以建筑物抗震設計為依據的爆破振動安全判別研究

杜耀志，劉 旺

(國防科技大學指揮軍官基礎教育學院， 湖南長沙 410072)

0 引言

目前，爆破振動安全判別通常以地面質點振動速度為主，輔以主振頻率作為標準，速度－頻率標準僅僅是對獨立閾值理論的延伸，沒有考慮到振動持續時間和結構動力特性的影響。近幾年來，有人根據材料的動態拉應力破壞準則，利用質點振速與動態抗拉應力的關系，建立了一種新的判據，即動態抗拉應力判據，但由于建筑結構的動力特性和材料性能無法確定，使得這種判據指標對于不同場區和不同類型建筑結構的適應性較差，不具備推廣應用價值。

鑒于爆破振動效應和地震效應對建構筑物的作用機理相同，以被保護對象(即目標建筑物)抗震設計為依據，探討新的爆破振動安全判別途徑和方法已經十分迫切和必要。

1 以抗震設計為依據判別爆破振動安全的科學性

1.1 完善現行爆破振動安全判別標準的必要性

爆破振動安全判別的對象往往是某一具體的建筑物，而結構類型相同的建筑物即使具有相同的自振頻率，但因其建筑結構、場地、建筑材料的不同，使得它們對爆破振動效應的響應表現出巨大的差異。現行的爆破振動安全判別標準對不同建筑物以大類劃分，對大類采用統一的判別標準，無法反映個體差異，因此，補充和完善現行的爆破振動安全判別標準，增強其針對性顯得十分必要。

1.2 爆破振動與天然地震對建筑物的激勵及破壞機理基本相同

爆破地震波和天然地震波都包括在介質內部傳播的體波和沿地層表面傳播的面波，其中面波的作用是導致建筑物破壞的主要原因。爆破振動與天然地震對建筑物的力學效應都表現為直接作用在結構體上的壓力、拉力或剪切力，所以將力學響應特性作為爆破振動或天然地震對建筑物破壞與否的衡量指標，具有較強的合理性和可比性。

1.3 建筑物第一水準烈度的動態響應與爆破振動安全指標相對應

雖然建筑抗震設計是針對天然地震而言的，但由于爆破振動與地震之間具有相同的物理特性，所以抗震設計中對建筑物遭破壞作用的標準同樣適用于爆破振動對建筑物的破壞作用。

地震基本烈度的確定反映了地震烈度衰減規律和震中距等影響的概率因素，它確定的是基本烈度在地域上的分布(見圖1)。但是對于某一個地區，并不是每次地震都是按基本烈度發生的，也存在一個概率分布的問題。一般認為地震烈度的概率分布符合正態分布，其分布函數為:

式中:δ—烈度上限;

I—烈度;

ε—眾值烈度(亦稱為多遇地震烈度);

k—形狀系數。

《建筑抗震設計規范》(GB50011―2010，以下簡稱《規范》)指出，在建筑物遭遇第一水準烈度(眾值烈度)時，結構處于正常使用狀態，從結構抗震分析角度，可視為彈性體系，采用彈性反應譜進行彈性分析［1］。因此，爆破振動對建筑物構成的影響程度必須控制在彈性范圍內，即在爆破振動的作用下，建筑物一直處于彈性工作階段，不能出現非彈性變形［2］，在安全判別時必須以建筑物設計遭遇第一水準烈度為判據閾值，也就是說爆破振動作用下建筑物受到的最大剪切力Qmax要小于建筑物在遭遇第一水準烈度時的最大剪切力閾值，即《規范》中的水平地震作用標準值FEK。

圖1 地震烈度的概率分布

2 以抗震設計為依據的爆破振動安全判別方法

2.1 水平地震作用標準值的計算

2.1.1 確定水平地震影響系數最大值

《規范》把抗震等級分為4級，其中第1級代表最高的抗震設計要求，第4級代表最低的要求。建筑物抗震設計應根據烈度、結構類型以及房屋的高度按《規范》確定結構的抗震等級。對于爆破振動安全標準而言，依據具體建筑物的結構類型和所設計的抗震等級便可根據《規范》反推出其可抗地震烈度。

地震烈度是指某一地區、地面即房屋建筑等工程結構遭受到一次地震影響的強烈程度。我國根據房屋建筑震害指數、地表破壞程度即地面運動加速度指標將地震烈度分為12度，制定了《中國地震烈度表》。

《規范》中列出了不同地震烈度分別在多遇地震和罕遇地震下所對應的水平地震影響系數最大值(見表1)。

表1 水平地震影響系數最大值αmax

2.1.2 確定場地的特征周期值

場地的特征周期是根據場地類別和抗震設計分組得出的，見表2。

2.1.3 確定地震影響系數

《規范》給出了地震影響系數α與結構自振周期T的關系曲線及計算公式(見圖2)。

表2 特征周期值Tg(S)

圖2 α與結構自振周期T的關系曲線

其中:αmax—水平地震影響系數最大值;

Tg—特征周期值;

T—結構自振周期;

ξ—結構的阻尼比;

η1—斜率調整系數;

η2—阻尼調整系數

2.1.4 計算水平地震作用標準值

我國在建筑物抗震驗算中，采用二階段設計，實現三水準設防目標。其中的第一階段設計為承載力驗算，同理，爆破振動對建筑物的影響應該控制在該階段之內。該階段是取第一水準的地震參數來計算結構的彈性地震作用標準值和相應的地震作用效應［3］。

式中:FEK—水平地震作用標準值;

α—地震影響系數;

β—動力系數;

G—重力荷載代表值，G=mg，m為建筑物的自重，g為重力加速度。

FEK即目標建筑物在彈性反應階段最大允許剪切作用力，換言之，爆破振動對目標建筑物的剪切作用力不得大于FEK。

2.2 爆破振動對目標建筑物的動態響應和最大剪切力計算

在單質點彈性體系的水平地震反應理論中，根據達朗伯原理，質點在運動的任一瞬時，作用在質點上的阻尼力)，彈性恢復力 Kx(t)和慣性力處于瞬時平衡狀態，即:

其中:c—阻尼系數(或粘滯阻尼);

x(t)—質點對地面的相對位移;

K—抗側移剛度或稱之為彈簧常數。

一般稱ω為體系的自振頻率(也稱角頻率)。對應于給定的固有周期和阻尼比，把最大位移xmax乘以彈簧常數K，即可得到最大剪切力:

根據以上步驟所得參數，以實測爆破振動地面加速度為輸入，便可得出在爆破振動作用下的目標建筑物受力時程曲線。

2.3 爆破振動安全判別標準

爆破振動作用下判定目標建筑物是否安全的判別式為:Qmax＜FEK，即Qmax＜FEK則判定爆破振動作用對目標建筑物是安全的，否則反之。

3 工程實例與分析

在瀏陽河大橋拆除爆破中，以待爆橋附近的一處三層框架結構民用建筑為爆破振動監測點。根據實測數據，利用以上安全標準對該建筑物進行爆破振動安全判別。抗震設計參數見表3。

表3 抗震設計參數

根據該建筑物抗震設計執行標準及設計參數有:

Tg=0.35 s，αmax=0.16 ，ξ=0.05 ，T=0.65s，m=127400 kg

由于所用測振儀為速度型，應利用測振分析軟件對所測數據進行微分得到加速度時程數據。依據單質點振動反應譜理論進行matlab編程，分析相對位移反應波形、相對速度反應波形和絕對加速度反應波形［4］，得出最大相對位移 xmax=0.0029 cm，最大相對速度 vmax=0.0284 cm/s，最大絕對加速度amax=1.2819 cm/s2。

則:Qmax＜FEK

依此判斷，此次瀏陽河大橋爆破拆除的爆破振動作用不會對目標建筑物造成破壞。爆破后，對目標建筑物進行了全面檢測，結果表明，上述判斷與實際結果相符。

4 結論

以建筑物抗震設計為依據，充分考慮建筑物自身特性和場地特性受爆破振動效應的影響因素，針對具體的建筑物相對應地給出爆破振動的安全判據值，從而保證對爆破振動的安全判別具有較強的針對性和科學性。本文只僅僅進行了一些初步探討，實驗驗證的樣本數還遠遠不夠，是否具有實用價值有待進一步深入研究。

［1］GB50011—2010.建筑抗震設計規范［S］.

［2］丁建國.彈塑性反應譜及其在抗震設計中的應用［J］.南京理工大學學報，2007，31(6):780-783.

［3］尚守平.結構抗震設計［M］.北京:高等教育出版社，2003:40-46.

［4］［日］大崎順彥，田琪譯.地震動的譜分析入門(第二版)［M］.北京:地震出版社，2008:132-145.