(dòng)能力的排序?yàn)椋轰摶旖Y(jié)構(gòu)房屋>砌體結(jié)構(gòu)房屋>新澆混凝土養(yǎng)護(hù)>建筑物內(nèi)有精密科研設(shè)備使用。對(duì)于圖3所示的4種建筑物，圖3(a)～(c)均在r之外，可以正常使用，而圖3(d)在r之內(nèi)，礦爆會(huì)對(duì)精密科研設(shè)備的正常使用造成一定影響?？紤]到頻繁爆破振動(dòng)對(duì)建筑物正常使用的影響，建議擬規(guī)劃建設(shè)的項(xiàng)目應(yīng)重新選址且距離爆破振動(dòng)源位置200 m以上(一般居住或辦公用途)或1 km以上(精密儀器設(shè)備等用途)。

圖3 對(duì)應(yīng)不同建筑形式和用途的爆破振動(dòng)安全允許距離

3 長(zhǎng)期頻繁振動(dòng)作用下建筑物結(jié)構(gòu)安全壽命預(yù)測(cè)

單次爆破振動(dòng)對(duì)建筑物安全使用不會(huì)構(gòu)成威脅，僅會(huì)對(duì)部分精密儀器的使用造成不利影響，但礦震長(zhǎng)期作用下的結(jié)構(gòu)累積損傷不可忽視[11]。建筑物結(jié)構(gòu)累計(jì)損傷可以通過(guò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的退化或應(yīng)變、固有頻率的變化來(lái)表征，這里采用結(jié)構(gòu)固有頻率變化來(lái)求解建筑物第j個(gè)構(gòu)件的損傷值dj，如式(3)所示[12]：

(3)

式中：f0為構(gòu)件初始時(shí)的固有頻率，Hz；fj為構(gòu)件損傷后的固有頻率，Hz。

根據(jù)建筑物各個(gè)構(gòu)件的頻率變化和線性加權(quán)組合方法得到整體結(jié)構(gòu)的損傷值D，如式(4)所示：

(4)

式中：f0j為第j個(gè)構(gòu)件初始時(shí)的固有頻率，Hz；fij為第j個(gè)構(gòu)件損傷后的固有頻率，Hz。

由此可見(jiàn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到結(jié)構(gòu)固有頻率變化，求得整體損傷值D及達(dá)到容許損傷值時(shí)的振動(dòng)次數(shù)N，如式(5)所示[13]：

N=12·f·t·n·y

(5)

式中：N為建筑物受疲勞次數(shù)；f為平均振動(dòng)頻率，Hz；t為平均波延時(shí)間，s；n為平均每月爆破次數(shù)，次/月；y建筑物服役年限，a。

建筑物、橋梁、海上平臺(tái)和大多數(shù)金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞失效應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N一般為104～107次，在強(qiáng)震作用下，建筑物在疲勞失效前應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N一般會(huì)小于104。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)測(cè)算鐵礦爆破平均振動(dòng)頻率為9.03 Hz，平均波延時(shí)間為1.0 s，平均每月爆破次數(shù)為60次，考慮鐵礦爆破點(diǎn)最不利(最近)位置，取N為105，根據(jù)式(5)求得y約為15 a。

4 建筑物結(jié)構(gòu)累計(jì)疲勞損傷數(shù)值分析

設(shè)定某三層框架結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)在該礦區(qū)爆破振動(dòng)影響區(qū)域內(nèi)，利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行建模分析，模型如圖4所示。建筑物高3.6 m，中跨2.1 m，邊跨7.5 m，柱截面尺寸550 mm×550 mm，承重結(jié)構(gòu)采用C30混凝土，初始彈性模量為3.14×104N/mm2，初始泊松比為0.2。

圖4 建筑物模型

ANSYS建模分析中，關(guān)鍵參數(shù)和設(shè)置如下：1)結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元solid186；2)材料為均質(zhì)線彈性，彈性模量隨振動(dòng)次數(shù)增加而逐步衰減；3)鋼筋和混凝土為bond接觸，結(jié)構(gòu)之間為綁定接觸；4)樓體底部固定，約束所有方向的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)；5)振動(dòng)載荷根據(jù)圖2中時(shí)間-加速度曲線施加于樓體。

考慮到在頻繁的爆破振動(dòng)荷載作用下，建筑物結(jié)構(gòu)彈性模量、泊松比會(huì)發(fā)生變化，因此在每次輸入爆破振動(dòng)波前，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(6)～(9)計(jì)算N次爆破振動(dòng)波作用后[14-17]的彈性模量E、泊松比ν。分別取N=5 000，10 000，15 000，20 000次時(shí)，對(duì)應(yīng)的彈性模量E、泊松比ν與礦震次數(shù)的關(guān)系如圖5所示。

圖5 礦震次數(shù)與彈性模量、泊松比的關(guān)系

(6)

(7)

lgNf=-0.853 1E02+4.461 7E0-1.266 2

(8)

lgSmax=-0.002 3-0.027 5lgNf

(9)

式中：Smax為應(yīng)力系數(shù)；Nf為疲勞極限次數(shù)；E0為初始彈性模量，GPa；ν0為初始泊松比。

經(jīng)數(shù)值計(jì)算分析，爆破振動(dòng)次數(shù)N分別為5 000，10 000，15 000，20 000時(shí)，建筑物各部位結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力結(jié)果如圖6～9所示。礦震次數(shù)與結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的關(guān)系如圖10所示。

圖6 礦震5 000次時(shí)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)云圖

圖7 礦震10 000次時(shí)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)云圖

圖8 礦震15 000次時(shí)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)云圖

圖9 礦震20 000次時(shí)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)云圖

圖10 礦震次數(shù)與結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的關(guān)系

結(jié)合圖5～10可知，結(jié)構(gòu)的彈性模量隨著礦震次數(shù)的增加而減小，泊松比隨著振動(dòng)次數(shù)的增加呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，說(shuō)明爆破振動(dòng)會(huì)使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“軟化”趨勢(shì)，應(yīng)力與位移先增大、后緩慢減小，后迅速增大。發(fā)生此種現(xiàn)象的原因可能是過(guò)程中多次振動(dòng)導(dǎo)致鋼筋混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變，從而釋放一部分應(yīng)力，當(dāng)振動(dòng)次數(shù)繼續(xù)增加時(shí)樓體會(huì)發(fā)生二次破壞，使得彈性模量又迅速減小，應(yīng)力也會(huì)極速增加。當(dāng)振動(dòng)超過(guò)15 000次后鋼筋混凝土內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)更加緊密，位移變小，但壓應(yīng)力迅速增加，當(dāng)振動(dòng)次數(shù)超過(guò)20 000次時(shí)(每天振動(dòng)2次，約27 a)，建筑物壓應(yīng)力已超過(guò)破壞極限應(yīng)力。

5 結(jié)論

1)建筑物抵抗振動(dòng)能力越強(qiáng)，允許振動(dòng)速度越大，相應(yīng)爆破振動(dòng)安全允許距離越小。建議擬規(guī)劃建設(shè)的項(xiàng)目選址需距離爆破振動(dòng)源位置200 m以上(一般居住或辦公用途)或1 km以上(精密儀器設(shè)備等用途)。

2)爆破微振動(dòng)會(huì)使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“軟化”趨勢(shì)，當(dāng)振動(dòng)次數(shù)超過(guò)20 000次時(shí)(每天振動(dòng)2次，約27 a)，結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力已超過(guò)破壞極限應(yīng)力。

3)設(shè)定礦山開(kāi)采界限，根據(jù)建筑物實(shí)施階段的敏感性調(diào)整爆破參數(shù)，并采用改良型炸藥或改進(jìn)開(kāi)發(fā)方法。建設(shè)項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)階段采用先進(jìn)抗震隔震技術(shù)，做好結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)選型，保證施工質(zhì)量。

4)做好巖土勘察工作，重點(diǎn)排查建設(shè)用地范圍內(nèi)有無(wú)地質(zhì)斷層或地下空洞存在，防止次生災(zāi)害的發(fā)生。利用信息化及人工智能技術(shù)手段，做好建筑物及周邊地形地貌的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和險(xiǎn)情預(yù)警，并對(duì)建筑物關(guān)鍵部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全評(píng)估。