爆破震動作用下網架結構與地基基礎的協同工作

李 秀

（武漢職業技術學院，湖北 武漢 430074）

隨著國民經濟飛速發展，建筑施工技術日新月異，爆破法作為最具競爭力的、最經濟合理的施工方法，應用于各類高層建筑的巖石地基開挖、地下結構的建設以及各種拆除工程中。但是，爆破施工在法帶來高經濟效益的同時對環境的影響日顯突出，這種影響效應必須得到有效地控制，否則有可能會導致結構不同程度的損傷，從而帶來安全隱患。

1 爆破震動激勵

由于爆破地震波本身的瞬時性、復雜性導致目前爆破振動信號處理技術不太成熟。“由于爆破地震波本身的瞬時性、復雜性以及爆破介質和賦存條件的多變性，導致爆破震動的隨機性很大。因此，時至今日，即使是爆破地震波的傳播規律這樣簡單而又復雜的問題亦尚未得到完整的認識，爆破震動效應及其危害控制的研究任重而道遠。特別是爆破震動災害控制研究所面臨的形勢仍很嚴峻，許多問題有待解決和完善。”［1]曹建良因此，本文采用某爆破公司實測爆破震動波。實際工況為拆除某10層樓房，6個響序，最大單響藥量30Kg。

2 大跨度網架結構

大跨度網架結構有很多種結構形式，常見主要結構形式包括平面結構體系和空間結構體系兩大類。平面結構體系包括梁式結構、平面剛架和拱式結構。常見的空間結構體系有平板網架結構，網殼結構、懸索結構、斜拉結構、張拉結構等。城市中的大型公用建筑通常采用平板網架結構或者網殼結構，如光谷體育館，鳥巢等。按照現行《網架結構設計與施工規程》的規定，跨度30米以下的為小跨度網架結構，30～60米為中跨度，大跨度為90米以上。

網架結構的外荷載按靜力等效原則作用在節點上，所有節點均假定為鉸接形式。采用3d3s軟件建立大跨度網架結構空間模型，導入midasgen轉化后使用midasfea進行有限元分析。采用空間桿系有限元法。以桿件為基本單元，節點位移為未知量。

3 大跨度結構與地基基礎的協同工作體系

另一方面，地基基礎和上部結構協同工作的概念是由G.Gmeyerhof于1947年首先提出，地基基礎與上部結構共同作用，主要是把上部結構、基礎、地基三者作為一個整體考慮，并且三者之間滿足靜力平衡和變形協調，從而達到安全、經濟的設計目的。 “目前，對共同作用的解決方法有：整體分析法，等代法，子結構分析方法等。迄今國內外學者為此作出了大量的分析和研究，并做了相關的實驗和測試工作，但始終未能形成一套完整的理論和計算模式。有些國家已經將共同作用的內容列入相應的設計規范中，我國抗震規范GBJ11-8s僅從概念設計加以控制，在第4.2.6條規定“一般情況下可不考慮地基與結構相互作用的影響，但建造于、1V類場地土，采用箱基和剛性較好的筏基的鋼筋混凝土高層建筑，若考慮地基與結構相互作用的影響，按剛性地基假定分析的水平地震作用，可根據結構和場地的不同，折減10% -20%，其層間變形可按折減后的樓層剪力計算［2]。”

土的本構關系也即土體的應力-應變關系。其與土體本身的物理化學性質等因素有關系。目前已經提出了各種不同的本構關系建議，土的本構模型已達數百種。大體可分為以下幾類：1）土的彈性模型，2）土的彈塑性模型，3）土的粘彈塑性模型，4）土的內時塑性模型，5）土的損傷模型。

研究大跨度屋蓋—支承結構—土體相互作用問題、揭示樁—土—網殼屋蓋結構震動過程中的相互作用機理，是目前大跨度鋼結構抗震設計理論研究的熱點課題之一。

4 工程概況

某展覽館，屋蓋采用平板網架結構，平面尺寸為32.4*19.8，本工程設計使用年限50年，建筑結構安全等級為二級。采用正方四角錐網架結構，網格采用3.6m*3.3m，網架高度3.3米，網架下弦桿離地面高度為18米，網架采用下弦支撐。結構分析參數如下：1）材料，所有鋼管及支座節點板均采用Q235鋼。2）設計強度，采用Q235B鋼材，設計強度f=215N/mm2；容許長細比：受壓，受拉。

5 本文的主要研究工作

本文主要研究爆破地震波作用下大跨度鋼結構與地基基礎協同工作體系的內力和位移情況進行了分析和比較。

1）系統地研究了結構對爆破震動響應的動力分析方法，包括爆破震動非一致激勵下結構對爆破震動響應的模態計算方法。2）建立了大跨度鋼結構與地基基礎協同工作的爆破震動體系，并探索了該體系中不同桿件，節點的本構關系模型、力學模型。3）最后本文運用非線性有限元方法，對爆破地震波輸入大跨度網架結構與地基基礎協同工作體系進行非線性時程分析，重點分析大跨度網架結構不同位置結點的內力和位移特點，并與相同條件下底部剛結大跨度網架結構相應的內力和位移作比較，總結考慮協同工作的大跨度網架結構體系在分析爆破地震波對大跨度網架結構的作用中的優勢。