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框架结构楼房爆破震动响应的数值模拟*

更新时间:2016-07-05

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。

石城地区伟晶岩蚀变有钠长石化、(含电气石)云英岩化、电气石化、硅化、绿泥石化、绢云母化、白云母化、叶蜡石化等,以锂白云母化、小叶钠长石化、高岭石化最为发育,中叶钠长石化次之,锂云母化微弱。上述蚀变种类较多,与矿化关系密切。含电气石云英岩化是锂辉石、微斜长石-钠长石矿床及微斜长石-钠长石矿床所特有的一种蚀变作用。

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,竖向荷载下结构的沉降很小,因此建模时对与地面接触的框架柱施加xyz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。

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。

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。

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10.343982.90761.07540.929112.61080.38320.359152.78471.76920.565122.74430.36430.409352.44281.80090.555133.30590.30240.998901.00191.88860.529143.35450.29851.062000.941102.58980.386153.48770.286

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。

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10.6881.45362.1520.464115.2210.19120.7181.39273.5390.282125.4940.18230.8191.22183.6030.277136.6220.15141.9980.50193.7800.264146.7110.14952.1250.470105.1810.193156.9930.143

根据GB50009—2012《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在本例中建筑宽度B=59.4 m,建筑高度H=71 m,计算得T1=1.22 s,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。

[7] 雷卫东,李宏军,柳 纯.爆破荷载应力波在无限弹性介质中传播的特征线法解[J].岩土力学,2016,37(10):2979-2983.

(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。

(1)假设地基基础模型为同一种岩石材料且均质水平分布。

在进行高层裙楼结构动力响应分析过程中,作如下假设:

(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。

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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

(1)

(2)

式中: Pw为药包中心处爆轰波产生的平均初始压力,N/m2r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,Rw=0.035 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。

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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。

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[3] CAO Xiao-jun,ZHANG Ji-chun,LU He-lin.Effect of frequency on the dynamic response of structure resulting from blasting seism[J].Blasting,2006,23(2):14-19.(in Chinese)

连卓钊的善款不少都流向了广东繁荣粤剧基金会。这家基金会隶属于广东省政协,创办之初陈绍基担任名誉理事长,连卓钊为名誉副理事长。实际上,监管阙如的基金会,俨然陈绍基的私家金库。“到政协工作以后,觉得自己辛苦了几十年,该松一松,享受一下了。”面对专案组,陈绍基曾这样说。

采用solid164单元来模拟地基基础,岩石材料参数见表3。

3 岩石材料参数

Table 3 Rock material parameters

密度ρ/(kg·m-3)弹性模量E/GPa泊松比υ屈服强度/MPa切线模量/MPaβC/s-13800250.25751501.02.5

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 cm·s-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 cm·s-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

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/(cm·s-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11.89961.32700.529101.433.5932.21150.22060.1737010.0212.7352.42850.18600.1544013.0515.7271.34320.06220.0585021.5922.9690.87740.05240.0764016.7411.48主体111.64800.06910.0708023.8423.27130.90060.07040.0759012.7911.86151.29120.05890.0741021.9217.42171.13900.06960.0685016.3616.62190.83040.06040.0661713.7412.54210.61990.08260.069907.508.8611.24381.10200.783401.121.5821.83750.29400.392906.254.67裙楼32.06770.29510.297007.006.9641.66460.30190.292805.515.6851.40480.30620.269704.585.2062.61020.18490.2335014.1111.17

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。

新的《高等学校财务制度》预计在2013年初实施,高校实施新财务制度后会适当增加一部分工作量。实施前应做好以下几个方面的准备工作:

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ACE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。

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(cm·s-1)/相对1楼测点放大倍数   C/放大倍数   E/放大倍数11.8996—1.0993—1.2438—22.44361.281.58931.441.83751.4732.21151.160.53450.482.06771.6641.50310.791.48601.351.66461.3352.42851.272.98742.711.40481.125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。

(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。

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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(BCDE)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。

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ACE之间增加两个观察点BD,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。

(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,裙楼楼顶距爆源最远处振动明显,应着重对该点进行监测。

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深入参与多边国际合作。精心组织参加联合国机构有关会议等重要国际水事活动。积极参加第七届世界水论坛筹备工作,跟踪了解论坛筹备信息。积极支持我国水利专家担任国际组织职位后开展工作。继续充分利用中欧水资源交流平台,结合水利现代化试点建设、水生态文明城市建设,精心策划政策对话、科研交流、商务合作各方面的活动。

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本文利用Taylor-Hopkinson实验方法,结合数字图像相关技术,通过对圆柱形泡沫铝材料的速度时程曲线进行研究,提出了一种速度历史曲线的隐函数拟合方法,进而对D-R-PH冲击波模型中的两个重要参数动态初始压溃应力和应变硬化参数进行了确定。

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(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。

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11月份内主要自然灾害是川藏交界金沙江滑坡堰塞湖灾害。11月3日17时40分左右,西藏自治区昌都市江达县波罗乡白格村“10·11”山体滑坡点再次发生滑坡,造成金沙江阻断,上游水位持续上涨,形成堰塞湖。泄洪后,由于蓄积水量过大出现较大洪峰,四川、云南等下游部分沿江地区受到一定影响。据统计,灾害共造成西藏、四川、云南3省(自治区)10.2万人受灾,8.6万人紧急转移安置;3400余间房屋倒塌,1.8万间不同程度损坏;农作物受灾面积3.5千公顷,其中绝收1.4千公顷;沿江部分地区道路、桥梁、电力等基础设施损失较为严重。

总体看来,专家学者对中小学教师信息技术应用能力发展测评的研究主要聚焦在测评工具和测评指标体系的设计上,尤其是测评工具的设计与开发,然而对于发展测评的机制和方式、测评结果的有效应用等问题的关注较少。

[12] JOSEF Henrych.The dynamics of explosion and its use[M].New York:Elsevier Scientific Publishing Company,1979:218.

近期,全球最具影响力的酒类贸易媒体《饮料商务》(Drinks Business)称,根据IWSR(International Wine & Spirits Research,国际葡萄酒及烈酒研究所)的调查结果,中国已成为全球大型线上酒类市场,年总交易额达61亿美元(约合 423 亿元)。

陈永麟,马建军,李玉能,王立锋,田水龙
《爆破》 2018年第1期
《爆破》2018年第1期文献

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