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        爆破振動對高層框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的影響

        2022-01-26 08:10:54范延靜潘建榮
        工程爆破 2021年6期
        關(guān)鍵詞:振動結(jié)構(gòu)

        李 猛,范延靜,李 彬,潘建榮,王 湛

        (華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣州 510641)

        隨著爆破技術(shù)的廣泛應(yīng)用,爆破施工帶來的危害也越來越受到關(guān)注[1],特別是爆破地震波產(chǎn)生的爆破振動,它會對附近正在建或者已建成的建筑物產(chǎn)生損傷破壞[2-5]。因此,研究爆破地震波對建筑物的影響具有重要意義。

        目前,關(guān)于爆破地震波的研究主要包括爆破振動傳播規(guī)律以及臨近建筑物的動力響應(yīng)。對于爆破振動傳播規(guī)律的研究,前蘇聯(lián)學(xué)者M(jìn).A.薩道夫斯基通過對大量爆破數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并結(jié)合相似原理,提出了薩道夫斯基公式,該公式在我國被廣泛應(yīng)用于爆破振動分析[6]。然而,經(jīng)典薩道夫斯基公式未考慮高程對振動速度的影響,使其應(yīng)用范圍存在局限性。針對薩道夫斯基公式的不足,Marrara等[7],崔未偉等[8]對高程影響峰值速度進(jìn)行研究,并指出峰值振動速度隨高差增加而增大。譚文輝[9]、郭得福等[10]通過量綱分析的方法,得到了考慮高程差的振速預(yù)測公式。隨著對爆破振動研究的深入,爆破地震波作用下建筑物的動態(tài)響應(yīng)成為研究熱點之一。

        雷振等[11]對爆破地震波作用下不同建筑高程振動規(guī)律進(jìn)行探究,研究表明在測點同一樓層時,水平距離不變,隨著距地高差的增加,振動速度也越來越大。P.K.Singh等[12]研究不同起爆方式、爆破孔徑等相關(guān)爆破參數(shù)對結(jié)構(gòu)的影響。羅藝等[13],王松青等[14],曹孝君[15]考慮了爆破地震波主頻對結(jié)構(gòu)物的影響,研究表明振動速度的放大作用不僅與高程有關(guān),還與爆破地震波主頻、振動傳播歷程等因素有關(guān)。但目前的研究集中于結(jié)構(gòu)整體振動頻率與爆破地震波頻率的關(guān)系,而對于結(jié)構(gòu)建筑內(nèi)部構(gòu)件振動速度局部放大效應(yīng)研究存在不足。

        本文結(jié)合廣東以色列理工學(xué)院二期校區(qū)山體爆破工程,采用爆破振動記錄儀對建筑周邊基礎(chǔ)和建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測。通過對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析,確定結(jié)構(gòu)內(nèi)部振動頻率對結(jié)構(gòu)局部振動放大效應(yīng)的影響,從而探究爆破沖擊波的傳播規(guī)律以及爆破作用下高層建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)件振動規(guī)律。通過研究建筑物振速與地基振速放大倍數(shù)的比值關(guān)系,可估計框架-剪力墻結(jié)構(gòu)不同構(gòu)件處振速,提出建筑結(jié)構(gòu)中易破壞位置選取原則,對類似爆破工程安全施工起指導(dǎo)作用。

        1 工程實例

        1.1 工程概況

        廣東以色列理工學(xué)院二期校區(qū)位于廣東省汕頭市金平區(qū),校區(qū)南側(cè)山體存在大量土石方需要爆破。校區(qū)內(nèi)教師宿舍BC棟臨近爆破山體,且施工工期與山體爆破時間相重合,為確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件及施工安全,需要對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件采用施工監(jiān)測。BC棟建筑為框架-剪力墻結(jié)構(gòu),高37.05 m,共12層。山體主要為燕山期花崗巖,采用延時起爆方式,相鄰藥包起爆時間間隔為75 ms。爆源單排布置,一排6個鉆孔,孔徑90 mm,孔深約8 m,孔距3 m,最大單段裝藥量144 kg,單孔藥量約24 kg。

        1.2 測點布置

        為研究爆破沖擊波振動傳播規(guī)律,采用JM-3874三向加速度傳感器對距離爆破點不同位置處地表振速進(jìn)行監(jiān)測。在此基礎(chǔ)上,為探究爆破對建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件的影響,根據(jù)建筑構(gòu)件距爆破點距離的不同以及迎爆面的位置,采用JM-3874三向加速度傳感器對C棟建筑關(guān)鍵構(gòu)件振速進(jìn)行監(jiān)測。

        在距爆破點140、150、200、240、290 m處設(shè)置A~E共5個地表監(jiān)測點(見圖1),采用全站儀測量其x、y、z坐標(biāo)。

        圖1 地表測點布置Fig.1 Layout of surface measuring points

        C棟中測點布置如圖2所示,此時爆破點距C棟建筑水平距離為340 m。測點編號按照測點方位:W(西側(cè))、E(東側(cè))、C(中部),結(jié)合測點前后順序,所在樓層數(shù)混合編號。具體測點編號分布如圖2所示。

        注:E1-1-柱子;E2-1-工具間;W1-1-窗臺;W2-1-窗臺;C1-1-窗臺;C2-1-樓板;E1-6-陽臺;E2-6-陽臺;W1-6-陽臺;W2-6-柱子;C1-6-窗臺;C2-6-樓板;E1-12-陽臺;E2-12-衛(wèi)生間;W1-12-窗臺;W2-12-柱子;C1-12-窗臺;C2-12-樓板。

        2 爆破振動監(jiān)測結(jié)果與分析

        2.1 振速隨爆心距變化規(guī)律分析

        地表測點測得的x、y、z方向峰值振動速度如表1所示。

        表1 地表測點振動數(shù)據(jù)

        根據(jù)表1得到地表測點爆破振動速度隨距爆破點水平距離的變化趨勢如圖3所示。

        圖3 地表測點振速隨爆心距變化Fig.3 Change of vibration velocity of ground measuring points with the distance between blasting centers

        由圖3可知,隨著距爆破點水平距離的增加,切向、徑向和垂向振速逐漸減小且衰減趨勢相同:距爆破點距離近時,振速衰減較快;距爆破點距離遠(yuǎn)時,振速基本無衰減。同時,地表測點徑向振速大于切向和垂向速度。

        為判斷地表測點振速是否合理以及分析爆破地震波傳播規(guī)律,對爆破振動質(zhì)點速度采用薩道夫斯基公式進(jìn)行回歸分析。由于監(jiān)測測點位于地表平面與爆破作業(yè)爆源點的高程差相對較小,所以不考慮高程差的影響。本文參考文獻(xiàn)[6]所采用的薩道夫斯基模對振速進(jìn)行擬合,其表達(dá)式如下:

        (1)

        式中:v為測點x、y、z方向最大振動速度,cm/s;Q為最大段藥量,kg;R為爆源至測點的水平距離,m;K、α為與地質(zhì)特征相關(guān)的系數(shù)。

        按照最小二乘法原理,對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得擬合結(jié)果如圖4所示。其線性回歸系數(shù)r2為0.879,大于0.85,表明本文擬合結(jié)果較好,能真實反映測點振動速度數(shù)據(jù)。通過擬合公式計算得K=26.05,α=1.28,由此可得該區(qū)域爆破地震波峰值振速衰減公式,如式(2)所示。

        圖4 地表測點振速回歸分析Fig.4 Regression analysis of vibration velocity of ground measuring points

        (2)

        2.2 結(jié)構(gòu)振動速度規(guī)律分析

        地表測點峰值速度對應(yīng)主振頻率如表2所示。

        表2 地表測點主振頻率

        為了研究結(jié)構(gòu)構(gòu)件振速與地基頻率的關(guān)系,參考文獻(xiàn)[16]可得爆破振動主頻預(yù)測公式為

        (3)

        式中:f為爆破振動主頻預(yù)測值,Hz;Kf、γ為與地質(zhì)特征相關(guān)的系數(shù)。

        按照最小二乘法原理,對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。線性回歸系數(shù)r2為0.954,表明爆破振動主頻預(yù)測公式擬合較好,測點主頻數(shù)據(jù)較為可靠,Kf=18.65,r=—1.697 1,由此可得該區(qū)域爆破地震波主頻預(yù)測公式:

        (4)

        由式4可得,當(dāng)監(jiān)測點布置在C棟內(nèi)部時,C棟地基頻率為f=8.6 Hz。建筑內(nèi)部測點振動峰值速度及主振頻率如表3所示。

        表3 結(jié)構(gòu)內(nèi)部測點峰值振速及頻率

        由于爆破荷載為非周期荷載,可采用主振頻率表示為結(jié)構(gòu)構(gòu)件自振頻率,其僅與自身的質(zhì)量和剛度有關(guān)。故在實際監(jiān)測中,C棟建筑的東側(cè)、西側(cè)和中間結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度的差異使得結(jié)構(gòu)自振頻率不同,在監(jiān)測的建筑主體和各局部構(gòu)件引發(fā)的振動各不相同。為探究結(jié)構(gòu)自身振動響應(yīng)與頻率的關(guān)系。定義λ為頻比系數(shù),即局部結(jié)構(gòu)監(jiān)測的主振頻率和地基主振頻率的比值:

        (5)

        式中:fw為地基礎(chǔ)主頻,Hz;fc為局部結(jié)構(gòu)振動主頻,Hz。

        對同一樓層、相同頻率結(jié)構(gòu)局部振速取合速度,得到結(jié)構(gòu)局部振速相比于地基速度的放大倍數(shù)和不同高程、頻比系數(shù)的關(guān)系如表4所示。振速放大倍數(shù)隨距地高程變化如圖5所示。

        表4 結(jié)構(gòu)局部峰值振速與高程、頻比系數(shù)的關(guān)系

        圖5 振速放大倍數(shù)隨距地高程變化Fig.5 Magnification of vibration velocity varies with the elevation above ground

        由圖5可知,在頻比系數(shù)相同的情況下,隨著距地高程的增加,振速放大倍數(shù)逐漸增大;在距地高程相同的情況下,隨著頻比系數(shù)的減小,振速放大倍數(shù)明顯增大。在本次框架-剪力墻結(jié)構(gòu)監(jiān)測結(jié)果表明:在同一頻比系數(shù)下,框架-剪力墻結(jié)構(gòu)隨著距地高差的增加,振速放大倍數(shù)呈線性增長。而隨著頻比系數(shù)的減小,線性系數(shù)值也增大,在頻比系數(shù)為1.41時,建筑高度增加16 m,振速放大倍數(shù)平均增大35%;在頻比系數(shù)為1.34時,建筑高度增加16 m,振速放大倍數(shù)平均增大150%;在頻比系數(shù)為1.31時,建筑高度增加16 m,振速放大倍數(shù)平均增大400%。在頻比系數(shù)增加量相同的情況下,隨距地高程的增加,振速放大倍數(shù)增加量逐漸增大。頻比系數(shù)增大0.01,在距地高程0.4、16.4、34.4 m時,振速放大倍數(shù)增大0.1、1.0、1.8倍。

        3 結(jié)論

        1)爆破振動作用下地表質(zhì)點各向峰值振速隨爆心距的增大而減小,各點徑向振動速度大于垂向和切向速度。

        2)隨著距爆破點水平距離的增加,地表質(zhì)點x、y、z方向的振速逐漸減小,其速度衰減趨勢相同:距離爆源較近的區(qū)域,地表質(zhì)點振速衰減較快,距離爆源較遠(yuǎn)的區(qū)域,地表質(zhì)點振速衰減較慢。

        3)結(jié)構(gòu)內(nèi)部振速存在局部放大效應(yīng)。在同一頻比系數(shù)下,隨著距地高程的增加,振速放大倍數(shù)呈線性增長,隨著頻比系數(shù)的減小,線性增長系數(shù)值也增大,建筑高度增加16 m,在頻比系數(shù)為1.41、1.34、1.31時,振速放大倍數(shù)平均增大0.35、1.5、4倍。

        4) 多層框架-剪力墻結(jié)構(gòu)在爆破地震波作用下,在頻比系數(shù)增加量相同的情況下,隨距地高程的增加,振速放大倍數(shù)增加量逐漸增大。頻比系數(shù)每增大0.01,在距地高程0.4、16.4、34.4 m時,其振速放大倍速增大0.1、1.0、1.8倍。中部頂層樓板結(jié)構(gòu)在距地34.4 m、頻比系數(shù)為1.31時,振速放大倍數(shù)約為10倍,應(yīng)對此處進(jìn)行重點監(jiān)測,必要時可采取減少爆破炸藥量、建筑物周圍開挖減振溝等方式實現(xiàn)減振效果。

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