爆破地震荷载作用下建筑结构的动力响应分析.pdf

第 32 卷 第 1 期 2015 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol. 32 No. 1  Mar. 2015 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2015. 01. 002 爆破地震荷载作用下建筑结构的动力响应分析 高富强 1， 张光雄2， 杨 军2 （1. 洛阳理工学院 土木工程系， 洛阳 471023； 2. 北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室， 北京 100081） 摘 要 建筑结构在爆破地震荷载作用下的动力响应， 是爆破安全设计和建筑物防护的重要依据。以某次 爆破工程实测地震波为基准输入参量， 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。结果表明 结构的振动速度和位移均随爆破震动速度的增大而 增大， 结构底部的应力和应变高于上部， 结构各部分振动速度随高度的增加具有不同程度的放大作用； 爆破 震动主频与结构固有频率越接近， 结构物的振幅就越大。 关键词 爆破震动；建筑结构；动力响应；振动速度；振动频率 中图分类号 TU352. 11 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2015） 01 -0005 -06 Dynamic Response Analysis of Building Structure under Blasting Seismic Loads GAO Fu-qiang1， ZHANG Guang-xiong2， YANG Jun2 （1. Department of Civil Engineering， Luoyang Institute of Science and Technology， Luoyang 471023， China； 2. State Key Laboratory of Explosion Science and Technology， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China） Abstract The dynamic response of building structure under blasting seismic loads is an important basis for the blasting safety design and building protection. Taking a monitored blasting seismic wave as parameter， and u- sing ANSYS/ LS-DYNA to build numerical analysis model， the dynamic response characteristics of a four-story build- ing structure at different blasting vibration velocity and the main frequency were analyzed. The results show that the vibration velocity and the displacement of the structure increased with the blasting vibration velocity increasing； the stress and strain at the structure bottom was higher than the uppers； the structure vibration velocity increased with height increasing with different amplification degrees； more close to blasting vibration frequency and the natural fre- quency of structure， the greater amplitude of structure would be obtained. Key words blasting vibration；building structure；dynamic response；vibration velocity；vibration frequency 收稿日期 2014 -12 -07 作者简介 高富强 （1980 - ） ，男，河北省元氏县人， 副教授、 博士， 主 要研究方向为岩石动力学与隧道工程，（E-mail） lygaofq 126. com。 基金项目 国家自然科学基金项目 （51204096） ； 河南省高校科技创 新团队支持计划 （14IRTSTHN029） ； 河南省高等学校青年 骨干教师资助计划 （2013GGJS-188） ； 河南省科技攻关课 题 （142102210569） ； 河南省教育厅科学技术研究重点项 目 （12B130002） 爆破地震荷载作用下， 建筑物基础的运动能够 引发结构的振动。大量结构爆破震动研究表明 ［1-3］， 结构的振动破坏不但取决于爆破地震波的幅值， 而 且与爆破地震波的频率、 振动持续时间以及受震次 数等有关； 另外， 建筑物的动力特性、 受力状态及场 地条件等也起着重要作用。对于因爆破地震诱发的 结构振动行为， 应从爆破地震波参数与建筑结构振 动的内在关系、 建筑物在地震波作用下的动力响应 规律等方面进行研究。永峰等通过爆破试验模拟 天然地震， 对七层框架结构的动力响应进行现场试 验， 并分析了框架振动加速度与基础加速度的关 系 ［4］； 曹孝君等分析了爆破地震频率对结构振动的 影响， 并指出这种影响可通过 “频比系数” 改变引起 的振幅放大系数变化来实现 ［5］； 姚强等采用数值模 拟的方法对地下厂房爆破开挖诱发的结构安全性进 行研究， 提出在不同的爆破震动频率、 厂房大小和围 岩性质等条件下， 应采用不同的爆破震动安全控制 标准 ［6］。 针对建筑结构而言， 爆破震动效应的实质是结 构的动力响应及破坏问题。估算建筑结构在爆破震 动作用下的反应， 较为理想的方法是将实际的地面 运动输入建筑结构体并作动力分析 ［7］。这里基于 结构动力学理论， 利用 ANSYS/ LS-DYNA 构建数值 模型， 分析结构在爆破震动作用下的响应， 综合讨论 地震波的振幅、 频率及结构特征等对结构振动特性 的影响。 1 爆破地震波与建筑结构模型 1. 1 实测爆破地震波 以某次爆破地震实测数据作为输入参数， 利用 ANSYS/ LS-DYNA 构建数值模型， 分析结构在爆破 地震荷载作用下的动力响应。该爆破震动信号为一 次爆破震动测试中结构基础的三向振动速度， 振动 速度-时间历程见图 1。 图 1 实测三向质点振动速度-时间信号 Fig. 1 The measured particle vibration velocity-time in three directions 1. 2 模型构建及材料参数 本次数值计算的对象为有填充墙的钢筋混凝土 框架结构， 结构尺寸和计算模型如图 2 所示。为便 于分析， 以 W、 C、 B 和 S 分别表示结构在墙、 柱、 梁和 楼板上的节点或单元， 字母的下标表示层数。混凝 土采用各向同性弹性失效材料模型， 也即混凝土达 到屈服后， 结构立即破坏。混凝土模型材料参数如 表 1 所示。钢筋在结构计算中， 可能进入塑性状态， 这里采用弹塑性材料进行模拟。钢筋模型材料参数 见表 2。结构的墙体采用正交各向异性材料。爆破 地震波传入结构后， 墙体将吸收部分地震波能量。 如忽略墙体的作用， 将对结构的振动效应产生较大 的影响。根据文献 ［7］ ， 其材料参数可选为如表 3 所示。 图 2 模拟结构的几何尺寸及计算模型 （单位 m） Fig. 2 Geometric dimensions and calculation model of simulation structure （unit m） 6爆 破 2015 年 3 月 表 1 混凝土材料参数 Table 1 Material parameters of concrete 弹性模量 E/ GPa 剪切模量 G/ GPa 密度 ρ/ （kgm -3） 屈服强度 σ/ MPa 失效应变泊松比 μ 31. 0007. 8992. 500 X10330. 0000. 0050. 200 表 2 钢筋材料参数 Table 2 Material parameters of reinforced 弹性模量 E/ GPa 剪切模量 G/ GPa 密度 ρ/ （kgm -3） 泊松比 μ 200. 00080. 0007. 800 X1030. 250 表 3 填充墙材料参数 Table 3 Material parameters of filler wall 弹性模量 E/ GPa 剪切模量 G/ GPa 密度 ρ/ （kgm -3） 屈服强度 σ/ MPa 泊松比 μ 7. 9002. 9001. 800 X1037. 5000. 300 2 建筑结构的动力响应分析 国内外大量研究表明， 爆破震动速度和主频是 表征爆破地震效应的主要参量。为了研究爆破地震 波与结构振动之间关系的方便， 以某次实测爆破地 震波为基准输入参量， 在不改变频谱和持续时间的 条件下， 将不同放大倍数的爆破地震波施加到结构 基础上， 分析爆破震动速度与结构动力响应之间的 关系。输入爆破震动速度峰值如表 4 所示， Vi表示 震动速度幅值较基准输入地震波放大 i 倍。同理， 在不改变爆破震动速度和持续时间的条件下， 将不 同主频的地震波施加在结构基础上， 分析地震波主 频与结构动力响应之间的关系， 输入地震波的主频 如表 5 所示， f x （y， z） ， i表示 x 方向震动主频较基准输 入地震波放大 i 倍。 表 4 输入爆破地震波的震动速度峰值 Table 4 The peak vibration velocity of blasting seismic wave 震速峰值/ （cms -1） V1/2V1V2V3V4V5 x0. 651. 302. 603. 905. 206. 50 y0. 901. 803. 605. 407. 209. 00 z1. 202. 404. 807. 209. 6012. 00 表 5 输入爆破地震波的主频 Table 5 The main frequency of blasting seismic wave x 方向 主振频率/ Hz fx， 1/4 4. 6 fx， 1/2 6. 9 fx， 1 13. 7 fx， 2 27. 5 fx， 4 55 y 方向 主振频率/ Hz fy， 1/4 5. 2 fy， 1/2 7. 8 fy， 1 15. 6 fy， 2 31. 3 fy， 4 62. 5 z 方向 主振频率/ Hz fz， 1/4 7. 5 fz， 1/2 11. 2 fz， 1 22. 4 fz， 2 44. 8 fz， 4 89. 6 2. 1 爆破震动速度对结构动力响应的影响 在岩土中传播的爆破地震波与结构基础发生作 用， 由基础传入结构内部， 并在结构的表面、 拐角及 连接处产生应力波的反射、 折射和绕射， 继而出现拉 伸波及应力集中现象， 当应力达到一定强度时， 就会 造成结构的破坏。图 3 和图 4 为爆破地震波传入结 构基础后， 不同时刻应力在结构中的分布状态， 可以 发现应力的不均匀分布和应力集中现象。对比分析 发现， 地震荷载 V5施加在结构上后， 结构中局部的 应力已经超过了材料的强度， 主要出现在墙体和立 柱及横梁的连接处。 图 3 地震波 V1/2输入后结构在不同时刻的应力云图 Fig. 3 The structure stress nephogram after the ting of seismic wave V1/2 7第 32 卷 第 1 期 高富强， 张光雄， 杨 军 爆破地震荷载作用下建筑结构的动力响应分析 图 4 地震波 V5输入后结构在不同时刻的应力云图 Fig. 4 The structure stress nephogram after the ting of seismic wave V5 如图 2 所示， 提取结构中立柱、 横梁、 楼板及填 充墙的代表单元， 分析其在爆破地震荷载作用下的 力学响应。图5 给出了节点 C3、 B3、 W3及 S3在 x、 y、 z 三个方向的振动速度随爆破震动速度的变化关系。 图 5 结构振幅随加载速度峰值的变化关系 Fig. 5 The relationship between structure amplitude and peak velocity 质点振动位移可以反映结构的变形和破坏情 况。对图 6 （a） （d） 的分析可以发现 尽管初始加 载较大， 但地震波引起结构在 z 方向的位移却最小， 而在 x 和 y 方向墙体、 立柱、 横梁和楼板的位移出现 不同的分布和变化趋势； 横梁 B2在 x 方向的位移明 显高于其他两个方向， 如果振动继续加强， 横梁在 x 方向应力作用下将首先破坏； 墙体 W2在 x 和 y 方向 位移增加均较快， 特别是 y 方向的位移更为突出； 立 柱 C2和楼板 S2在三个方向的位移则比较均衡。由 此可见， 结构的受力与变形不但受震波的特性的影 响， 也与结构特征密切相关。 2. 2 爆破地震波主频对结构动力响应的影响 结构动力学研究表明 ［8］， 爆破地震波的主频与 结构自振频率的接近程度， 对结构的破坏效应在某 种程度上要比震动强度的增加更显著， 对结构所造 成的威胁更大。对于钢筋混凝土结构， 一般采用经 验公式计算其基本周期。我国对钢筋混凝土多层建 筑经常采用的经验公式为 T 0. 065 N， 式中 N 为 地面以上房屋总层数。根据上述经验公式， 本次模 拟的 4 层结构自振频率在 4 6 Hz 之间。在保持爆 破震动速度不变的条件下， 改变基准输入地震波的 主频 （如表 5 所示） ， 分析不同主频地震波对结构动 8爆 破 2015 年 3 月 力响应的影响。发现在 3 个方向上， 地震波主频较 低时容易引起结构较大的动力响应， 主频为 4 6 Hz 时结构的振速增加最快， 见图 7 图 9。 图 6 结构位移随加载速度峰值的变化关系 Fig. 6 The relationship between structure displacement and peak velocity 图 7 结构在 z 方向振速随主频的变化关系 Fig. 7 The relationship between vibration velocity in z direction and main frequency 图 8 结构在 y 方向振速随主频的变化关系 Fig. 8 The relationship between vibration velocity in y direction and main frequency 9第 32 卷 第 1 期 高富强， 张光雄， 杨 军 爆破地震荷载作用下建筑结构的动力响应分析 图 9 结构在 z 方向振速随主频的变化关系 Fig. 9 The relationship between vibration velocity in z direction and main frequency 对比图 7 和图 9， x 方向上主频 fx14. 6 Hz、 峰 值震速为1.27 cm/ s 的地震波， 与 z 方向上主频 fz1 7.5 Hz、 峰值震速为 2. 4 cm/ s 的地震波， 在立柱及横 梁中所引起的结构振速相差不大。因此， 两种震速和 主频差别较大的地震波， 对结构变形和破坏具有相同 的作用效果。所以在爆破工程中， 对频率的控制有时 比质点振动速度控制显得更为重要。 由图 7 图 9 可以看出， 地震波主频由低频向 高频的变化时， 结构的振速开始衰减很快， 达到一定 频率段时便趋于平缓， 此时频率对结构振动的影响 就很小。因此， 根据自振频率来控制结构质点振动 幅值， 限制爆破震动对某类结构的破坏， 也不失为一 种可靠的安全判据。 3 结论 利用 ANSYS/ LS-DYNA 建立数值模型， 对爆破 地震荷载作用下建筑结构的动力响应进行研究。以 实测爆破地震波为基准输入信号， 分析了不同震动 速度和主频条件下结构振动速度与位移的分布和变 化。主要结论如下 （1） 立柱与横梁的振速在三个方向上有相似的 变化规律， 它均随输入震动速度的增大而增大； 墙体 的振速总体较其他部位要小， 但其底部的应力和应 变均高于上部， 这也是多层结构的下部墙体比上部 更易受震破坏的原因； 而楼板的振速随结构高度有 高程放大的趋势。 （2） 地震波引起结构在垂直 （z） 方向的位移最 小， 横梁受震后在 x 方向的位移较为显著， 而墙体则 在 y 方向较为突出， 是震动破坏的高危区域； 对于立 柱和楼板而言， 三个方向上的位移均输入震速的增 大线性增大。 （3） 地震波主频较低时容易诱发较强的结构振 动， 随着地震波主频的升高， 结构振速快速衰减， 达 到一定频率时其对结构振动的影响基本消失。 参考文献 （References） ［1］ 李德林， 方 向， 齐世福， 等. 爆破震动效应对建筑物 的影响 ［J］ . 工程爆破， 2004， 10 （2） 66-69. ［1］ LI De-lin， FANG Xiang， QI Shi-fu， et al. 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