建筑结构爆破地震波作用下的安全问题分析

摘要:由于爆破地震波的特点 ,其所引起的结构底层层间位移通常较大 ,特别是对于上刚下柔的底部框架砌体结构 ,这种特性尤为明显 ,因此,在安全评估中必须引起重视。

关键词:爆破；地震波;安全评估;弹塑性；时程分析；计算

Abstract: due to the characteristics of the blasting seismic wave, the structure of the cause of displacement between layers usually bigger, especially for just under the bottom of the soft frame masonry structure, this characteristic is particularly obvious, therefore, in the security evaluation must be taken seriously.

Keywords: blasting; Seismic waves; Safety assessment; Elastic-plastic; Time history analysis; calculation

中图分类号：TU3文献标识码： A 文章编号：

虽然G B6722 - 2003《爆破安全规程 》对不同类型的结构规定了考虑爆破地震波主振频率的质点峰值安全地面振动速度标准 ,但由于结构个体的差异 ,如结构设计中的抗震等级、 安全储备、 结构的损伤等因素的影响 ,当振动速度接近或达到地面安全振动速度标准时 ,结构的动力反应有较大差异 ,有的结构可能已发生破坏。因此 ,爆破作用致使周边结构发生破坏 (损伤)的情况时有发生。

1钢筋混凝土底层框架结构的非线性模型

底部框架砌体结构在地震波作用下产生破坏的主要原因是:上部各层纵横墙较密 ,它不仅重量大,而且侧向刚度也大。底部承重结构为框架,其侧向刚度比上层小得多 ,这样,就形成了“底部柔 ,上层刚 ” 的结构体系。这种刚度急剧变化,使结构侧向变形集中发生于相对薄弱的底部 ,形成薄弱层。当地震发生时 ,薄弱层底部框架将会发生严重破坏。在对底部框架砌体结构进行地震波作用下动力分析时 ,下部的钢筋混凝土底部框架本构关系应按弹塑性进行分析 ,而上部的砌体结构可按线弹性分析。

由于底层框架砌体结构在水平地震作用下表现为以整体剪切变形为主的形态 ,因此 ,可以用层间剪切模型来作为结构的计算模型。对剪力与层间位移关系选用三线型刚度退化恢复力模型，这种模型采用三折线骨架曲线 ,能够反映钢筋混凝土材料在加载过程中由混凝土开裂 裂缝增多展开 钢筋屈服 (塑性铰产生 ) 混凝土压坏的过程。其次它考虑了刚度退化的效应 ,因此能反映在卸载时裂缝不闭合引起的截面削弱和钢筋的 Bauschinger效应、 裂缝展开与闭合引起的混凝土的破坏和钢筋与混凝土在反复荷载下的滑动等现象。

此恢复力模型由骨架曲线、 滞回曲线两部分组成。骨架曲线包括开裂点、 屈服点、 极限点等界点。滞回曲线由最大变形点指向和刚度退化规律加以规定 ,设 [ k0 ]为钢筋混凝土框架处于弹性阶段的层刚度矩阵 ,则退化刚度矩阵为α[ k0 ]。

α= 2Δy / (Δm -Δn)(1)

式中 Δy为框架层屈服位移;Δm为曾到达过正方向最大位移 ,未屈服前取Δy ;Δn为曾到达过负方向最小位移 ,未屈服前取 -Δy。

采用这种模型 ,在动力计算开始计算之前 ,要存贮骨架界点值 ,在计算过程中 ,要存贮正反向曾经经历过的变形最大值和损伤值 ,并且在计算过程中还要设定一个状态变量 ,以反映层间的反应值在恢复力模型中的位置。

2 砌体结构层模型的侧移刚度

本文主要考虑水平爆破地震波作用下 ,地震波方向与砌体房屋横向平行时结构的动力反应 ,此时为砌体结构的最不利受力情况。

对于砌体结构的动力时程分析 ,考虑到实际结构的复杂性 ,本文采用层模型进行分析计算。砌体墙体的层间侧移刚度计算分为无洞墙体和有洞墙体两种情况 ,计算如下。

(1)无洞墙体侧移刚度计算当 h / b < 1时 ,侧移刚度为:

（2）

当 1≤h / b≤4时 ,需同时考虑剪切变形和弯曲变形的影响 ,侧移刚度为:

（3）

式中 E分别为墙宽、 墙厚和砌体弹性模量。

(2)有洞墙体侧移刚度计算当一片墙上开有规则洞口时,其侧移刚度为:

（4）

由于窗洞上、 下的水平墙带因其高宽比 h / b

对水平实心墙带

(5)

对窗间墙

(6)

对于具有多道水平实心墙带的墙 ,由于其高宽比ρ< 1,不考虑弯曲变形的影响 ,故可将各水平心墙带的高度加在一起 ,一次算出它们的侧移刚度及其侧移数值。

3 动力方程数值解法基本原理

本文所采用的逐步积分控制法为 Wils on2 θ法,即一种无条件收敛的线性加速度方法。用这种方法对结构的爆破地震反应进行时程分析时 ,其基本要点是:在线性加速度法的基础上将Δt延伸到 ,求出相应于 的 ，然后 ,除以 得到对应于的Δt的 ,该方法在θ≥1.37时 ,是无条件收敛。砌体结构在爆破地震波作用下的动力方程为:

(7)

式中 分别为底层框架砌体结构的整体层位移向量、 速度向量和加速度向量; [M ]为质量矩阵,在层模型中, [M ]为一 S × S的对角矩阵, S为结构的总层数; [ K ]为底层框架砌体结构的整体抗侧移刚度矩阵,按层模型计算;为地震作用向量; [C ( t) ]S× S为粘滞阻尼系数矩阵 ,本文采用 Rayleign阻尼。

根据 W ils on2 θ法的基本假定 ,可将式 ( 1)变换为拟静力方程:

(8)

其中:

(9)

(10)

解方程 (10)可求得 t +τ时刻位移增量 ,并继而求得 t +τ时刻的加速度增量 ,根据 法的基本假定 ,由加速度插值求得 t +Δt时刻的加速度增量后 ,就可以依次求得 t +Δt时刻的位移、速度、加速度和恢复力、阻尼力向量、粘弹性力向量。

4 结 语

基于地震学相关理论,研究爆破地震波的能量衰减规律,表明峰值能量随距离的衰减系数同振速衰减系数呈2倍关系,对于同一场次的爆破而言,爆破地震的总能量同峰值振速的平方近似成正比例。

因此，针对爆破地震波作用下建筑结构的安全评估问题 ,提出了利用弹塑性时程分析方法全面评估爆破地震波的安全度。通过合理选择框架砌体结构的计算模型和数值计算方法 ,对一在爆破地震波作用下的 5层底层框架砌体结构进行了弹塑性时程算例分析 ,并将其与构造地震波作用下结构的动力反应进行了对比 ,全面评估了其安全性。

参考文献

1 魏海霞，陈士海，王海亮. 爆破地震波作用下建筑结构速度响应的现场测试研究矿业安全与环保，第37卷第二期

2 汪芳. 框架结构在爆破地震波作用下的动力安全性分析 武汉:武汉理工大学,2006.

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