砌体结构受爆破地震波作用破坏特征研究

宗 琦，赵要才

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

爆破技术广泛应用于城市改建、基坑开挖、矿山开采、隧道施工等众多领域，在施工快速、便捷、经济的同时，也带来了一些负面效应，爆破振动便是其中之一，也是爆破公害之首。在抗震性能较差的建筑(如砌体结构)周围进行爆破作业时，若振动强度较大，爆破地震波会引起结构不同程度的损伤，对建筑物的耐久性和安全性将产生影响。目前较多研究的是通过对爆破时建筑物的振动进行监测分析，而对爆破振动引起建筑物变形破坏的研究很少见到报道。文献［1］研究了露天矿山爆破对混凝土工程的振动影响，通过对某围垦工程拟建混凝土结构水闸附近的采石场爆破振动监测分析，根据各测点峰值振动速度和主振频率及其变化规律，评价了爆破振动对水闸工程的影响;文献［2］对爆破振动荷载作用下3～4 层房屋结构响应测试分析，获得了爆破振动荷载作用下房屋各层结构的响应特性规律;文献［3］对近建筑物基坑岩石松动爆破振动进行了监测分析，得到爆破场地松动爆破地震波的传播规律，给出了施工最大一次同段起爆药量;文献［4］研究了建筑物对爆破振动中不同频率能量成分的响应特征，结果表明:建(构)筑物对于爆破振动中的不同频率能量成分存在明显的选择放大效应。在爆破地震中，与结构固有频率相一致的能量成分将被最大程度的放大。文献［5］以某露天矿境界边坡近坡肩的1 栋3 层框架结构建筑为研究对象，建立了频繁爆破震动作用下钢筋混凝土构件和整体结构的疲劳损伤模型，研究了频繁爆破震动作用下，结构位移、应力，刚度变化的规律。文献［6］在分析建筑结构的爆破地震安全判据的不足和爆破地震与天然地震的特点的基础上，研究了爆破参量对爆破地震波反应谱的影响和爆破地震频率对建筑结构破坏的影响。鉴于此，本文借助有限元ANSYS 软件，对砌体结构房屋在近距离爆破振动作用下的受力、变形进行模拟分析，探讨砌体结构在爆破振动作用下易发生变形破坏的关键部位，为砌体结构的抗震设计、施工提供有益参考。

1 计算模型与参数

1.1 单元模型

为了更好地反映爆破动载作用下砌体结构的变形、破坏特征，采用三维有限元模型进行计算，并作以下2 个假设:

1)砌体本身是单相均质且各向同性材料。因砌体力学性能有较大的差异，一般认为砌体是一种两相材料，即一种弹块体(包括砖或混凝土砌块)嵌入非弹性的灰浆基体的材料。两相非均质有限元模型已被一些学者所采用［7］。但，此类模型将使问题复杂化，故一些学者建议采用均质单相材料模型［8］;

2)楼板在其自身平面内无限刚度。

根据假设，采用有限元软件ANSYS 建立两层砌体结构房屋的模型，分析其在爆破地震波作用下的响应特征。模型中材料的力学参数如表1所示。

表1 砌体材料力学参数

1.2 计算模型建立

用来计算的砌体建筑物尺寸:房间宽3.3 m，共3 间，进深6 m，每层高度3.3 m，2 层;窗户高度为1.2 m，宽为0.9 m，窗台离地面为1.2 m，门洞宽1.76 m。模型结构平面图、建立的计算模型和网格划分如图1～图2所示。

图1 结构平面图(mm)

图2 模型与网格划分

2 计算结果及分析

2.1 自身重力下受力特征

自然情况下，砌体建筑物都受自身重力的作用，故在模态分析前，先求解其在自身重力作用下的应力和变形特征。计算时，先加约束边界条件，然后施加重力，得到自然状态下结构受力和变形特征(见图3～图4)。可见，在自然重力下，砌体结构X 方向的应力与应变最大值均在中间横墙顶部位置，最大应力0.645 MPa，最大变形0.179 mm。

图3 静力时结构X 方向应力图

图4 静力时结构X 方向位移图

2.2 振动作用下结构的受力特征

建立在静力分析的基础上，爆破振动作用下砌体结构的受力特征采用模态分析;以分析和确定结构的振动特性，即结构的固有频率和模态(振型)，它们是承受动态荷载结构设计的重要参数，也是瞬态动力分析的基础。ANSYS 的模态分析是一个线性分析，它提供了7 中模态分析方法，本文选用子空间法(Subspace)，得到了结构的固有频率和振型。模拟计算时选用了6 振型，其中第一、二、六阶振型的位移和应力云图如图5～图8所示。

图5 第一阶振型

图6 第二阶振型

图7 第三阶振型

图8 第六阶振型

为了确定砌体结构对爆破动载的动力响应情况，计算采用谱分析代替时间－历程分析，就是将模态分析结果与一个己知的谱联系起来计算振型的位移和应力。传统的谱分析方法多将测试得到的振幅－时间曲线进行傅里叶变换(FFT 变换)，然后作为荷载输入计算，这种方法没有考虑结构本身的特点。故，本文计算时采用现场测试得到的反应谱，并结合第一阶振型进行分析，得到的位移与应力云图如图9～图12所示。

图9 第一阶振型X 方向位移云图

图10 第一阶振Y 方向位移云图

图11 第一阶振型Z 方向位移云图

图12 第1 阶振方向水平应力云图

2.3 结果分析

由以上计算结果可得，砌体结构在爆破动载激励下发生的动力响应较大，最大动力响应出现在建筑物二层屋顶部位，且屋顶边角处位移最大，位移量达到4.396 mm。结构的位移响应随着高度的降低而减小;对于砌体建筑物，位移响应主要以顶部的X 方向运动为主，垂直方向爆破振动对结构的影响较水平方向小的多，说明二层砌体结构主要受爆破地震波水平分量影响。已知建筑物高度为6.6 m，最大位移与层高的比值［9］，故该二层楼房在此次爆破动载作用下仅发生弹性变化。

同时，还可发现:最大应力出现在门与窗户的四角部位，在墙角等拐角处也出现了应力集中现象(见图13)。

图13 第1 阶振主应力云图

在窗台上部X 方向的位移突然加大，导致在突然变位处产生了应力集中，使此处的应力响应达到最大，最大应力为31.8 MPa。同样，在门的上部以及下部由于边界效应也产生了应力集中。由于结构受到爆破水平震动激励而产生X 方向主体变位，所以结构的应力响应表现为Y 方向的主应力。结构受到爆破震动激励而产生的剪应力小，主要位于结构的左侧下部和结构中部，最大值约5.5 MPa(见图14)。

图14 第1 阶振方向剪切力云图

由上述计算分析，砌体结构在爆破动载作用下动力响应较其他结构的动力响应大。结构受到的总应力与总位移应为结构受到的静力位移、应力与动力位移、应力之和。相对于动力位移、应力，静力位移与应力数值小，在考虑砌体结构安全时，可以只考虑结构在动力作用下位移变形与应力值。从模拟结果得知，砌体房屋平均应力在7.0 MPa，低于砌体的抗压强度20 MPa，在此爆破振动下结构是安全的。根据爆破现场调查，房屋结构没有出现倾斜、开裂等现象，验证了数值计算结果。

3 结论

1)随着建筑(结构)物高度的增加，其对爆破振动的响应程度增大;最大动力位移响应位于建筑物屋顶部位，最大位移发生在屋顶边角处。

2)最大应力发生在门与窗户的四角部位，墙角等拐角处也易出现应力集中的现象，这几处可视为受爆破影响的关键部位。

因此，在爆区周围新建砌体结构建筑物时，根据规范要求设置构造柱、圈梁或采用配筋砌体等是必要的;在砌体结构建筑物附近进行爆破作业时，可对门与窗户的四角部位、墙角等关键部位进行补强，以降低爆破振动对建筑物的危害。

［1］葛双成，刘全忠，章晓桦，等.露天矿山爆破对混凝土工程的振动影响监测分析［J］.工程爆破，2010，16(2):70－73.

［2］林键，林从谋，林丽群.爆破振动荷载作用下3～4层房屋结构响应测试研究［J］.振动与冲击，2010，29(3):48－53.

［3］苏贺，汪海波，宗琦.临近建筑物基坑岩石松动爆破振动监测［J］.爆破，2009，26(1):99－101.

［4］李洪涛，舒大强，卢文波，等.建筑物对爆破振动中不同频率能量成分的响应特征［J］.振动与冲击，2010，29(2):154－159.

［5］谭文辉，于淼，张鹏飞.频繁爆破震动对框架结构性能的影响研究［J］.武汉理工大学学报，2010，32(9):252－256.

［6］刘满堂，陈庆寿.建筑结构对爆破地震的动力响应特性研究［J］.爆破，2005，22(4):23－28.

［7］PAGE A.Finite element model for masonry［J］.J Strict Div，ASCE，1978，104(8):1 285－1 367.

［8］SAMARASINGHE，W PAGE A W，HENDRY A W.Behavior of brick masonry shear wall［J］.The Struct Energ，1981，59B(3):42－48.

［9］中国建筑东北设计研究院有限公司.GB 50003－2011 砌体结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2011.