关键词： 动力反应； 爆破拆除； 震害分析； 抗震设计；
Keyword: dynamic response; blasting demolition; seismic hazard analysis; seismic design;
地震是最难防范的、无规律可循和无法抗拒的自然灾害， 严重威胁着老百姓的生命安全， 同时影响国家经济的发展。我国地处太平洋板块与印度板块的地震断裂带之间， 发生的地震频较度高、范围较广、地震烈度较大， 因此， 开展房屋建筑工程防震减灾技术研究的意义重大[1].地震是一个复杂的动力学问题， 产生的振动与冲击危害， 具有隐蔽性、随机性、突发性和不可预测性。此外， 在城市建筑工程的改造中， 废弃建筑物和构筑物的拆除工程常采用爆破拆除技术， 该技术虽已广泛地应用， 但事故仍时有发生[2], 为了减轻爆破拆除和地震产生的动力荷载带来的工程灾害， 必须要充分重视工程结构的动力响应和破坏原因。
1、 爆破拆除工程的动力反应
随着中国现代化的发展， 城市现代化改造步伐的加快， 老旧建筑物的爆破拆除工作越来越普遍。资料显示， 在拆除工程中发生的安全事故占全国建筑类重大事故总数的四分之一， 爆破拆除工程的安全管理和技术提升刻不容缓[3].针对建筑物爆破过程中产生的动力反应， 选取不同的案例进行了分析。
1.1、 爆破拆除的振动实验分析
在工程结构爆破实验中， 采用拾振器实验测量观测， 对控制截面的剪力和弯曲动应变进行分阶段测试。测量钢筋混凝土结构爆破时， 在动力荷载加至1万次、5万次、10万次、20万次、50万次、100万次、200万次时分别进行实验。在拆除爆破强度的实验观测中， 借助于传感器对动力荷载产生的裂缝宽度， 进行拾振器检测。结果表明， 拾振器实验测量动力荷载的弯曲应变时， 钢筋混凝土建筑结构的2/3处梁与柱应变较小， 钢筋混凝土建筑结构的强度最顶层的1/3处， 弯曲变形最大。爆破荷载的应力时程关系是爆破拆除工程常用动力荷载的输入。动力荷载的输入， 可得到不同时间步长和空间步距， 产生振动曲线呈现出了一定的比例关系。
根据以上实验， 论述了在钢筋混凝土结构拆除爆破时， 突加动力荷载使工程结构产生各种动力反应， 如内力、位移、时间、速度、惯性力和冲击波等。运动方程公式为：
式中：ζ为阻尼系数；ω为自振频率；y （t） 为位移。
由公式 （1） 知， 建筑结构在拆除爆破动荷载作用下， 随时间产生内力和位移是不断变化的。动力反应特性自振周期T公式：
结构的自振频率ω是爆破工程中需考虑重要因素之一。自振频率反应结构自身的振动特征， 与动力荷载无关， 仅与结构的刚度和质量有关。
研究表明， 爆破振动的速度响应可以作为结构安全评判的合理指标。爆破振动速度设计多个变量， 受多种因素的影响。萨道夫斯基经验公式：
式中：V为爆破引起的振动速度；K为因素影响系数；Q为炸药量；R为距离。
结合监测数据， 进行最小二乘法的一元线性回归分析， 得到场地振动速度峰值的衰减公式：
对常见的3种不同的结构形式， 即框架结构、框架剪力墙结构和框架筒体结构， 比较爆破地震波对不同结构形式的高层建筑结构动力影响的异同， 得到以下初步结论：在爆破地震波的作用下， 结构的动力反应以水平振动为主， 水平方向的动力响应远远大于垂直方向的动力响应。结构顶层的位移反应最大， 随着楼层的降低， 其响应降低；最大速度响应和最大加速度响应在结构底部发生突变， 响应的最大值出现在结构底部附近。对不同结构的响应， 利用速度响应作为结构安全评判的标准更加合理。在相同爆破地震波作用下， 由于结构形式不同， 结构动力特征不同， 动力响应也有较大差异。
1.2、 爆破拆除实例分析
某电厂起爆120 m烟囱， 在烟囱倒塌过程中， 烟道口处的应力集中会对支撑体强度和倒塌方向产生影响[4].烟囱倒塌瞬间， 产生了剧烈的振动与冲击。某大学的一幢钢筋混凝土大楼实施定向爆破过程中， 该大楼西侧面突然发生振动与坍塌， 垮塌面积约1 800 m2.
科学技术人员着重分析爆破切口高度的确定方法、爆破参数的选取原则、起爆网路的设计、预处理方法， 以及爆破振动、塌落振动和爆破飞石的防控措施[5].拆除爆破也是典型的地震， 拆除爆破的震动往往与地震不一样。地震时， 如果产生均匀摇动中的建筑并不一定倒塌， 但如果遇到拆除爆破的突发、集中的应力产生的动力反应易导致建筑物倒塌， 破碎分子间产生的随机相互振动十分剧烈， 易造成事故的发生， 也将导致相邻的钢筋混凝土建筑物发生失稳。因此， 科学布设爆炸点， 合理控制爆破的动力响应， 才能更安全的进行爆破作业。
2、 地震震害及防震减灾分析
7.0级或8.0级强震的发生会给人们的生命和财产带来巨大损失， 震区的建筑物受损严重。深入调查研究灾区不同结构类型的建筑物震害破坏特点， 为今后建筑物抗震研究提供依据。
2.1、 砖混结构的震害分析
地震中破坏的砖混结构， 在结构形式、传力途径和连接构造等方面存在严重问题。以地震中倒塌的教学楼为例进行分析。从结构形式方面看， 该教学楼是由独立大跨度部分和悬臂部分组成的4层砖混砌体结构， 结构体系比较单薄， 属于强梁弱柱单跨框架形式；没有设置圈梁和构造柱进行抗震设防；预制楼盖与墙体的连接程度不够， 整体式较差；结构缺少纵向抗侧力构件。从传力途径角度看， 结构全靠走廊承受大部分荷载， 缺少备用的传力体系， 多余约束不够， 没有安全保障；属于走廊墙壁等关键传力部位， 由于门窗开洞过多而被削弱， 易产生应力集中。从连接构造看， 砌体内部缺少拉结钢筋、梁下缺少垫块；预制楼板的板端钢筋未能与圈梁的钢筋连接， 没有形成整体性楼盖；女儿墙和走廊墙砌体未按规定设置拉结钢筋。
砖混结构的加固改造建议：按抗震规范设置圈梁和构造柱， 并沿内横墙设置加钢拉杆， 以提高整体性；3层和4层的楼梯间部分改造为混凝土框架、外走廊部分加设立柱， 形成两跨框架形式， 提高结构整体性和牢固性；加固窗间墙， 以保证竖向传力体系；建议以叠合板的形式加固预制楼盖[6];女儿墙建议拆除， 亦可减轻结构整体重量。
2.2、 框架结构的震害分析
地震中， 框架结构往往在梁柱节点处发生破坏， 且柱的震害一般重于梁， 柱顶相对于柱底震害较重， 短柱的震害重于一般柱[7], 具体分析如下：按照“强柱弱梁”的设计原则， 应当首先保证柱的强度， 柱子一旦破坏， 结构一垮到底。结构的一些错层、夹层或半高的填充墙， 易形成短柱。以半高的填充墙为例， 由于窗台墙体对柱子进行了上下约束， 使柱子的有效长度大大减短， 即形成了短柱。柱子有效长度变短， 剪跨比变小， 刚度变大， 柱子吸收的地震力则会变大， 容易使柱子形成交叉斜裂缝， 发生脆性的剪切破坏。梁柱节点是框架结构的核心区域， 设计时应把握“强节点、强锚固”的原则。
此外， 框架结构的填充墙在地震中往往被剪坏和发生散落， 这是由于墙体与框架缺少有效的拉结。结构布置不规则也会导致框架的扭转破坏和应力集中。
2.3、 底框结构的震害分析
底部框架结构的底部采用钢筋混凝土框架-抗震墙结构， 上部利用砖墙承重， 纵横墙体较多。底框结构上刚下柔， 变形主要集中在相对薄弱的底层[8].一旦底层框架受震破坏， 将直接危及上部结构的安全。资料表明[9], 很多这种结构在地震中发生了不同程度的破坏。
地震作用时， 底部框架受力屈服后， 由于抗侧刚度较弱， 将产生较大塑性变形， 而其它各层的侧移刚度较大， 产生的侧移变形较小。底层框架柱在地震荷载的反复作用下， 会产生塑性变形的累积， 一旦某个部位的变形值超限， 结构就会发生整体破坏。
为了使底框结构的抗震设计满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标[10], 结构的布置应尽可能规则， 抗侧力构件也应对称， 从而减少水平地震作用下的扭转效应；并依据规范设置房屋的高度和高宽比；通过分析， 底框结构的第2层与底层的抗侧刚度比K2/K1的最小值宜大于1.2, 不应小于等于1.0;最大值在8度时不应大于2.0, 在7度时不宜大于2.0, 6度时不应大于2.5, 当设置钢混抗震墙加强抗震性能时， 此比值可适当加大。
3、 结语
通过对建筑物进行爆破拆除的振动实验和对不同结构类型建筑物的地震震害分析， 得到如下结论：
（1） 根据萨道夫斯基经验公式， 结合监测数据， 进行最小二乘法的一元线性回归分析， 得到场地振动速度峰值的衰减公式， 作为不同结构安全评判的标准。
（2） 在爆破地震波的作用下， 结构的动力反应以水平振动为主；结构顶层的位移反应最大；最大速度响应和最大加速度响应在结构底部发生突变， 响应的最大值出现在结构底部附近；利用速度响应在相同爆破地震波作用下， 由于结构形式不同， 结构动力特征不同， 动力响应也有较大差异。
（3） 结合实例， 从结构形式、传力途径和连接构造等方面提出砖混结构、框架结构和底框结构的防灾减灾加固抗震建议， 并提出底框结构的第二层与底层的侧移刚度比K2/K1的合理控制范围。
参考文献：
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