宗 琦，趙要才

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

爆破技術(shù)廣泛應(yīng)用于城市改建、基坑開挖、礦山開采、隧道施工等眾多領(lǐng)域，在施工快速、便捷、經(jīng)濟(jì)的同時，也帶來了一些負(fù)面效應(yīng)，爆破振動便是其中之一，也是爆破公害之首。在抗震性能較差的建筑(如砌體結(jié)構(gòu))周圍進(jìn)行爆破作業(yè)時，若振動強(qiáng)度較大，爆破地震波會引起結(jié)構(gòu)不同程度的損傷，對建筑物的耐久性和安全性將產(chǎn)生影響。目前較多研究的是通過對爆破時建筑物的振動進(jìn)行監(jiān)測分析，而對爆破振動引起建筑物變形破壞的研究很少見到報道。文獻(xiàn)［1］研究了露天礦山爆破對混凝土工程的振動影響，通過對某圍墾工程擬建混凝土結(jié)構(gòu)水閘附近的采石場爆破振動監(jiān)測分析，根據(jù)各測點峰值振動速度和主振頻率及其變化規(guī)律，評價了爆破振動對水閘工程的影響;文獻(xiàn)［2］對爆破振動荷載作用下3～4 層房屋結(jié)構(gòu)響應(yīng)測試分析，獲得了爆破振動荷載作用下房屋各層結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性規(guī)律;文獻(xiàn)［3］對近建筑物基坑巖石松動爆破振動進(jìn)行了監(jiān)測分析，得到爆破場地松動爆破地震波的傳播規(guī)律，給出了施工最大一次同段起爆藥量;文獻(xiàn)［4］研究了建筑物對爆破振動中不同頻率能量成分的響應(yīng)特征，結(jié)果表明:建(構(gòu))筑物對于爆破振動中的不同頻率能量成分存在明顯的選擇放大效應(yīng)。在爆破地震中，與結(jié)構(gòu)固有頻率相一致的能量成分將被最大程度的放大。文獻(xiàn)［5］以某露天礦境界邊坡近坡肩的1 棟3 層框架結(jié)構(gòu)建筑為研究對象，建立了頻繁爆破震動作用下鋼筋混凝土構(gòu)件和整體結(jié)構(gòu)的疲勞損傷模型，研究了頻繁爆破震動作用下，結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力，剛度變化的規(guī)律。文獻(xiàn)［6］在分析建筑結(jié)構(gòu)的爆破地震安全判據(jù)的不足和爆破地震與天然地震的特點的基礎(chǔ)上，研究了爆破參量對爆破地震波反應(yīng)譜的影響和爆破地震頻率對建筑結(jié)構(gòu)破壞的影響。鑒于此，本文借助有限元ANSYS 軟件，對砌體結(jié)構(gòu)房屋在近距離爆破振動作用下的受力、變形進(jìn)行模擬分析，探討砌體結(jié)構(gòu)在爆破振動作用下易發(fā)生變形破壞的關(guān)鍵部位，為砌體結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計、施工提供有益參考。

1 計算模型與參數(shù)

1.1 單元模型

為了更好地反映爆破動載作用下砌體結(jié)構(gòu)的變形、破壞特征，采用三維有限元模型進(jìn)行計算，并作以下2 個假設(shè):

1)砌體本身是單相均質(zhì)且各向同性材料。因砌體力學(xué)性能有較大的差異，一般認(rèn)為砌體是一種兩相材料，即一種彈塊體(包括磚或混凝土砌塊)嵌入非彈性的灰漿基體的材料。兩相非均質(zhì)有限元模型已被一些學(xué)者所采用［7］。但，此類模型將使問題復(fù)雜化，故一些學(xué)者建議采用均質(zhì)單相材料模型［8］;

2)樓板在其自身平面內(nèi)無限剛度。

根據(jù)假設(shè)，采用有限元軟件ANSYS 建立兩層砌體結(jié)構(gòu)房屋的模型，分析其在爆破地震波作用下的響應(yīng)特征。模型中材料的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 砌體材料力學(xué)參數(shù)

1.2 計算模型建立

用來計算的砌體建筑物尺寸:房間寬3.3 m，共3 間，進(jìn)深6 m，每層高度3.3 m，2 層;窗戶高度為1.2 m，寬為0.9 m，窗臺離地面為1.2 m，門洞寬1.76 m。模型結(jié)構(gòu)平面圖、建立的計算模型和網(wǎng)格劃分如圖1～圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)平面圖(mm)

圖2 模型與網(wǎng)格劃分

2 計算結(jié)果及分析

2.1 自身重力下受力特征

自然情況下，砌體建筑物都受自身重力的作用，故在模態(tài)分析前，先求解其在自身重力作用下的應(yīng)力和變形特征。計算時，先加約束邊界條件，然后施加重力，得到自然狀態(tài)下結(jié)構(gòu)受力和變形特征(見圖3～圖4)?？梢?，在自然重力下，砌體結(jié)構(gòu)X 方向的應(yīng)力與應(yīng)變最大值均在中間橫墻頂部位置，最大應(yīng)力0.645 MPa，最大變形0.179 mm。

圖3 靜力時結(jié)構(gòu)X 方向應(yīng)力圖

圖4 靜力時結(jié)構(gòu)X 方向位移圖

2.2 振動作用下結(jié)構(gòu)的受力特征

建立在靜力分析的基礎(chǔ)上，爆破振動作用下砌體結(jié)構(gòu)的受力特征采用模態(tài)分析;以分析和確定結(jié)構(gòu)的振動特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)(振型)，它們是承受動態(tài)荷載結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要參數(shù)，也是瞬態(tài)動力分析的基礎(chǔ)。ANSYS 的模態(tài)分析是一個線性分析，它提供了7 中模態(tài)分析方法，本文選用子空間法(Subspace)，得到了結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。模擬計算時選用了6 振型，其中第一、二、六階振型的位移和應(yīng)力云圖如圖5～圖8所示。

圖5 第一階振型

圖6 第二階振型

圖7 第三階振型

圖8 第六階振型

為了確定砌體結(jié)構(gòu)對爆破動載的動力響應(yīng)情況，計算采用譜分析代替時間－歷程分析，就是將模態(tài)分析結(jié)果與一個己知的譜聯(lián)系起來計算振型的位移和應(yīng)力。傳統(tǒng)的譜分析方法多將測試得到的振幅－時間曲線進(jìn)行傅里葉變換(FFT 變換)，然后作為荷載輸入計算，這種方法沒有考慮結(jié)構(gòu)本身的特點。故，本文計算時采用現(xiàn)場測試得到的反應(yīng)譜，并結(jié)合第一階振型進(jìn)行分析，得到的位移與應(yīng)力云圖如圖9～圖12所示。

圖9 第一階振型X 方向位移云圖

圖10 第一階振Y 方向位移云圖

圖11 第一階振型Z 方向位移云圖

圖12 第1 階振方向水平應(yīng)力云圖

2.3 結(jié)果分析

由以上計算結(jié)果可得，砌體結(jié)構(gòu)在爆破動載激勵下發(fā)生的動力響應(yīng)較大，最大動力響應(yīng)出現(xiàn)在建筑物二層屋頂部位，且屋頂邊角處位移最大，位移量達(dá)到4.396 mm。結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)隨著高度的降低而減小;對于砌體建筑物，位移響應(yīng)主要以頂部的X 方向運動為主，垂直方向爆破振動對結(jié)構(gòu)的影響較水平方向小的多，說明二層砌體結(jié)構(gòu)主要受爆破地震波水平分量影響。已知建筑物高度為6.6 m，最大位移與層高的比值［9］，故該二層樓房在此次爆破動載作用下僅發(fā)生彈性變化。

同時，還可發(fā)現(xiàn):最大應(yīng)力出現(xiàn)在門與窗戶的四角部位，在墻角等拐角處也出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象(見圖13)。

圖13 第1 階振主應(yīng)力云圖

在窗臺上部X 方向的位移突然加大，導(dǎo)致在突然變位處產(chǎn)生了應(yīng)力集中，使此處的應(yīng)力響應(yīng)達(dá)到最大，最大應(yīng)力為31.8 MPa。同樣，在門的上部以及下部由于邊界效應(yīng)也產(chǎn)生了應(yīng)力集中。由于結(jié)構(gòu)受到爆破水平震動激勵而產(chǎn)生X 方向主體變位，所以結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)表現(xiàn)為Y 方向的主應(yīng)力。結(jié)構(gòu)受到爆破震動激勵而產(chǎn)生的剪應(yīng)力小，主要位于結(jié)構(gòu)的左側(cè)下部和結(jié)構(gòu)中部，最大值約5.5 MPa(見圖14)。

圖14 第1 階振方向剪切力云圖

由上述計算分析，砌體結(jié)構(gòu)在爆破動載作用下動力響應(yīng)較其他結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)大。結(jié)構(gòu)受到的總應(yīng)力與總位移應(yīng)為結(jié)構(gòu)受到的靜力位移、應(yīng)力與動力位移、應(yīng)力之和。相對于動力位移、應(yīng)力，靜力位移與應(yīng)力數(shù)值小，在考慮砌體結(jié)構(gòu)安全時，可以只考慮結(jié)構(gòu)在動力作用下位移變形與應(yīng)力值。從模擬結(jié)果得知，砌體房屋平均應(yīng)力在7.0 MPa，低于砌體的抗壓強(qiáng)度20 MPa，在此爆破振動下結(jié)構(gòu)是安全的。根據(jù)爆破現(xiàn)場調(diào)查，房屋結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)傾斜、開裂等現(xiàn)象，驗證了數(shù)值計算結(jié)果。

3 結(jié)論

1)隨著建筑(結(jié)構(gòu))物高度的增加，其對爆破振動的響應(yīng)程度增大;最大動力位移響應(yīng)位于建筑物屋頂部位，最大位移發(fā)生在屋頂邊角處。

2)最大應(yīng)力發(fā)生在門與窗戶的四角部位，墻角等拐角處也易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，這幾處可視為受爆破影響的關(guān)鍵部位。

因此，在爆區(qū)周圍新建砌體結(jié)構(gòu)建筑物時，根據(jù)規(guī)范要求設(shè)置構(gòu)造柱、圈梁或采用配筋砌體等是必要的;在砌體結(jié)構(gòu)建筑物附近進(jìn)行爆破作業(yè)時，可對門與窗戶的四角部位、墻角等關(guān)鍵部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，以降低爆破振動對建筑物的危害。

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