爆破技术在工程建设中的应用越来越广泛,比如隧道施工、基坑开挖、城乡建设等,但工程爆破产生地震动、冲击波等会对建筑物的安全性能以及耐久性产生影响,其中爆破地震动引起附近建筑物产生破坏的现象,因其普遍性、复杂性和评定标准的局限性尤其受到关注。工程爆破在建筑物附近引起的地震动与天然地震动相比,具有幅值高、频率高(5～100Hz)、衰减快、持续时间短等特点 ^[1,2,3,4]。砌体结构由于材料的脆性和整体性差,在遭遇爆破地震波作用时的结构响应值得研究。

　　 本文通过在邻近爆心的砌体房屋布置测点,研究了爆破地震波的传播和衰减规律以及对周围建筑安全性能的影响,为了能够比较直观地反映建筑物对爆破地震动的响应,本文运用SAP2000有限元分析软件,并采用砌体等效体积单元法,建立三层砌体结构的三维计算模型,对其进行结构动力响应时程分析,以现场实测的地面波为结构振动输入,将采用时程分析法得到的结果与实测结构响应进行对比。本文研究可为砌体结构在爆破地震波作用下的响应研究提供试验数据和理论分析参考,为科学地预测与控制爆区周围建筑物的爆破地震效应危害提供指导,对改进和完善现有的爆破振动安全判据有重要的理论价值和现实意义。

　　 江苏省昆山市的朝阳路曾经只是位于老城区南部的一条过境公路,后来逐步演化为城市主干路。由于以昆山市商厦为龙头的各类商业设施的不断聚集,朝阳路成为昆山市商业中心的重要组成部分,其通行能力已经严重滞后, 以排水为主的市政基础设施也很不完善,与城市商业中心的定位存在较大差距,因此朝阳路的更新已经刻不容缓,旧有建筑急需爆破拆除。

　　 此次爆破建筑是位于昆山市朝阳西路南侧的两栋废弃楼房(农商银行和朝阳商务楼),工程总平面示意图如图1所示。测试建筑为一栋三层五开间的砌体结构房屋,层高3m,结构平面图如图2所示。

　　 本次测试选择南京安正AZ-3088通道振动采集及调理一体机一台,941B低频振动传感器一套。为了准确测试由于爆破引起的地震波传播的规律及其振动影响,分别在测试建筑物的一层和三层走廊布置测点(图3和图4),测试了三向振动数据。参考《爆破安全规程》(GB 6722—2014) ^[5]的爆破振动评价标准,选择振动速度为测试物理量。

　　 一般来说,自振频率的峰值点将出现在所有的谱上或者出现在大多数的记录信号中。无论是一个测点信号的自谱或者两个测点信号的互谱,在结构自振频率的位置都会出现陡峭的峰值。异常输入或局部干扰也会带来一些峰值。因此,主要问题是从谱中出现的所有峰值中分辨出自振频率。如果建筑物各部位在同一频率处的相位和振幅符合振型规律,那么就可以确定此频率为建筑物的自振频率 ^[6]。

　　 爆破于2016年12月23号下午3点准时进行,将各测点测试到的三向振动数据绘制成时程图、频域图、三分之一倍频程图,分别如图5～9所示。

　　 由时程图可以看出,不同方向的爆破振动曲线中,竖向(Z向)振动速度最大,横向(X向)振动速度次之,纵向(Y向)振动速度最小。模拟所得到的都是楼层内部的频率与加速度,相较于实测值偏大,且三层走廊的各向振动速度比一层走廊的大很多,不仅验证了楼层对地震波的放大作用,而且指引我们在进行爆破地震波作用下建筑结构的抗震安全研究时,不仅要加强水平方向的抗震设防,同时一定要重视垂直方向上的爆破抗震安全。由频域图可以看出,4,5,7.5Hz为该栋建筑的低阶自振频率。由三分之一倍频程图可以看出,Z向主振频率大都集中在10Hz以下,水平向主振频率相对分散,但基本不超过50Hz。

　　 目前,有限元方法在结构工程中的应用也已普遍,有关钢结构及混凝土结构的数值模拟已经取得了长足的发展,但在砌体结构数值模拟中的应用却较为滞后,主要是由于砌体结构中砌体和砂浆均属于非线性材料且两者力学性能的差异较大,两者之间的相互作用也较为复杂。因此本文采用砌体等效体积单元(Representative Volume Element,简称RVE)法,建立能反映多层砌体结构在地震作用下反应的有限元模型。等效体积单元(RVE)的概念与相关理论是澳大利亚学者L.Gambarotta ^[7]于1996年首先提出的。此后国内外学者对等效体积单元进行一系列的研究,文献[8]通过试验和ANSYS有限元分析证明了RVE与砌体的大部分力学性质吻合,将它应用于砌体整体结构进行有限元分析是可行的。砌体等效体积单元法是将砖块和砂浆材料均质为一种连续介质材料,形成可以等效砌体组成材料的单元,以此进行建模。采用RVE优点是同时考虑了砖和砂浆的作用及其几何拓扑信息,并且缩减计算规模。

　　 本文采用SAP2000建立砌体结构的有限元模型,墙体采用整体式模型,砌体结构中的横向墙体和纵向墙体均用壳(Shell-Thin)单元模拟,材料类型选择为软件中的“Concrete”。钢筋混凝土楼板采用壳单元建立,材料为SAP2000中内置的C30混凝土。相关参数及其取值依据文献[8]提出的砌体等效体积单元材料参数及其取值,如表1所示。

　　 模态分析的低阶振型图如图10所示,实测与模拟的低阶自振频率及周期对比如表2所示。

　　 由图10可知,结构的第一、二阶振型为平移振型,第三阶振型为扭转振型。前3阶频率和周期的有限元分析结果与实测结果大体一致,说明有限元模拟结果具有较高的可信度。

　　 以由地面实测的速度时程转化的加速度时程作为结构振动的输入激励,计算结构响应,并与模拟结果进行比较。采用同时输入三向爆破地震波,模拟得到三层楼面加速度时程曲线。将现场实测砌体结构顶层楼板的X向与Z向的速度时程曲线转化成加速度时程曲线,并与有限元模拟得到的加速度时程曲线进行对比,如图11所示。

　　 通过以上对比可发现,三层楼面实测加速度响应大于模拟所得的加速度响应,但两者差距并不大。其原因可能是模型与实际结构不完全符合,其中模型底部简化为固定约束,而实际结构的基础并非为理想固定约束,忽略楼地面的振动必然造成结果的偏差。另外,模拟得到的X向加速度时程较实测的加速度时程滞后,原因可能是模型的刚度偏小,造成结构模型的加速度响应变化较慢。

　　 (1)由一层和三层楼板的时程图可以看出,竖向(Z向)振动速度最大,横向(X向)振动速度次之,纵向(Y向)振动速度最小。三层走廊的各向振动速度比一层走廊的大很多。所以在进行爆破地震波作用下建筑结构的抗震安全研究时,不仅要加强水平方向的抗震设防,同时要重视垂直方向上结构的振动问题。

　　 (2)由三分之一倍频程图可知,Z向主振频率大都集中在10Hz以下; 水平向主振频率相对分散,但基本不超过50Hz,与模态分析结果一致。

　　 (3)实测楼房的第一主振频率在4～7Hz左右,模拟结果在5～8Hz左右,这是由于模拟的楼房反应频率是楼房内部的频率; 同样,模拟的加速度也是楼房内部的加速度,并不是楼房三层楼顶的加速度,在爆破振动测试中楼房顶部加速度比底层大,验证了楼层高度对地震波的放大作用。

　　 (4)结合频域图可知,4,5,7.5Hz为该栋建筑的低阶自振频率,这与有限元软件分析出来的结果大体一致,说明有限元模拟结果具有较高的可信度。三层楼面实测加速度响应大于模拟所得的加速度响应,但两者差距并不大,进一步说明有限元模拟结果具有较高的可信度。