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爆破地震作用下建筑物安全的扩展评价模型
摘要
建立了一个在爆破地震作用下的建筑物多指标评价系统.提出了建筑物的安全等级评价，价值范围对应的评估安全水平也被获取。在重庆地铁一号线爆破影响下，采用延拓法对建筑物的安全性进行评价。2、通过添加重要元素进行评估，计算各指标的权重系数得到的结果得到的值是2.053，综合相关性最大值为0.123。其结果与实际的冲击是一致的。因此，对爆破地震作用下建筑物的安全程度进行了评估，证明了该扩展评价方法的适用性。
关键词：地震波，建筑物，延伸评价模型
1、引言
自从火药被发明以来，爆炸一直是公共安全的最危险的行为之一。然而，在一些大型工程中，如采矿、铁路隧道、水电设施等，爆破施工往往被采用。大规模、频繁的爆破作业带来了一系列严重的问题，包括爆破地震、爆破冲击波和个别飞散物，被称为三大公害。由于它的特性，爆破作业的三大公害对公共场所造成最严重的影响[ 1 ]。由于爆破地震灾难的结果往往是毁灭性的，安全评价模型是评估和防止振动伤害所必须的。
在过去，峰值粒子速度作为爆破地震对建筑物影响的唯一标准。例如：Fogelson[1]和longerfors[ 2 ]把质点振动速度作为唯一的标准。中国古代的爆破安全规程（GB 6722-1986）也以质点振动速度作为唯一的标准。现在的主导频率被认为是作为重要的峰值速度，所以目前的标准是基于粒子的速度和主频率的相互影响。例如：德国DIN4150爆破振动安全标准[ 4 ]，美国USBM和OSMRE[ 5 ]和中国新爆破安全规程（GB 6722 - 2003）等。但实际地震的破坏不仅与主频率、振速有关，而且与建筑的年代、特点有关，所以在实践中出现了大量的事故发生。例如：2009年，中国湖南的高架桥坍塌，就是因为爆破地震的速度和主频率符合标准。
基于上述，可以得出结论，现有的安全评价体系忽略了很多重要的影响因素，因此有必要建立一个多层次、多指标的评价体系[ 6 ]。本文建立了爆破地震作用下建筑物的多层次、多指标评价体系，提出了建筑物的安全等级评价。定义了对应水平的值范围。该新方法对重庆首个地铁线路爆破影响最为危险的建筑进行评价，评价结果与实际情况相符。证明了多层次、多指标评价体系能准确预测建筑物的安全等级。
2、爆破地震作用下建筑物多指标评价模型
2.1.评价系统的设计
图一：爆破地震作用下建筑物的评价模型
爆破地震的影响因素及建筑物的性能都是在这一系统中考虑的。通过若干评价指标得到了建筑物安全评价。本系统是根据相关的理论成果和实际工程设计的。顶层是建筑安全等级的结果，被称为目标层，底部是影响爆破地震和建筑物状态的指标，称为描述层。
2.2.建筑安全评价指标分析
首先，受爆破振动影响的建筑物的绝对应力与质点速度成比例，因此，随着爆破振动速度的提高，建筑物的安全水平将会大大降低。下面给出的方程：
(1)
由此得到的最大应力得到的方程2：
(2)
在这个方程中，是最大应力，E是弹性模量，是质点振动速度。
在实际工程中，三维中的最大粒子速度分量常被用作峰值粒子振动速度。垂直速度在近区总是比别人大，所以经常被用作地震强度。
其次，安全水平随着主频率变化而变化[ 7 ]。当主频率等于建筑物的固有频率时，建筑物就会被严重破坏。建筑结构的地震和自然频率的主频率会严重影响建筑物的安全水平。
第三，振动持续时间对安全水平有很大的影响。通过对建筑物的振动破坏机理的研究，表明建筑物的倒塌是一个由局部破坏到完全破坏的过程，这个过程包括大量重复粒子振动。变形达到破坏极限时，建筑物会立即倒塌。
爆破地震波与建筑特性无关，但能严重影响建筑物的安全水平。关于建筑物的强度没有统一标准。为了评价建筑的强度，基于工程经验的评价标准和建筑标准的抗震设防设计是必要的。强度等级分为5组：最坚固的建筑物是9度最高的抗震设防烈度，其次是抗震设防烈度为7、8度，然后是6度抗震设防，下一组抗震设防还不到六度，最糟糕的是没有抗震设计的建筑。
2.3.建筑安全水平
借鉴前人的研究成果和现有的分类标准，建筑安全等级分为5级。1级是没有影响的，2级是几乎没有影响，三级是轻度影响，4级是较为严重的影响，5级是比较严重的影响。现在的微差爆破和预裂爆破技术已普遍使用，使爆破振动速度控制在10厘米/秒。爆破地震波是更复杂和更高的频率，主导频率一般大于10Hz。通常建筑物的自然频率小于10Hz。每个评价水平的指标值如表1所示：
由于表1中单位不同，采用射程使表中的数据无量纲化。对于与安全水平成正比的数据，公式3是适用的：
对与安全水平成反比的数据，公式4适用：
在方程中，“”是无量纲的数据，“”是初始数据，“，”是随i变化时最大和最小的数据。
表1中无量纲的值结果见表2：
3、地铁施工爆破地震对建筑安全影响的延伸评价
3.1.工程简介
杨公桥地铁站与“杨公桥~退伍军人公墓”区间隧道是重庆地铁一号线的一部分，杨公桥站 K17 102到K17 264有162米的长度，和“杨公桥~退伍军人公墓”区间隧道从K17 264 K17 910有646米长。爆破工作必须小心，因为它距离城市地区和周围的建筑很近，爆破地震会对周边建筑物的影响很大。
其中影响最严重的是建于2005年的建筑物，这是一个框架结构，32层，和抗震设防烈度为6级。图2是建筑和隧道示意图。重庆大学的一个监测小组一直在监控和审查的质点振动。在分析结果时用到了可拓展评价模型。
3.2.扩展方法和评价步骤介绍
扩展方法是基于物元、物元是它的逻辑单元。评价程序如下：
- 确定传统领域
在方程5中，N是事件的名称，C指的是特性，V指的是价值。一个问题可能会有N个特性：，，... ，；还有N个价值：，，... ，。
2）确定联合域
在方程6中，P表示安全水平，=(,），（i=1,2,3,...,n);是评价指标，的取值范围根据P决定
- 确定物元已被评估
在方程7中，N是被评估物元；是评价指标（i=1,2,3,...,n)；是价值指标。
- 确定评价的权重系数
由于这一价值属于更大的安全级别，这一问题显得尤为重要。当价值足够高的时候，这个问题就被破坏了。所以这一价值的权重系数由方程8、9、10决定[8].
在这三个方程中，(i=1,2,3，hellip;，n；j=1,2,3，hellip;，n)和属于（联合域），
( , ) = max{ ( , ) }。
5）单指数相关计算
单指数相关指数与评价水平存在关系，计算方法遵循如下方程11,12,13。
在方程中，K是单指数相关系数；（,）(j=1,2,3,hellip;,m,m是计算水平)是评价指标，是价值范围。
- 计算综合对比
综合相关度描述各层次评价指标的程度，计算入下方程14
在方程14中，j=1,2,3,..,m;是的权重系数，而且权重系数的总和必须等于1。
7）计算等级和等级变量值
在所有的（N）中 ，最大的值是 max[ (N)]，它属于安全级别，它属于确定的物质元素安全水平。
水平变量的值可以用公式15计算。
在方程中，，j=1,2,3，hellip;，m。
3.3. 建筑物的评价
要评估建筑物的安全等级，应首先建立一个要评估的事项单元。在这一部分中，建筑物以实例来评估。首先，应监测质点的峰值速度。质点距离爆炸中心距离31米。监测仪器是ubox5016便携式数据采集装置。它是针对现场爆破、振动、冲击、噪声测试和特殊的优化设计，它是用于信号记录和分析。最高采样频率是200 kHz，具有FFT分析功能。质点峰值速度1.675cm/s，如图3所示。
图3 爆破地震波曲线图
其次，要确定爆破波的持续时间。爆破震动持续时间通常意味着从爆破振动记录的时间持续时间开始，波的振幅为零。持续时间分为三个部分：早期地震阶段、主要地震期和震后阶段。地震波的持续时间1.8998s。
第三，应确定地震波的主频。主导频率可以通过FFT分析得到的。通过对爆破地震波的分析，主频39hz如图4所示。应根据文献[ 9 ]计算建筑的固有频率，按以下公式计算建筑的固有频率：16。
在这个等式中，T代表震动周期，n代表楼层。
为了确保建筑物的安全，选择方程17作为计算方法
所以振动周期的建设是2.24s，自然频率0.45hz。自然频率与主频率之比为0.0115。
图4 爆破地震频谱特性
最后，确定建筑物的强度系数。该建筑建于2005，它属于框架结构。抗震等级符合建筑抗震设计规范（GB500011 2001），抗震设防烈度为6级。所以强度因子是0.58。
通过上述的分析和计算，得到的元素的值，得到如所示表3。
表3 元素的值进行评估
同时，权重系数和元素的关系是完整的，单一的指数相关性，综合的相关性和水平的变量值可以得到根据3.2节。结果如表5所示。
表5 可拓评价结果
注意：质点速度的权重系数、持续时间、频率比和强度系数分别是0.25,、0.25、0.25、0.25. 变量的值是2.053
根据表5，综合相关的最大值为0.123，属于2级。因此，该建筑物的安全等级为2级，这意味着爆破地震波对建筑物几乎没有影响。建筑物的变量值是2.053。在实践中，这一建筑确实很少或从未受到爆破地震的影响，由此此评价结果被证明。
4、结论
- 建立了爆破地震作用下建筑物的多指标评价系统。提出了建筑物的安全等级，并给出了相应的价值范围。
- 采用扩展方法对受爆破地震影响的建筑物进行了评价。综合相关性最大值为0.123，属于2级。因此，该建筑物的安全等级为2级，这意味着爆破地震波对建筑物几乎没有影响。
- 在实践中，这一建筑很少或不受爆破地震的影响，因此评价结果与实际情况相符。这证明了该多指标延伸评价模型能准确预测建筑物的安全等级。
致谢
这项研究已由中国国家重点基础研究项目（973计划）项目资助（编号2009cb724606），自然科学基金创新研究群体（50621403号），国家自然科学基金（no.51074198），基础研究基金为华中大学（no.cdjzr10240017）
和自然科学基金项目重庆CSTC（no.2010bb6044），在这里表示诚挚感谢。
References
[1] LI Xibing, LING Tonghua. Influence of explosion parameters on response spectrum for blast ground vibration [J]. Explosion and Shock Waves,
2004,24(5):443-447.
[2] Duvalland W I,Forgelson D E. Review of Criteria for Estimating Damage to Residences from Blasting Vibration[M]. Washington:U S Bureau of Mines
Report Investigation,1962
[3] Longgerfors,Westerberg,Kihlstorm. Ground vibration in blasting[J]. Water Power,1958,:335-421
[4] Butt S D,Derek B A,Peter N C. Analysis of high frequency microseismicity recorded at an underground hardrock mine[J].Pure and Applied
Geophysics,1997,(150):693-704
[5] Wilton T J,Hills R L.Blasting vibration monitoring on anchored retaining walls and within boreholes[C].Proceedings of Conference on Ro
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