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        以建筑物抗震設(shè)計(jì)為依據(jù)的爆破振動(dòng)安全判別研究

        2013-11-19 01:50:32杜耀志
        采礦技術(shù) 2013年6期
        關(guān)鍵詞:烈度抗震建筑物

        杜耀志,劉 旺

        (國防科技大學(xué)指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院, 湖南長沙 410072)

        0 引言

        目前,爆破振動(dòng)安全判別通常以地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為主,輔以主振頻率作為標(biāo)準(zhǔn),速度-頻率標(biāo)準(zhǔn)僅僅是對獨(dú)立閾值理論的延伸,沒有考慮到振動(dòng)持續(xù)時(shí)間和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響。近幾年來,有人根據(jù)材料的動(dòng)態(tài)拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則,利用質(zhì)點(diǎn)振速與動(dòng)態(tài)抗拉應(yīng)力的關(guān)系,建立了一種新的判據(jù),即動(dòng)態(tài)抗拉應(yīng)力判據(jù),但由于建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和材料性能無法確定,使得這種判據(jù)指標(biāo)對于不同場區(qū)和不同類型建筑結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性較差,不具備推廣應(yīng)用價(jià)值。

        鑒于爆破振動(dòng)效應(yīng)和地震效應(yīng)對建構(gòu)筑物的作用機(jī)理相同,以被保護(hù)對象(即目標(biāo)建筑物)抗震設(shè)計(jì)為依據(jù),探討新的爆破振動(dòng)安全判別途徑和方法已經(jīng)十分迫切和必要。

        1 以抗震設(shè)計(jì)為依據(jù)判別爆破振動(dòng)安全的科學(xué)性

        1.1 完善現(xiàn)行爆破振動(dòng)安全判別標(biāo)準(zhǔn)的必要性

        爆破振動(dòng)安全判別的對象往往是某一具體的建筑物,而結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、場地、建筑材料的不同,使得它們對爆破振動(dòng)效應(yīng)的響應(yīng)表現(xiàn)出巨大的差異。現(xiàn)行的爆破振動(dòng)安全判別標(biāo)準(zhǔn)對不同建筑物以大類劃分,對大類采用統(tǒng)一的判別標(biāo)準(zhǔn),無法反映個(gè)體差異,因此,補(bǔ)充和完善現(xiàn)行的爆破振動(dòng)安全判別標(biāo)準(zhǔn),增強(qiáng)其針對性顯得十分必要。

        1.2 爆破振動(dòng)與天然地震對建筑物的激勵(lì)及破壞機(jī)理基本相同

        爆破地震波和天然地震波都包括在介質(zhì)內(nèi)部傳播的體波和沿地層表面?zhèn)鞑サ拿娌ǎ渲忻娌ǖ淖饔檬菍?dǎo)致建筑物破壞的主要原因。爆破振動(dòng)與天然地震對建筑物的力學(xué)效應(yīng)都表現(xiàn)為直接作用在結(jié)構(gòu)體上的壓力、拉力或剪切力,所以將力學(xué)響應(yīng)特性作為爆破振動(dòng)或天然地震對建筑物破壞與否的衡量指標(biāo),具有較強(qiáng)的合理性和可比性。

        1.3 建筑物第一水準(zhǔn)烈度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與爆破振動(dòng)安全指標(biāo)相對應(yīng)

        雖然建筑抗震設(shè)計(jì)是針對天然地震而言的,但由于爆破振動(dòng)與地震之間具有相同的物理特性,所以抗震設(shè)計(jì)中對建筑物遭破壞作用的標(biāo)準(zhǔn)同樣適用于爆破振動(dòng)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(guī)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(gè)地區(qū),并不是每次地震都是按基本烈度發(fā)生的,也存在一個(gè)概率分布的問題。一般認(rèn)為地震烈度的概率分布符合正態(tài)分布,其分布函數(shù)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(shù)。

        《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011―2010,以下簡稱《規(guī)范》)指出,在建筑物遭遇第一水準(zhǔn)烈度(眾值烈度)時(shí),結(jié)構(gòu)處于正常使用狀態(tài),從結(jié)構(gòu)抗震分析角度,可視為彈性體系,采用彈性反應(yīng)譜進(jìn)行彈性分析[1]。因此,爆破振動(dòng)對建筑物構(gòu)成的影響程度必須控制在彈性范圍內(nèi),即在爆破振動(dòng)的作用下,建筑物一直處于彈性工作階段,不能出現(xiàn)非彈性變形[2],在安全判別時(shí)必須以建筑物設(shè)計(jì)遭遇第一水準(zhǔn)烈度為判據(jù)閾值,也就是說爆破振動(dòng)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(zhǔn)烈度時(shí)的最大剪切力閾值,即《規(guī)范》中的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值FEK。

        圖1 地震烈度的概率分布

        2 以抗震設(shè)計(jì)為依據(jù)的爆破振動(dòng)安全判別方法

        2.1 水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算

        2.1.1 確定水平地震影響系數(shù)最大值

        《規(guī)范》把抗震等級(jí)分為4級(jí),其中第1級(jí)代表最高的抗震設(shè)計(jì)要求,第4級(jí)代表最低的要求。建筑物抗震設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)烈度、結(jié)構(gòu)類型以及房屋的高度按《規(guī)范》確定結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)。對于爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)而言,依據(jù)具體建筑物的結(jié)構(gòu)類型和所設(shè)計(jì)的抗震等級(jí)便可根據(jù)《規(guī)范》反推出其可抗地震烈度。

        地震烈度是指某一地區(qū)、地面即房屋建筑等工程結(jié)構(gòu)遭受到一次地震影響的強(qiáng)烈程度。我國根據(jù)房屋建筑震害指數(shù)、地表破壞程度即地面運(yùn)動(dòng)加速度指標(biāo)將地震烈度分為12度,制定了《中國地震烈度表》。

        《規(guī)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(yīng)的水平地震影響系數(shù)最大值(見表1)。

        表1 水平地震影響系數(shù)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(jù)場地類別和抗震設(shè)計(jì)分組得出的,見表2。

        2.1.3 確定地震影響系數(shù)

        《規(guī)范》給出了地震影響系數(shù)α與結(jié)構(gòu)自振周期T的關(guān)系曲線及計(jì)算公式(見圖2)。

        表2 特征周期值Tg(S)

        圖2 α與結(jié)構(gòu)自振周期T的關(guān)系曲線

        其中:αmax—水平地震影響系數(shù)最大值;

        Tg—特征周期值;

        T—結(jié)構(gòu)自振周期;

        ξ—結(jié)構(gòu)的阻尼比;

        η1—斜率調(diào)整系數(shù);

        η2—阻尼調(diào)整系數(shù)

        2.1.4 計(jì)算水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值

        我國在建筑物抗震驗(yàn)算中,采用二階段設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)。其中的第一階段設(shè)計(jì)為承載力驗(yàn)算,同理,爆破振動(dòng)對建筑物的影響應(yīng)該控制在該階段之內(nèi)。該階段是取第一水準(zhǔn)的地震參數(shù)來計(jì)算結(jié)構(gòu)的彈性地震作用標(biāo)準(zhǔn)值和相應(yīng)的地震作用效應(yīng)[3]。

        式中:FEK—水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值;

        α—地震影響系數(shù);

        β—?jiǎng)恿ο禂?shù);

        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(biāo)建筑物在彈性反應(yīng)階段最大允許剪切作用力,換言之,爆破振動(dòng)對目標(biāo)建筑物的剪切作用力不得大于FEK。

        2.2 爆破振動(dòng)對目標(biāo)建筑物的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和最大剪切力計(jì)算

        在單質(zhì)點(diǎn)彈性體系的水平地震反應(yīng)理論中,根據(jù)達(dá)朗伯原理,質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)的任一瞬時(shí),作用在質(zhì)點(diǎn)上的阻尼力),彈性恢復(fù)力 Kx(t)和慣性力處于瞬時(shí)平衡狀態(tài),即:

        其中:c—阻尼系數(shù)(或粘滯阻尼);

        x(t)—質(zhì)點(diǎn)對地面的相對位移;

        K—抗側(cè)移剛度或稱之為彈簧常數(shù)。

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

        根據(jù)以上步驟所得參數(shù),以實(shí)測爆破振動(dòng)地面加速度為輸入,便可得出在爆破振動(dòng)作用下的目標(biāo)建筑物受力時(shí)程曲線。

        2.3 爆破振動(dòng)安全判別標(biāo)準(zhǔn)

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

        3 工程實(shí)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(jié)構(gòu)民用建筑為爆破振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù),利用以上安全標(biāo)準(zhǔn)對該建筑物進(jìn)行爆破振動(dòng)安全判別??拐鹪O(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

        表3 抗震設(shè)計(jì)參數(shù)

        根據(jù)該建筑物抗震設(shè)計(jì)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)參數(shù)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(yīng)利用測振分析軟件對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行微分得到加速度時(shí)程數(shù)據(jù)。依據(jù)單質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)反應(yīng)譜理論進(jìn)行matlab編程,分析相對位移反應(yīng)波形、相對速度反應(yīng)波形和絕對加速度反應(yīng)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(dòng)作用不會(huì)對目標(biāo)建筑物造成破壞。爆破后,對目標(biāo)建筑物進(jìn)行了全面檢測,結(jié)果表明,上述判斷與實(shí)際結(jié)果相符。

        4 結(jié)論

        以建筑物抗震設(shè)計(jì)為依據(jù),充分考慮建筑物自身特性和場地特性受爆破振動(dòng)效應(yīng)的影響因素,針對具體的建筑物相對應(yīng)地給出爆破振動(dòng)的安全判據(jù)值,從而保證對爆破振動(dòng)的安全判別具有較強(qiáng)的針對性和科學(xué)性。本文只僅僅進(jìn)行了一些初步探討,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的樣本數(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,是否具有實(shí)用價(jià)值有待進(jìn)一步深入研究。

        [1]GB50011—2010.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

        [2]丁建國.彈塑性反應(yīng)譜及其在抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,31(6):780-783.

        [3]尚守平.結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[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(dòng)的譜分析入門(第二版)[M].北京:地震出版社,2008:132-145.

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