轨道交通爆破施工引起的砌体建筑动力响应及安全判据研究

With the rapid development of the rail traffic in our country, the crack and damage problems in the masonry buildings caused by the blasting vibration wave in the construction, have seriously affected the life of the residents and the stability of the society. A large number of engineering practices show that, the blasting construction in accordance with the safety code still cause the destruction of the building sometimes. This is due to the fact that the propagation of the blasting vibration wave is influenced by multiple factors, and the dynamic response of masonry structures is very complex. The research on the dynamic response of the masonry building induced by the blasting vibration wave of the rail transit construction, and the corresponding safety criterion, is the front problem and interdisciplinary of the structure dynamic and the masonry engineering. Firstly, in this research project, the blasting vibration wave of rail traffic construction is monitored and is subjected to signal analysis, to study its wave propagation law and the spectrum and energy characteristics. Then the early research results of the applicant is applied, together with the dynamic finite element method and the field monitoring method, to clarify the impact of the three important factors which are the amplitude, frequency and duration of the blasting seismic wave on the elastoplastic dynamic response of masonry structure. Finally the hysteretic energy and the maximum instantaneous input energy are used to build a multi-factor safety criterion, which can take into account the characteristics of the blasting seismic wave and the masonry structure, in order to provide a theoretical support for the rational and safe blasting construction of the rail traffic.

随着我国轨道交通的高速发展，轨道交通施工时爆破地震波引起的砌体建筑开裂损坏问题，严重影响到居民生活和社会稳定。大量工程实践表明，即使按照现有规程进行爆破施工有时仍会引起建筑的破坏。这是由于轨道交通爆破地震波传播受到多种因素影响，以及砌体结构动力响应的复杂性共同造成的。开展轨道交通爆破地震波引起的砌体建筑动力响应及安全判据研究，属于结构动力学和砌体工程交叉学科的前沿问题。本项目首先通过对轨道交通爆破地震波进行监测并进行信号分析，研究爆破地震波传播规律及频谱与能量特征。在此基础上使用动力有限元分析结合实地监测的方法，融合申请人前期的研究成果，阐明轨道交通爆破地震波三要素即幅值、频率和持续时间对砌体结构的动力响应的具体影响。然后通过分析滞回耗能与最大瞬时输入能量的方法，建立全面考虑砌轨道交通爆破地震波特性和砌体结构特性的多因素综合安全判据，为轨道交通爆破施工的合理性与安全性提供理论依。

在国内外学者研究的基础上，基于现场实验、理论分析和数值模拟的方法，对轨道交通爆破施工引起的砌体建筑动力响应和安全判据进行了系统研究。其主要成果如下：.（1）对重庆市轨道交通环线沙正街站的爆破施工、重庆大学B区操场地下车库爆破施工进行了爆破振动现场实验。获得了关于爆破地震波在地面的振动传播特性、砌体建筑各楼层在爆破作用下动力响应的大量数据。.（2）建立了爆破震动近区、中区、远区及总场地内振动峰值和主频的衰减模型。研究了轨道交通爆破地震波信号沿各震动分区的频谱及能量分布特征。分析了爆破安全单一评价指标的不足，建议应从能量的角度综合考虑。 .（3）建立了砌体结构动力分析所用的计算模型。研究建立了一种适用于砌体结构动力分析的新的计算模型—“多重扇形单元模型”。实验对比表明，这种模型的计算精度较好，而且它的计算效率较高，非常适合用于砌体结构在动力作用下的性能分析，特别是针对平面和立面都很不规则的结构。.（4）对爆破地震波作用下的砌体结构动力响应开展了研究。将爆破地震波分成了“近区”和“中远区”两大类，将爆破地震波特征分成了“结构无关”与“结构相关”两种主要类型，使用前期构建的砌体结构非线性动力分析模型进行了大量动力时程分析。根据非线性动力分析得到的砌体结构爆破振动下的“工程需求参数”，分析爆破地震波各特征参数与砌体结构最大响应的联系。结果表明在几十个爆破地震波特征参数中，速度反应谱相关值(VSI)最能反映爆破地震波与砌体结构的损伤的关系，是较好的评价参数。.（5）对多层无筋砌体结构、配筋砌体和约束砌体的爆破地震动力响应展开了研究。在动力分析软件OpenSees中植入研究人开发的砌体非线性单元，对三种不同类型的砌体结构的爆破地震动力响应进行了对比。结果表明配筋砌体和约束砌体在爆破地震波作用下振动的位移、速度幅值、振动持续时间有明显下降，平面内的整体性提高，应力下降，同时平面外破坏的可能性显著降低。