爆破地震波作用下底层框架砌体结构的弹塑性时程分析
2021-02-28
来源:星星旅游
第36卷第1期 四川建筑科学研究 Sichuan Building Science 15l 2010年2月 爆破地震波作用下底层框架砌体结构的弹塑性 时程分析 张宇旭 (黄石理工学院,湖北黄石摘435003) 要:针对爆破地震波作用下建筑结构的安全评估问题,提出了利用弹塑性时程分析方法全面评估爆破地震波的安全度。 通过合理选择框架砌体结构的计算模型和数值计算方法,对一在爆破地震波作用下的5层底层框架砌体结构进行了弹塑性时 程算例分析,并将其与构造地震波作用下结构的动力反应进行了对比,全面评估了其安全性。 关键词:爆炸力学;爆破地震波;框架砌体结构;安全评估;弹塑性时程分析 中图分类号:0383.2;TU973.31;TU398.5 文献标识码:A 文章编号:1008—1933(2010)O1—151—04 Elasto-plastic time history analysis of hybrid masonry-frame structure SUbjected to blasting seismic waves ZHANG Yuxu (Huangshi Institute of Technology,Huangshi 435003,China) Abstract:According to safety assessment of structures subjected to blasting—induced ground excitation,a time history analysis method was proposed to assess safety of blasting seismic waves.A elasto—plastic time—history numerical analysis of a five—story hybrid masonry— frame structure subjected to blasting seismic excitation is set up through adopting the numeircal model of hybrid stucrture and computation method appropriately.At last,the obtained dynamic response is compared with its counterpart of tectonic seismic wave,and the safety assessment is also made based on these results and analyses. Key words:mechanics of explosion;blasting seismic waves;hybrid masonry-frame structure;safety assessment;elsto—plastaic time- history analysis 0 引 言 爆破产生的地震效应对周边建筑的承载能力及 其稳定性有着极大的影响,建筑结构在爆破地震波 能发生破坏(损伤)的爆破周边结构进行理论分析 和安全评估 ,才能准确判断爆破地震作用下结构 的动力响应,全面评价该爆破地震波的安全度。 作用下的安全评估一直是人们密切关注的问题 。 虽然GB6722—2003((爆破安全规程》 对不同类型 的结构规定了考虑爆破地震波主振频率的质点峰值 安全地面振动速度标准,但由于结构个体的差异,如 1 钢筋混凝土底层框架结构的非线 性模型 底部框架砌体结构在地震波作用下产生破坏的 主要原因是:上部各层纵横墙较密,它不仅重量大, 结构设计中的抗震等级、安全储备、结构的损伤等因 素的影响,当振动速度接近或达到地面安全振动速 度标准时,结构的动力反应有较大差异,有的结构可 而且侧向刚度也大。底部承重结构为框架,其侧向 刚度比上层小得多,这样,就形成了“底部柔,上层 刚”的结构体系。这种刚度急剧变化,使结构侧向 变形集中发生于相对薄弱的底部,形成薄弱层。当 地震发生时,薄弱层底部框架将会发生严重破坏。 能已发生破坏。因此,爆破作用致使周边结构发生 破坏(损伤)的情况时有发生 引。 另外,现有的结构设计均已构造地震作用为设 计依据,按抗震规范设防,然而,爆破地震与构造地 震存在很大差异,因此,只有利用时程分析方法对可 在对底部框架砌体结构进行地震波作用下动力分析 时,下部的钢筋混凝土底部框架本构关系应按弹塑 性进行分析,而上部的砌体结构可按线弹性分析。 由于底层框架砌体结构在水平地震作用下表现 收稿日期:2oo8 5_22 为以整体剪切变形为主的形态,因此,可以用层间剪 切模型来作为结构的计算模型。对剪力与层问位移 作者简介:张宇旭(1979一),男,湖北黄梅人,硕士,讲师,主要从事 岩土工程爆破的教学和科研。 E—mail:zhangyxsun@163.com _关系选用三线型刚度退化恢复力模型 j,这种模型 152 四川建筑科学研究 第36卷 采用三折线骨架曲线,能够反映钢筋混凝土材料在 加载过程中由混凝土开裂一裂缝增多展开一钢筋屈 服(塑性铰产生)一混凝土压坏的过程。其次它考 虑了刚度退化的效应,因此能反映在卸载时裂缝不 闭合引起的截面削弱和钢筋的Bauschinger效应、裂 缝展开与闭合引起的混凝土的破坏和钢筋与混凝土 在反复荷载下的滑动等现象。 此恢复力模型由骨架曲线、滞回曲线两部分组 成。骨架曲线包括开裂点、屈服点、极限点等界点。 滞回曲线由最大变形点指向和刚度退化规律加以规 定,设[ 。]为钢筋混凝土框架处于弹性阶段的层刚 度矩阵,则退化刚度矩阵为Ol[后。]。 Ol=2A (Ant-An) (1) 式中 ay为框架层屈服位移;Am为曾到达过正方 向最大位移,未屈服前取ay;An为曾到达过负方向 最小位移,未屈服前取一△y。 采用这种模型,在动力计算开始计算之前,要存 贮骨架界点值,在计算过程中,要存贮正反向曾经经 历过的变形最大值和损伤值,并且在计算过程中还 要设定一个状态变量,以反映层间的反应值在恢复 力模型中的位置。具体刚度修正方法如下: (1)当相邻时刻变形斜率不发生变化时,通过 变形方向判定本部变形绝对值是否超过同方向历史 最大变形绝对值。当超过时,则加载点必须在骨架 曲线上,此时可将本部积累变形值和骨架曲线界点 变形值相比较,超过界点值时,改变形态标识符同时 修正刚度,不超过界点值时,不修正刚度。当不超过 历史最大变形值时,应进一步判明相邻时刻内力是 否反号,反号时,则修正刚度,否则不修正刚度。 (2)当相邻时刻斜率发生变化时,此时,取卸载 段退化刚度作为本步刚度值。 2砌体结构层模型的侧移刚度 在砌体结构中,与水平爆破地震方向平行的墙 体是主要承担爆破地震作用的构件,这类墙体往往 因为主拉应力不足而引起斜裂缝破坏。由于水平爆 破地震往复作用,两个方向的斜裂缝组成交叉型裂 缝,与水平爆破地震方向平行的墙体所承受的动力 反应是一个评判结构安全度的重要标准。因此,本 文主要考虑水平爆破地震波作用下,地震波方向与 砌体房屋横向平行时结构的动力反应,此时为砌体 结构的最不利受力情况。 对于砌体结构的动力时程分析,考虑到实际结 构的复杂性,本文采用层模型进行分析计算。砌体 墙体的层间侧移刚度计算分为无洞墙体和有洞墙体 两种情况,计算如下。 (1)无洞墙体侧移刚度计算 当h/b<1时,侧移刚度为: B=坐3p (2) 当1≤h/b≤4时,需同时考虑剪切变形和弯曲 变形的影响,侧移刚度为: k: (3) 3p p L 式中P=孚,b,t,E分别为墙宽、墙厚和砌体弹性 模量。 (2)有洞墙体侧移刚度计算 当一片墙上开有规则洞口时,其侧移刚度为: 1 k =÷ (4) ∑ i 由于窗洞上、下的水平墙带因其高宽比h/b< 1,故应按式(2)计算其侧移刚度;而窗间墙可视为 上、下嵌固的墙肢,应根据其高宽比数值,按式(2) 或式(4)计算其侧移刚度,即: 对水平实心墙带 F k。= (i=1,3) (5) api 对窗间墙 i=∑ki (i=2) (6) 对于具有多道水平实心墙带的墙,由于其高宽 比P<1,不考虑弯曲变形的影响,故可将各水平心 墙带的高度加在一起,一次算出它们的侧移刚度及 其侧移数值。 3动力方程数值解法基本原理 爆破地震作用一般都为短时非平稳随机过程, 其时程记录很难解析表达,因此在进行结构爆破地 震反应时,所采用的数值解法为离散化的逐步积分 控制法。本文所采用的逐步积分控制法为Wilson一0 法 ],即一种无条件收敛的线性加速度方法。用这 种方法对结构的爆破地震反应进行时程分析时,其 基本要点是:在线性加速度法的基础上将△£延伸到 AOt,求出相应于OAt的 (OAt),然后,除以0得到 对应于的△£的 (£),该方法在0>i1.37时,是无条 件收敛。砌体结构在爆破地震波作用下的动力方程 为: [ ]{ }+[C]{ }+[K]{ }=一[M]{X (t)} (7) 式中 { },{ },{ }分别为底层框架砌体结构的 整体层位移向量、速度向量和加速度向量;[ ]为质 张字旭:爆破地震波作用下底层框架砌体结构的弹塑性时程分析 153 量矩阵,在层模型中,[ ]为一S×S的对角矩阵,S 墙交接处设钢筋混凝土构造柱,砖的强度等级为 为结构的总层数;[K]为底层框架砌体结构的整体 MU7.5,混合砂浆强度等级:2层M5,3—6层为 M2.5;设防烈度7度。爆破地震波加速度时程如图 2所示。 抗侧移刚度矩阵,按层模型计算;一[ ]{ }为地 震作用向量;[C(t)] 为粘滞阻尼系数矩阵,本文 采用Rayleign阻尼。 根据Wilson一0法的基本假定,可将式(1)变换 为拟静力方程: [ ]{ } t+-r={P}… (8) 其中: ‘ [ ]= [ ]十 [C]+[K] (9) 丁 ” {P} =_[ ]0/ }X I l+At+[ ]( q- +3{ } )+[C](3{引 +÷{ } )(10) 解方程(1O)可求得t+ 时刻位移增量,并继而 求得t+ 时刻的加速度增量,根据Wilson一0法的基 本假定,由加速度插值求得 +△£时刻的加速度增 量后,就可以依次求得t+△£时刻的位移、速度、加 速度和恢复力、阻尼力向量、粘弹性力向量。 运用上述的Wilson一0法,可对水平爆破地震作 用下的砌体结构进行时程分析,求解运动方程,得到 结构在分析时间内每一时刻的爆破地震反应。 4数值算例分析 4.1 基本概况 某5层底层框架砌体结构的平面如图1所示。 底层层高4.2 131,其他各层层高3.6 m。楼盖和屋盖 采用预制钢筋混凝土空心板,横墙承重。底层各柱 截面为450 mm×450 mm,混凝土强度等级为C20, 窗洞尺寸为1.5 in×1.8 m,房门门洞尺寸为1.0 m ×2.5 nl,走道门洞尺寸为1.5 1TI×2.5 in,墙的厚度 均240 mm。窗下墙高度1.00 m,窗上墙高度为0.8O in。楼面恒载3.10 kN/m ,活载1.5 kN/m。;屋面恒 载5.35 kN/m ,雪载0.3 kN/m 。上层外纵墙与横 g 寸 \. / \ . \ \. 1/ , / , I、 33∞ 3300 .3300 3300 3300 l6500 图1 底部框架砌体结构底层平面 Fig.1 The first plan of hybrid masonry-frame 鼍 型 0 0 O5 0 1 0.15 0 2 0 25 时间/S 图2爆破地震波加速度时程曲线 Fig.2 The acceleration time history curve of blasting seismic waves 4.2计算结果与分析 利用本文方法对上述结构进行了动力反应时程 分析,各层最大位移如图3所示,底层位移时程曲线 如图4所示,顶层位移时程曲线如图5所示。爆破 地震波作用下,结构动力反应的最大值与按结构设 防烈度计算(常规地震作用下,结构的地震反应按 底部剪力法计算)的结构反应比较见表1。可以看 到:爆破地震波的最大加速度远大于房屋结构设防 烈度罕遇地震的加速度值,但由于作用时间短,动力 反应比常规地震反应要小。 0 0.2 0.4 0 6 水平位移,廿Ⅱn 图3各层最大位移 Fig.3 The peak displacement of each story : 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 时间/s 图4底层位移时程曲线 Fig.4 The displacement time history curre of ifrst story 154 四川建筑科学研究 第36卷 0 3 比常规地震大得多,但其引起的结构动力反应却不 0.2 是很大。因此,只有对其进行时程分析,才能对其安 0.1 1 0 全度进行全面评估。 、 蹬-0.1 (2)由于爆破地震波的特点,其所引起的结构 d 衄 0.2 底层层问位移通常较大,特别是对于上刚下柔的底 群.0.3 部框架砌体结构,这种特性尤为明显,因此,在安全 O・4 评估中必须引起重视。 .0.5 参考文献: 图5顶层位移时程曲线 [】]娄建武,龙源,方向,等.基于反应谱值分析的爆破震动 Fig.5 The displacement time history curve of top story 破坏评估研究[J].爆炸与冲击,2003,23(1):4146. 表1 结构爆破地震反应与构造地震反应比较 余永强,文广超.地铁隧道爆破开挖对地表建筑物的影响 Table 1 The response comparison between blasting seismic [J].辽宁工程技术大学学报,2007,26(6):871-873. 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(上接第150页) 加长到最终的2.258 S,高阶振型的周期也有增大, 3 结 论 但幅度不及一阶振型。这说明结构进入塑性阶段 本文将框架结构简化为串联多自由度体系,按 后,动力学特征与弹性阶段相比,发生了明显的变 照规范规定的反应谱方法计算地震影响系数和各楼 化,不应再按弹性情形计算。 层上的水平地震作用。这些作用被作为节点侧向荷 分析结果显示:与第一振型对应的基底剪力Q 载加到框架有限元分析模型上,分级加载(考虑由 随加载系数 的增加而减小,顶层位移则随 的增 于结构刚度的改变引起的自振周期和地震影响系数 加而加大。表1为初始屈服发生时的荷载大小。本 的变化)进行弹塑性计算,从而得到地震作用下的 例分析结果显示,底层柱最先发生初始屈服。由此 内力分布和变形。由此可方便地判定结构在地震作 可判断这层的柱发生初始屈服的先后顺序如图5所 用下的薄弱部位及其出现的次序,它弥补了传统静 示,从而为其抗震设计提供参考。 表1初始屈服发生的次序 力线性分析方法(如底部剪力法)的不足,大大减少 Table 1 Initial yielding order 了设计者的计算工作量,为抗震设计提供了可靠依 壁呈 兰 ! 1 据。 8 0.540 0.541 0.557 0.566 0.568 0.581 0.582 0.605 0.606 参考文献: [1]龚思礼.建筑结构抗震设计手册[M].北京:中国建筑工业出 版社,2002. [2]孙焕纯,曲乃泗,林家浩.高等计算结构动力学[M].沈阳:大 6 7 连理工大学出版社,1991. 8 9 [3]杨溥,等.结构弹塑性静力分析(Push—over)方法的改进[J]. L - 3 2 5 建筑结构学报,2000,21(1):44-51. 图5底层柱初始屈服顺序 Fig.5 The initial yielding order of the bottom column