框架结构楼房爆破震动响应的数值模拟(1).pdf

第 35 卷 第 1 期 2018 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 1 ▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂ Mar. 2018 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2018. 01. 025 框架结构楼房爆破震动响应的数值模拟* 陈永麟 1. 2， 马建军1， 3， 李玉能1， 王立锋1， 田水龙1 （1. 武汉科技大学， 武汉 430081; 2. 甘肃久联爆破工程有限公司， 兰州 730030; 3. 中铁港航-武科大爆破技术研究中心， 武汉 430081 摘 要 为研究框架结构在爆破震动下的震动响应特性， 利用 ANSYS/ LS-DYNA 显示动力分析软件， 对某 框架结构进行了模态分析与动力响应分析。得到了该建筑结构的自振频率小于 10 Hz， 低频爆破地震波是 引起结构振动、 变形的主因； 对结构受距离 20 m 基坑爆破的振动影响进行了模拟， 计算所得的距爆源最近点 震速和实测震速基本吻合； 分析了建筑结构不同楼层的爆破振动规律， 表明建筑结构的垂直向速度响应大于 水平向速度， 20 层的高层建筑结构随着楼层高度增加， 在 1 6 楼出现了振动速度局部放大现象。裙楼楼顶 距爆源最远处 出现整个结构最大速度峰值。在城市复杂环境进行爆破施工时， 对周围建筑结构的安全监 测， 不能只对距爆源最近地表进行振动监测， 须注意高层建筑结构内部的局部放大效应。 关键词 框架结构；城市爆破；爆破振动；ANSYS/ LS-DYNA；安全监测 中图分类号 TD235. 12 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X 2018 01 -0154 -07 Numerical Simulation of Blasting Vibration Response of Structure Building Framework CHEN Yong-lin1， 2， MA Jian-jun1， 3， LI Yu-neng1， WANG Li-feng1， TIAN Shui-long1 （1. College of Science， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China; 2. Gansu Jiulian Blasting Engineering Limited Corp， Lanzhou 730030， China; 3. CRPCE-WUST Blasting Technology Research Center， Wuhan 430081， China Abstract In order to study the vibration response characteristics of the frame structure under blasting vibration， the modal analysis and dynamic response analysis of a frame structure were carried out by using ANSYS/ LS-DYNA display dynamic analysis software. The natural frequency of the building structure is less than 10 Hz， low frequency blasting seismic wave is the main cause of structural vibration and deation; the vibration influence of structure under 20 m excavation blasting was simulated， and the calculated results are in agreement with the measured veloci- ty. The blasting vibration law of different floors of the building structure is analyzed and it is indicated that the verti- cal velocity response of the building structure is greater than the horizontal velocity. The 20-storey high-rise building structure increases with the height of the floor， in the 1 6 floor there has been a local vibration amplification phe- nomenon. The peak speed of the whole building appeared at the roof of skirt building which was farthest from the blasting source. When blasting construction under the complex city environment is in progress， not only the surface vibration near the blasting source needs to be monitored， but also the local amplification effect of the high-rise build- ing structure needs attention. Key words frame structure;urban blasting;blasting vibration;ANSYS/ LS-DYNA;safety monitoring 万方数据 收稿日期 2018 -01 -11 作者简介 陈永麟 （1989 - ， 男， 硕士研究生， 控制爆破，（E-mail 837605967 qq. com。 通讯作者 马建军 （1957 - ， 男， 武汉科技大学教授、 博士生导师， 控 制爆破，（E-mail wkdmjj163. com。 基金项目 国家自然科学基金项目 （51174147 对周边临近建构筑进行爆破振动安全监测， 已 成为城市爆破施工的标配; 而测点能否真实反映爆 破振动效应的最大值， 是监测成败的关键， 因此正确 选择监测点至关重要。 目前， 对楼房的爆破震动监测， 仍多采用迎爆破 方向楼脚地面最近点做监测点， 认为此点为整幢楼 距爆破的最近点， 爆破震动效应最大。其实不然， 祝 文化利用现场实测的爆破振动信号， 对邻近爆区的 厂房结构进行分析， 指出建筑物的高度对结构质点 振动速度和位移具有明显的放大作用， 而且速度放 大效应大于位移放大效应 [1]。高富强以爆破工程 实测震动数据为基准输入参量， 采用 ANSYS/ LS- DYNA 构建数值分析模型， 分析了 4 层建筑结构在 不同爆破震动速度和主频下的动力响应特性， 指出 各楼层的振动速度随高度的增加具有不同程度的放 大作用 [2]。曹孝君等的研究表明[3] 结构位移响应 函数包含结构自振频率和爆破地震谐波频率因子; 与结构自振频率相近的爆破地震波主频会引起结构 自振， 而引起结构振动响应最大的是结构振动敏感 谐波; 爆破地震波波系频率复杂， 因此结构在爆破地 震作用下的振动、 变形问题也更加复杂。笔者在一 次爆破施工的爆破震速系列监测中， 所得数据也确 实表明 距爆破点近的楼脚地面测值低于楼内相对 距离远、 楼层高处的测值; 且楼层高测值大， 框架结 构楼房由于其刚性与板块结构， 虽然距爆源远了， 但 震速却变大了， 即存在放大效应; 原以楼前地面测值 为安全判据的， 却在楼内造成极大的干扰和影响。 因此， 对于框架结构楼房进行爆破震动监测， 传统的 将测点放置在楼前地面最近处是不合适的， 而应移 入楼内一定楼层高度处。具体何处最合适， 应分析 爆破荷载作用下建筑结构的震动响应特性， 找出结 构最大震动速度可能出现的位置， 这才是爆破监测 的最佳布点位置。 为了得到具体建筑结构在爆破作用下的振动响 应特性， 以高层框架结构为背景， 借助 ANSYS/ LS- DYNA 有限元显示动力分析软件， 计算分析了该框 架结构在爆破荷载作用下的振动特性， 其结论可以 为类似的爆破安全监测提供参考。 1 工程概况 在武汉某基坑开挖过程中， 邻近爆破施工场地北 侧20 m 有一框架结构高层建筑。该大楼主体和裙楼 均为框架结构， 首层为大空间， 主体为 21 层， 楼体总 高为71 m， 裙楼1 5 层为商务办公用房， 6 楼为设备 层及业主会所， 7 层以上为高品质生态观景住宅。该 大厦与一般高层建筑结构不同 1 下部 （1 5 层 结 构尺寸较大， 上部结构尺寸小， 且整个建筑结构重心 偏向一侧; 2 建筑结构地面尺寸非规则矩形。 2 主-裙楼结构模态分析 模态分析是近代研究结构动力特性的方法， 是 系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是结 构的固有振动特性， 每一个模态具有特定的固有频 率、 阻尼比和模态振型。进行模态分析旨在得到特 定结构对应的固有频率及其对应的振型， 为研究高 层框架结构在爆破荷载作用下的动力响应做铺垫。 2. 1 建立有限元模型 采用 BEAM188 来模拟框架梁、 框架柱; 采用壳 单元 SHELL63 单元来模拟楼板。结构阻尼系数为 0. 03。模型材料统一采用 C30 混凝土， 密度 ρ 2500 kg/ m3， 弹性模量 E 3. 2510 EPa。模型如 图 1 （a 所示。 图 1 ANSYS 有限元模型 Fig. 1 ANSYS finite element model 2. 2 边界条件 由于结构基础埋置较深， 周围回填土对结构平 动约束强， 结构处于较好的持力层， 竖向荷载下结构 551第 35 卷 第 1 期 陈永麟， 马建军， 李玉能， 等 框架结构楼房爆破震动响应的数值模拟 万方数据 的沉降很小， 因此建模时对与地面接触的框架柱施 加 x、 y、 z 方向的零位移约束， 如图 1 （b 所示。本例 采用 Block Ianzoos 模态法提取前 15 阶模态， 模态分 析采用扩展模态法。 2. 3 结构模态分析 运用有限元软件对该建筑结构进行模态分析运 算， 得到结构的前 15 阶模态分析的自振频率见 表 1。各阶振型见图 2。 表 1 有限元计算结果 Table 1 Finite element calculation results 阶数频率周期阶数频率周期阶数频率周期 10. 343982. 90761. 07540. 929112. 61080. 383 20. 359152. 78471. 76920. 565122. 74430. 364 30. 409352. 44281. 80090. 555133. 30590. 302 40. 998901. 00191. 88860. 529143. 35450. 298 51. 062000. 941102. 58980. 386153. 48770. 286 图 2 结构前十五阶主要模态振型 Fig. 2 Structure 15 order modal vibration mode 目前我国建筑设计规范指出 [4] “大量工程实测 周期表明 实际建筑物自振周期短于计算的周期。 尤其是有实心砖填充墙的框架结构， 由于实心砖填 充墙的刚度大于框架柱的刚度， 其影响更为显著， 实 测周期约为计算周期的 50 60” 。按照上述规 范， 对有限元计算所得周期按50进行折减， 得表2。 表 2 结构前 15 阶自振频率 Table 2 Structure 15-order natural frequency 阶数频率周期阶数频率周期阶数频率周期 10. 6881. 45362. 1520. 464115. 2210. 191 20. 7181. 39273. 5390. 282125. 4940. 182 30. 8191. 22183. 6030. 277136. 6220. 151 41. 9980. 50193. 7800. 264146. 7110. 149 52. 1250. 470105. 1810. 193156. 9930. 143 根据 GB500092012 建筑结构荷载规范 中 规定， 钢筋混凝土框架结构基本自振周期的经验公 式 T1 0. 33 0. 0069H2/ 3 √B ， 在本例中建筑宽度 B 59. 4 m， 建筑高度 H 71 m， 计算得 T11. 22 s， 651爆 破 2018 年 3 月 万方数据 和折减后一阶周期 1. 453 s 基本一致。 分析模拟结果可见 （1 该大楼的前十五阶振型的主振频率较低， 在 0.5 7 Hz 之间。说明该大楼对外界的低频激励更加 敏感， 低于10 Hz 频率谐波更容易使该大楼共振。 （2 观察该大楼的前十五阶振型可以看出， 在 第二阶振型、 第四阶振型、 第十阶振型和第十四阶振 型中， 该大楼发生了较大的相对位移。受相应频率 的外界爆破振动时， 该大楼将发生较大的变形。 （3 该大楼的前三阶振型主要是水平方向的振 动， 大楼顶层具有较大的相对位移。第四到第六阶 振型主要是建筑结构的扭转。第六阶振型以后出现 更为复杂的组合振型。 总的来说该大楼结构复杂， 其模态振型也较为 多样化， 前十五阶振型没有对某个特定的振动频率 表现的尤为敏感。 3 爆破荷载作用下建筑动力响应数值 模拟 3. 1 裙楼结构三维计算模型 采用 ANSYS/ LS-DYNA 有限元显示动力分析软 件， 建立高层框架楼结构及地基的三维模型。施加 爆破荷载， 计算出高层裙楼结构在爆破荷载作用下 的动力响应。分析高层裙楼结构在爆破荷载作用下 的振动特性。 在进行高层裙楼结构动力响应分析过程中， 作 如下假设 （1 假设地基基础模型为同一种岩石材料且均 质水平分布。 （2 假设大楼建筑结构与地基固结较好， 不产 生相对滑动位移， 结构主体与地基之间采用共节点 耦合约束。 （3 三维模型地基基础侧面采用非反射边界， 用于模拟无限边界， 底面固定约束。依据勘察和设 计资料， 建立有限元模型如图 3。 图 3 三维有限元计算模型 Fig. 3 Three-dimensional finite element model 3. 2 爆破荷载 岩体爆破是一个瞬时的复杂过程。炸药在炮孔 中瞬间爆炸， 所产生爆炸冲击波作用于周围岩体， 爆 炸冲击波很快衰减为应力波， 整个过程持续数毫 秒 [5-10]。在数值分析中假定爆破输入荷载为三角形 脉冲波， 荷载峰值由式 （1 、 式 （2 确定 σm Pw 1 r α （1 Pw ρwD2 2 （1 γ （2 式中Pw为药包中心处爆轰波产生的平均初始 压力， N/ m2; r 为比例半径， r R/ Rw（R 为离药包轴线 的距离、Rw为药包横切面半径， Rw0. 035 m ， 数值 模拟的目的是研究距爆源中远距离处岩体质点的振 动情况， 所以破碎圈的边界应作为 R 的取值点， 根 据文献 [11] ， 取 r 值为 120; α 为与岩石及炸药种类 有关的常数， 对于大多数岩石 α 1. 5; D 为炸药爆轰 速度， D 3200 m/ s; γ 为等熵指数， 与装药密度有关， ρw＜1.2 g/ cm3时， γ 2.1， ρw＞1.2 g/ cm3时， γ 3。 根据文献 [11] 及 [12] ， 将爆炸荷载作用时间假 设为 7 ms， 其中上升时间 2 ms， 下降时间 5 ms， 如图 4 所示。 图 4 爆炸荷载 Fig. 4 The curve of blasting load 3. 3 材料模型 （1 楼房材料模型 采用 BEAM161 来模拟框架梁、 框架柱; 采用壳 单元 SHELL163 单元来模拟楼板。结构阻尼系数 0. 03。模型材料统一采用 C30 混凝土， 密度 ρ 2500 kg/ m3， 弹性模量 E 3. 25E10 Pa。 （2 地基基础材料模型 采用 solid164 单元来模拟地基基础， 岩石材料 参数见表 3。 751第 35 卷 第 1 期 陈永麟， 马建军， 李玉能， 等 框架结构楼房爆破震动响应的数值模拟 万方数据 表 3 岩石材料参数 Table 3 Rock material parameters 密度 ρ/ （kgm -3 弹性模量 E/ GPa 泊松比 υ 屈服强度/ MPa 切线模量/ MPa βC/ s -1 3800250. 25751501. 02. 5 3. 4 计算结果分析 在该爆破工程中， 采用爆破测振仪对距基坑20 m 处的大楼进行振动监测， 测点布置在迎爆破方向楼脚 地面最近点， 测得垂直向振动速度均较大于水平向振 动速度， 最大爆破振动范围在 0. 7 1. 7 cms -1; 模 拟结果显示， 在迎爆破方向楼脚地面最近点处垂直 向最大振动速度峰值 1. 8996 cms -1， 与实测结果 相符。 为研究爆破地震波作用下建筑结构的响应特 性， 先分析爆破地震波作用下建筑结构各楼层垂直 向、 水平纵向及水平横向上的峰值速度相对关系。 在如图 5 所示建筑物主体结构 A 处、 裙楼层 B 处各 楼层分别提取 11 个和 6 个节点速度峰值， 将这 17 个节点的垂直方向、 水平纵向、 水平横向速度峰值进 行整理， 结果见表 4。 图 5 观测点分布图 Fig. 5 Distribution of observation points 表 4 各个节点垂直向速度与水平向速度相对变化规律 Table 4 The vertical velocity and horizontal velocity of each node 楼体楼层 垂直方向 峰值速度/ （cms -1 水平纵向水平横向 垂向与水平向速度比值 垂向/ 水平纵向垂向/ 水平横向 11. 89961. 32700. 529101. 433. 59 32. 21150. 22060. 1737010. 0212. 73 52. 42850. 18600. 1544013. 0515. 72 71. 34320. 06220. 0585021. 5922. 96 90. 87740. 05240. 0764016. 7411. 48 主体111. 64800. 06910. 0708023. 8423. 27 130. 90060. 07040. 0759012. 7911. 86 151. 29120. 05890. 0741021. 9217. 42 171. 13900. 06960. 0685016. 3616. 62 190. 83040. 06040. 0661713. 7412. 54 210. 61990. 08260. 069907. 508. 86 11. 24381. 10200. 783401. 121. 58 21. 83750. 29400. 392906. 254. 67 裙楼 32. 06770. 29510. 297007. 006. 96 41. 66460. 30190. 292805. 515. 68 51. 40480. 30620. 269704. 585. 20 62. 61020. 18490. 2335014. 1111. 17 可见， 爆破地震波作用下， 该建筑结构垂直方向 速度响应峰值高于水平方向 （水平纵向和水平横 向 。垂向速度峰值与水平方向速度峰值比值大于 1， 且比值的平均值高达 11。从爆破地震波与建筑 物的特性来分析 由于此高层钢筋混凝土建筑结构 主体的垂直方向刚度要远远大于水平方向刚度， 建 筑物主体在垂直方向上的自振频率要高于水平方向 上的自振频率， 垂直方向上建筑物的自振频率更接 近爆破地震波的主振频率， 爆破地震波传给建筑物 的能量主要集中在垂直方向， 因此结构垂直方向上 速度响应高于水平方向。随着楼层的升高， 垂直方 向与水平方向的速度响应峰值的比值在主体结构呈 先增大后减小的趋势， 裙楼结构呈增大趋势。 取各楼层 A 观察点位置处垂直向的振动速度 851爆 破 2018 年 3 月 万方数据 峰值， 统计得到各点爆破振动速度与楼层高差的关 系如图 6 所示。发现， 随着楼层的增高， 质点振动的 垂直向速度峰值大体呈衰减趋势。5 楼以上各楼层 垂向振动速度均小于地面垂向振动速度; 相对于 1 楼测点来说， 2、 3 和 4 楼测点的垂直向速度峰值出 现明显的局部放大。 图 6 不同楼层振动速度峰值 Fig. 6 Peak vibration velocity of different floors 为进一步对出现的局部放大效应的分布特征进 行分析， 分别在 1 5 楼 （包括裙楼 5 楼楼顶 ， 如图 5 所示 A、 C、 E 处提取质点垂直向振动速度峰值。 整理得到各点振动速度见表 5。 表 5 测点振动速度 Table 5 Measuring point vibration velocity 楼层 A/ 放大倍数 垂向速度峰值 （cms -1 / 相对 1 楼测点放大倍数 C/ 放大倍数 E/ 放大倍数 11. 89961. 09931. 2438 22. 44361. 281. 58931. 441. 83751. 47 32. 21151. 160. 53450. 482. 06771. 66 41. 50310. 791. 48601. 351. 66461. 33 52. 42851. 272. 98742. 711. 40481. 12 5 楼顶1. 04560. 551. 09440. 992. 61022. 09 分析表 5 数据可知 （1 距爆源较近的 A 点， 垂向速度峰值在 2、 3、 5 楼大于 1 楼， 且放大系数在 1. 16 1. 28 之间。4、 6 楼振动速度峰值小于 1 楼。 （2 距爆源较远的 C 点， 裙楼的 1 5 层， 垂直 向速度随着楼层的增高出现类似于 A 点的变化规 律。垂向峰值速度在 2、 4、 5 楼大于 1 楼， 放大系数 在 1. 35 2. 71 之间，3、 5 楼顶垂向速度峰值小于 1 楼。 （3 距爆源最远的 E 点， 位于裙楼的边缘， 随着 楼层的增高， 各观察点垂向速度均大与 1 楼， 呈现不 同于前两个观察点的变化现象。且在 5 楼楼顶， 达到 最大的2.09 倍， 整体放大倍数在1.12 2.09 之间。 从表 5 中还可看到， 同一楼层不同测点随着爆 源距离的增加， 爆破振动速度出现不同的衰减与增 加， 为了更深入的分析这一特性， 在图5 所示 A、 C、 E 之间增加两个观察点 B、 D， 分别在 1 楼地面， 2、 4、 6 （或 5 楼顶 楼提取各质点垂直向振动速度峰值， 得 到质点振动速度与爆源距离的关系图， 如图 7 所示。 图 7 爆破振动速度随爆源距的关系 Fig. 7 Relationship between Blasting Vibration Velocity and Blasting Distance 可见（1 各楼层测点垂直向速度峰值随着爆 源距的增加， 表现出不同的衰减与放大关 系; （2 1 楼的地面测点振动速度峰值随着爆源距的增 加表现出衰减特性， 这与爆破地震波强度随着爆源 距增加而衰减的关系相符;（3 2 楼测点振动速度峰 值随着爆源增加表现出先衰减后增大的特点， 但在 距爆源较远观察点 （B、 C、 D、 E 的振动速度峰值均 小于距爆源较近观察点 A 点;（4 6 楼出现与其他层 截然不同的变化特点， 除 B 处速度峰值小于 A 点 外， 其他各点均大于 A 处，且观察点 E 处振动速度 峰值为结构整体振动速度最大值;（5 在爆破施工 安全监测过程中， 建议重视这种放大现象， 对于上述 此类建筑， 可分别在结构低层 （2 6 楼 增加测点。 4 结论 （1 爆破地震波作用下高层建筑结构在垂直方 向的速度响应峰值远远高于水平方向 （水平纵向和水 平横向 。爆破地震波传递给建筑物的能量主要集中 在垂直方向。故在进行爆破施工安全监测时， 应重视 对周边高层建筑结构垂直方向上振动进行监测。 （2 爆破地震波作用下 20 层建筑结构在垂直 方向速度响应峰值一般随着楼层的升高呈衰减趋 势， 但在 1 6 层出现局部的放大现象， 1 6 随楼层 增高结构振动大于地面振动， 因此， 不能只将靠近爆 源方向楼脚地面的作为主要的监测点， 应重视结构 低层的局部放大现象， 在 2 6 层增加监测点。 （3 对与较远低矮裙楼振动的监测应不容忽 视。在本实例中裙楼结构振动明显， 裙楼楼顶距爆 951第 35 卷 第 1 期 陈永麟， 马建军， 李玉能， 等 框架结构楼房爆破震动响应的数值模拟 万方数据 源最远处振动明显， 应着重对该点进行监测。 参考文献 References [1] 祝文化， 明 锋， 李新平. 爆破地震波作用下框架结构 的高程响应分析 [J] . 煤炭学报， 2011 （S2 411-415. 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