爆破地震波作用下建筑结构的动力响应及安全判据研究

摘要

在爆破技术广泛应用的同时，随着爆破环境的复杂化和人们环保意识的日益增强，工程爆破所诱发的一系列负面效应尤其是作为爆破公害之首的爆破地震效应问题，受到普遍的关注和重视。研究爆破地震效应的危害机制，尤其是爆破地震波作用下周围建筑物的地震响应机理及安全判据，是爆破地震效应研究领域中的重点和难点课题，同时是爆破安全技术研究的重要内容。
　　本文结合国家自然科学基金“爆破震动特性与爆破震动对结构危害机制研究”（编号：50778107）和高等学校博士学科点专项科研基金“爆破震动特性与结构爆破震动安全控制理论研究”（编号：20060424002），在大量查阅和深入研究国内外相关文献的背景下，在爆炸动力学、结构动力学、数值分析、信号分析技术、动力有限元理论等相关理论和分析方法的有力支撑下，本文采用数值计算、有限元模拟和现场试验为主要研究手段，对爆破地震波传播特性和爆破地震波作用下建筑结构的动力响应及安全判据进行了深入系统的探讨。得出的主要研究成果有：
　　（1）在利用数值计算结果讨论爆破震动影响区域划分的基础上，基于大量的现场监测数据，研究了不同爆破震动区域内爆破地震波幅值、主频随比例距离的衰减规律及不同震动区域爆破地震波信号的频谱与能量特征。
　　（2）采用集中冲量法，通过在一个多自由度弹性结构体系基底施加不同特性参数的爆破地震波速度荷载，并求解出不同情况下的该结构体系的各动力响应，在分析各动力响应幅值变化的基础上来探讨爆破地震波幅值、频率和持续时间对多自由度弹性体系动力响应的具体影响。
　　（3）利用Matlab编写了一套Newmark时程分析法与刚度退化二线型恢复力模型相结合求解多层砌体结构体系弹塑性地震响应的程序。以一具体的四层砌体结构为分析对象，输入荷载采用不同特性参数的实测及人工模拟爆破地震波信号，根据所求出的结构各弹塑性地震响应幅值结果，分别讨论了爆破地震波幅值、主频和持续时间对多层砌体结构弹塑性地震响应幅值的具体影响。
　　（4）通过在隧道爆破开挖过程中下穿的多层钢筋混凝土建筑沿高度和水平方向上布设测点，采集了大量的钢筋混凝土建筑的爆破地震响应信号。采用小波分析和快速傅立叶变换相结合的方法，研究各方向爆破地震波作用下钢筋混凝土建筑沿高度和水平方向的结构响应频谱、能量分布特性及幅值变化规律。
　　（5）本文采用小波包分解和重构的方法，将复杂的实测爆破地震波速度信号转化为多个简谐波的叠加，将爆破速度荷载作用下结构的动力响应问题转化为一系列简谐荷载作用下的动力响应问题。通过提出速度因子的新概念并将其反映在爆破地震效应计算模型中，考虑了结构动力响应中瞬态响应的影响。同时爆破地震效应计算模型中又融入了归一化的能量比例，在考虑爆破荷载频率的影响时仅需考虑占有相当能量比例的优势频率的综合作用。然后，在该计算模型基础上提出了一个新的爆破地震效应安全判据。该判据能反映出爆破激励荷载作用下结构速度响应大小与结构特性、爆破地震波幅值、频率（包括多个优势频率）、持续时间及能量比例等参数的关系。
　　（6）采用动力有限元方法，参照爆区现场的一实际三层砌体房屋结构，建立三维空间实体模型，并将底层的爆破地震波监测信号加载到砌体结构模型的基底，求解出有限元模拟的砌体结构其它各层的爆破震动响应值，并与监测结果进行了比较分析。对常见的2~4层砌体结构房屋，各取一种典型结构在基底节点垂直方向上施加不同主频的爆破地震波进行动力有限元建模并模拟开裂过程，通过定义结构单元的临界失效状态来寻求典型砌体结构房屋的爆破震动安全标准值，并给出了2~4层典型砌体结构房屋在各主频段爆破地震波作用下的爆破震动安全标准。
　　本文取得的研究成果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，改进和完善现有的爆破震动安全判据有着重要的理论价值和现实意义。

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目录

1 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究方法与研究内容

2 爆破地震波传播特性研究

2.1 前言

2.2 爆破震动区域划分

2.3 爆破震动现场监测概况

2.4 爆破地震波幅值和主频的变化规律研究

2.5 爆破地震波信号的频谱分析

2.6 本章小结

3 爆破地震波三要素对多自由度弹性结构动力响应的影响

3.1 前言

3.2 集中冲量法求解多自由度弹性结构的动力响应原理

3.3 多自由度弹性结构模型概况

3.4 爆破地震波幅值对多自由度弹性结构动力响应的影响

3.5 爆破地震波频率对多自由度弹性结构动力响应的影响

3.6 爆破地震波持续时间对多自由度弹性结构动力响应的影响

3.7 本章小结

4 爆破地震波三要素对多层砌体结构弹塑性动力响应的影响

4.1 前 言

4.2 Newmark时程分析法原理

4.3 刚度退化二线型模型的程序化

4.4 人工模拟爆破地震波的合成

4.5 计算案例概况

4.6 爆破地震波幅值对多层砌体结构弹塑性动力响应的影响

4.7 爆破地震波主频对多层砌体结构弹塑性动力响应的影响

4.8 爆破地震波持续时间对多层砌体结构弹塑性动力响应的影响

4.9 爆破和天然地震波作用下多层砌体结构弹塑性动力响应变化

5 多层钢筋混凝土结构的爆破地震响应现场测试研究

5.1 前 言

5.2 工程概况及测点布置

5.3 多层钢筋混凝土结构沿高度方向的爆破地震响应分析

5.4 多层钢筋混凝土结构沿水平方向的爆破地震响应分析

5.5 本章小结

6 基于小波包技术的爆破地震效应计算模型及安全判据研究

6.1 前 言

6.2 单自由度结构的爆破地震效应模型及安全判据研究

6.3 多自由度结构的爆破地震效应模型及安全判据研究

6.4 爆破地震效应计算模型的算例

6.5 本章小结

7 基于动力有限元方法的典型砌体结构爆破震动安全标准的探讨

7.1 前言

7.2 动力有限元算法基础

7.3 砌体结构材料本构模型选取

7.4 砌体结构爆破震动响应的现场监测及有限元模拟

7.5 典型砌体结构的爆破震动安全标准研究

7.6 本章小结

8 结论和展望

8.1 主要结论

8.2 展望

致谢

攻读博士期间主要成果

参考文献