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【摘 要】随着城市交通事业的迅速发展，大量地铁、隧道的开挖爆破不可避免的对地面的建筑物造成损害，注意到爆破振动破坏效应不仅与地表面振动强度参数有关（速度、加速度和位移），同时与爆破地震波频率及持时有较大的相关性， 爆破振动破坏效应是结构体动态破坏问题，其对结构体的破坏应作为一个动力响应过程来分析，基于以上问题，借助有限元软件ANSYS对在爆破地震波作用下的框架结构进行动力时程分析，并与天然地震波EI波下的动力响应进行比较得出相应的结论。
【关键词】城市隧道；爆破振动；ANSYS；框架结构；时程分析
Time history analysis of frame structure subjected to blasting seismic waves
Jang Shan-shan 1，Wang Wei 2，Chen Ji-cun 2，Yang Ya-kun 3
（1.Dong Lu， Shandong Institute of Architectural Design Co.， Ltd. Weihai Shandong 264200；
2.Architectural Design Co.， Ltd. Weihai Kai was Weihai Shandong 264200；
3.Zhengzhou Coal Corporation Zhengzhou Henan 452477）
【Abstract】With the rapid development of urban transport， the vast blasting of subway and tunnel inevitable make damage to the structures above the ground， notice that the effect of blasting vibration is not only related to the strength parameters of the ground surface vibration， but also related to the frequency and the duration of the blasting vibration wave， the effect of the blasting vibration is a dynamic process， it should be researched as a dynamic response. Based on the above question， a time-history numerical analysis of a frame structure subjected to blasting seismic excitation is set up through the ANSYS program. At last， the obtained dynamic response is compared with its counterpart of EI seismic wave.
【Key words】City tunnel；Blasting vibration；ANSYS；Frame structure；Time-history analysis
1. 前言
（1）城市地下工程在很大程度上是以城市地铁这种解决城市交通为目的项目存在和发展起来的， 如日本东京地铁、德国黑兰地铁、英国伦敦地铁等就是世界主要也是较为出名的城市地下工程， 我国的地铁主要以广州、上海、天津和北京为代表， 这几年来， 各大中城市， 如南京、沈阳、深圳、重庆和西安等也相继在建或将建城市地铁项目， 可以说这一现象方兴未艾， 因为它能有效缓解城市拥挤甚至是瘫痪的交通。近几年来， 城市地铁的相继修建， 各行业对地下空间的相继开发， 必然存在重复开挖的现象， 对地面的干扰较大， 影响城市地面人们的生活。
图1 双线性等向硬化模型中应力——应变曲线
（2）爆破震动造成的破坏则是城市地下空间发展中无法避免的公害，隧道地铁的开挖都会伴随着爆破震动，因爆破地震动造成建筑结构失稳、开裂和变形等工程危害时有发生。由于爆破作用的特殊性和复杂性，现有文献在爆破地震波对周边建筑的影响方面的探讨绝大部分为定性分析或实验分析，缺乏理论计算研究 。
（3）目前，以试验结果为依托，采用有限元分析手段，对爆破地震波对建筑结构的影响进行数值模拟成为爆破振动研究的一个热点。依托于一些大型有限元软件，如ANSYS、LS-DYNA、ABAQUS等对结构进行建模，把振动作为动力荷载施加给结构，研究振动作用下结构的应力分布、最大变形、速度响应等，可以较理想的实现对结构破坏效应的分析与预测。本文借助通用有限元软件ANSYS对一钢筋混凝土框架结构进行爆破地震动时程分析，并与其在天然地震动下进行比较，分析其在位移响应的差别。
图2 结构平面布置图
2. 本构模型
（1）本文的弹塑性本构模型采用服从von Mises屈服和相关联流动规则的双线性随动强化模型。图1为双线性随动强化模型中应力——应变曲线。
（2）在ANSYS中双线性随动强化模型（BKIN）采用Mises屈服准则和随动强化准则，以两条直线段描述材料的应力——应变关系。通过弹性模量、屈服应力和切线模量定义应力应变关系曲线，切线模量不能小于零，也不能大于弹性模量。
3. 有限元模型的建立
3.1 工程概况。
本工程位于II类场地，为典型钢筋混凝土的框架结构，层高3.6m，共 12层。结构平面布置图见图2。本工程楼板为现浇楼板，各构件截面尺寸见表1。 3.2 ANSYS有限元模型的建立。
本文采用通用有限元计算软件ANSYS进行分析，结构主要由框架梁、柱和楼板组成。楼板采用SHELL63单元模拟，梁柱采用BEAM188单元模拟，框架结构有限元模型总共有8492个单元，9591个节点，底部采用刚性约束。计算时采用刚性楼板假定，平面坐标轴X、Y如图所示，竖向坐标轴Z为结构高度方向，模型如图3所示。
图3 ANSYS模型图
图4 EI Centro地震波
图5 实测爆破地震波
4. 工况的选取
（1）将实测的爆破震动加速度时程曲线（爆破地震波）和调整后的多遇常规地震加速度时程曲线（EL-Centro地震波）分别沿短边方向（y向）输入建立的ANSYS有限元模型，对结构进行弹性时程分析。
（2）天然地震波选取EI Centro（1940NS）将峰值加速度值调整为35ga1，以模拟烈度为7度时的多遇地震作用，时间间隔根据试验研究的记录数据为0.02s，输入地震波持时为0～12S（8.5T）。EI波如图4所示。
（3）爆破波选用图5所示的一组实测的典型爆破地震波。
5. 时程响应分析
阻尼采用瑞雷阻尼模型利用通用有限元软件ANSYS对上述结构
作天然地震波和实测爆破地震波作用下的动力反应时程分析，所得的结果如图6、图7。
（1）比较两种震动条件下结构的反应，楼层的最大位移均随着层数的增加而逐步增大。EL-Centro地震波作用下的结构的楼层位移远大于爆破地震波相结构的楼层位移，爆破震动作用下的楼层顶点位移随楼层变化的曲线相更加陡峭，表明爆破震动作用下的楼层顶点的最大位移随楼层的增长幅度较小。
（2）爆破地震波作用下结构的层间位移角随着楼层的增大而逐渐减小，爆破震动作用下底层的层间位移和层间位移角均最大， EL-Centro地震波作用下结构的层间位移先增大后减小，在三层处层间位移角最大。两种震动情况下，爆破地震波作用下的层间位移远小于EL-Centro地震波作用下的层间位移。从层间位移角来看，爆破地震波作用下结构的的底层为薄弱楼层，二层次之。EL-Centro地震波作用下结构的三层为最薄弱楼层，二层四层次之。
（3）由图8、9可以看到在地震波持时内顶点的位移响应强烈，而在爆破波持时内顶点位移响应较平缓，因此不会引起结构的破坏。
6. 结论
（1）通过采用ANSYS有限元软件对结构输入爆破震动反应谱进行动力分析，得到了结构的位移反应值，并与天然地震条件下的
结构动力反应进行比较，发现虽然爆破震动的地面峰值加速度与抗震设防烈度对应的地面加速度大得多，但通过分析，引起的结构的动力反应值却小得多。
（2）在爆破震动作用下该框架结构的位移和内力的分布及变化规律与天然地震作用下相似，但薄弱部位不同，爆破震动作用下建筑结构的薄弱楼层发生在底层，天然地震动作用下发生在三层，在爆破安全度评估中必须引起重视。
（3）爆破地震波作用下结构的位移反应随着时间变化是迟缓的，说明结构没有引起激烈的震动反应，结构的自振频率与所输入的爆破震动激励主频率差别较大。EI-Centro地震波作用下结构的位移反应随时间变化是快速的，说明结构的自振频率与所输入的地震激励主频较为相近。爆破震动作用下结构的反应不仅与爆破震动激励的特性有关，同时也与结构的固有属性有很大关系。
参考文献
[1] 刘满堂，陈庚寿.建筑结构对爆破地震的动力响应特性研究.[J]爆破学报，2005，22（4）：23～28.
[2] 张宇旭. 爆破地震波作用下底层框架砌体结构的弹塑性时程分析[J].四川建筑科学研究，2010，36（1）：151～154.
[3] 姜德义，侯亚彬，任松等城市大跨度隧道爆破对地面建筑物影响的研究[J].中国安全科学学报，2008，18（7）：99～104.
[4] 王济，胡晓。MATLAB在振动信号处理中的应用[M]，中国水利水电出版社，2006.
[5] 钱胜国，陈玲玲，吴新霞等.爆破地震工程结构动力分析[M].中国水利水电出版社，2006.
[6] 郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].中国水利水电出版社，2005.
【关键词】城市隧道；爆破振动；ANSYS；框架结构；时程分析
Time history analysis of frame structure subjected to blasting seismic waves
Jang Shan-shan 1，Wang Wei 2，Chen Ji-cun 2，Yang Ya-kun 3
（1.Dong Lu， Shandong Institute of Architectural Design Co.， Ltd. Weihai Shandong 264200；
2.Architectural Design Co.， Ltd. Weihai Kai was Weihai Shandong 264200；
3.Zhengzhou Coal Corporation Zhengzhou Henan 452477）
【Abstract】With the rapid development of urban transport， the vast blasting of subway and tunnel inevitable make damage to the structures above the ground， notice that the effect of blasting vibration is not only related to the strength parameters of the ground surface vibration， but also related to the frequency and the duration of the blasting vibration wave， the effect of the blasting vibration is a dynamic process， it should be researched as a dynamic response. Based on the above question， a time-history numerical analysis of a frame structure subjected to blasting seismic excitation is set up through the ANSYS program. At last， the obtained dynamic response is compared with its counterpart of EI seismic wave.
【Key words】City tunnel；Blasting vibration；ANSYS；Frame structure；Time-history analysis
1. 前言
（1）城市地下工程在很大程度上是以城市地铁这种解决城市交通为目的项目存在和发展起来的， 如日本东京地铁、德国黑兰地铁、英国伦敦地铁等就是世界主要也是较为出名的城市地下工程， 我国的地铁主要以广州、上海、天津和北京为代表， 这几年来， 各大中城市， 如南京、沈阳、深圳、重庆和西安等也相继在建或将建城市地铁项目， 可以说这一现象方兴未艾， 因为它能有效缓解城市拥挤甚至是瘫痪的交通。近几年来， 城市地铁的相继修建， 各行业对地下空间的相继开发， 必然存在重复开挖的现象， 对地面的干扰较大， 影响城市地面人们的生活。
图1 双线性等向硬化模型中应力——应变曲线
（2）爆破震动造成的破坏则是城市地下空间发展中无法避免的公害，隧道地铁的开挖都会伴随着爆破震动，因爆破地震动造成建筑结构失稳、开裂和变形等工程危害时有发生。由于爆破作用的特殊性和复杂性，现有文献在爆破地震波对周边建筑的影响方面的探讨绝大部分为定性分析或实验分析，缺乏理论计算研究 。
（3）目前，以试验结果为依托，采用有限元分析手段，对爆破地震波对建筑结构的影响进行数值模拟成为爆破振动研究的一个热点。依托于一些大型有限元软件，如ANSYS、LS-DYNA、ABAQUS等对结构进行建模，把振动作为动力荷载施加给结构，研究振动作用下结构的应力分布、最大变形、速度响应等，可以较理想的实现对结构破坏效应的分析与预测。本文借助通用有限元软件ANSYS对一钢筋混凝土框架结构进行爆破地震动时程分析，并与其在天然地震动下进行比较，分析其在位移响应的差别。
图2 结构平面布置图
2. 本构模型
（1）本文的弹塑性本构模型采用服从von Mises屈服和相关联流动规则的双线性随动强化模型。图1为双线性随动强化模型中应力——应变曲线。
（2）在ANSYS中双线性随动强化模型（BKIN）采用Mises屈服准则和随动强化准则，以两条直线段描述材料的应力——应变关系。通过弹性模量、屈服应力和切线模量定义应力应变关系曲线，切线模量不能小于零，也不能大于弹性模量。
3. 有限元模型的建立
3.1 工程概况。
本工程位于II类场地，为典型钢筋混凝土的框架结构，层高3.6m，共 12层。结构平面布置图见图2。本工程楼板为现浇楼板，各构件截面尺寸见表1。 3.2 ANSYS有限元模型的建立。
本文采用通用有限元计算软件ANSYS进行分析，结构主要由框架梁、柱和楼板组成。楼板采用SHELL63单元模拟，梁柱采用BEAM188单元模拟，框架结构有限元模型总共有8492个单元，9591个节点，底部采用刚性约束。计算时采用刚性楼板假定，平面坐标轴X、Y如图所示，竖向坐标轴Z为结构高度方向，模型如图3所示。
图3 ANSYS模型图
图4 EI Centro地震波
图5 实测爆破地震波
4. 工况的选取
（1）将实测的爆破震动加速度时程曲线（爆破地震波）和调整后的多遇常规地震加速度时程曲线（EL-Centro地震波）分别沿短边方向（y向）输入建立的ANSYS有限元模型，对结构进行弹性时程分析。
（2）天然地震波选取EI Centro（1940NS）将峰值加速度值调整为35ga1，以模拟烈度为7度时的多遇地震作用，时间间隔根据试验研究的记录数据为0.02s，输入地震波持时为0～12S（8.5T）。EI波如图4所示。
（3）爆破波选用图5所示的一组实测的典型爆破地震波。
5. 时程响应分析
阻尼采用瑞雷阻尼模型利用通用有限元软件ANSYS对上述结构
作天然地震波和实测爆破地震波作用下的动力反应时程分析，所得的结果如图6、图7。
（1）比较两种震动条件下结构的反应，楼层的最大位移均随着层数的增加而逐步增大。EL-Centro地震波作用下的结构的楼层位移远大于爆破地震波相结构的楼层位移，爆破震动作用下的楼层顶点位移随楼层变化的曲线相更加陡峭，表明爆破震动作用下的楼层顶点的最大位移随楼层的增长幅度较小。
（2）爆破地震波作用下结构的层间位移角随着楼层的增大而逐渐减小，爆破震动作用下底层的层间位移和层间位移角均最大， EL-Centro地震波作用下结构的层间位移先增大后减小，在三层处层间位移角最大。两种震动情况下，爆破地震波作用下的层间位移远小于EL-Centro地震波作用下的层间位移。从层间位移角来看，爆破地震波作用下结构的的底层为薄弱楼层，二层次之。EL-Centro地震波作用下结构的三层为最薄弱楼层，二层四层次之。
（3）由图8、9可以看到在地震波持时内顶点的位移响应强烈，而在爆破波持时内顶点位移响应较平缓，因此不会引起结构的破坏。
6. 结论
（1）通过采用ANSYS有限元软件对结构输入爆破震动反应谱进行动力分析，得到了结构的位移反应值，并与天然地震条件下的
结构动力反应进行比较，发现虽然爆破震动的地面峰值加速度与抗震设防烈度对应的地面加速度大得多，但通过分析，引起的结构的动力反应值却小得多。
（2）在爆破震动作用下该框架结构的位移和内力的分布及变化规律与天然地震作用下相似，但薄弱部位不同，爆破震动作用下建筑结构的薄弱楼层发生在底层，天然地震动作用下发生在三层，在爆破安全度评估中必须引起重视。
（3）爆破地震波作用下结构的位移反应随着时间变化是迟缓的，说明结构没有引起激烈的震动反应，结构的自振频率与所输入的爆破震动激励主频率差别较大。EI-Centro地震波作用下结构的位移反应随时间变化是快速的，说明结构的自振频率与所输入的地震激励主频较为相近。爆破震动作用下结构的反应不仅与爆破震动激励的特性有关，同时也与结构的固有属性有很大关系。
参考文献
[1] 刘满堂，陈庚寿.建筑结构对爆破地震的动力响应特性研究.[J]爆破学报，2005，22（4）：23～28.
[2] 张宇旭. 爆破地震波作用下底层框架砌体结构的弹塑性时程分析[J].四川建筑科学研究，2010，36（1）：151～154.
[3] 姜德义，侯亚彬，任松等城市大跨度隧道爆破对地面建筑物影响的研究[J].中国安全科学学报，2008，18（7）：99～104.
[4] 王济，胡晓。MATLAB在振动信号处理中的应用[M]，中国水利水电出版社，2006.
[5] 钱胜国，陈玲玲，吴新霞等.爆破地震工程结构动力分析[M].中国水利水电出版社，2006.
[6] 郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].中国水利水电出版社，2005.