随着我国地下交通网络的不断扩张,目前尚属少见的隧道钻爆法施工下穿建筑结构的工程情况将不断涌现。与一般的远距离侧穿建筑结构的隧道相比,下穿结构的隧道爆破施工,具有爆源位置近、爆破动力效应明显两大特点,必然会对上方建筑结构的安全性和使用性产生更为严重的影响。开展下穿隧道开挖爆破振动作用下建筑结构的动力响应特征研究,是合理评价和控制爆破振动有害效应的基础性工作,同时也是爆炸力学、岩石动力学、结构动力学等多学科交叉的前沿与热点课题,具有重要的理论意义和工程应用价值。论文结合武汉地铁7号线纸坊站线段的下穿隧道工程实际,采用理论计算分析、现场测试、数值模拟相结合的综合研究方法,围绕“下穿隧道爆破作用下建筑结构的动力响应特征”这一主题,开展了爆破振动作用下建筑结构动力响应的振动特征测试分析、动态应变特征测试分析、时-频-瞬时能量特征分析、地下结构的爆破振动作用特征分析、结构整体及各构件的振动-应力-应变特征分析等一系列研究。论文主要研究内容和成果如下:(1)建筑结构爆破振动速度响应特征测试分析。结合现场条件,制定了下穿隧道爆破开挖过程中带地下室结构的爆破振动测试方案,进行了现场爆破振动测试;依据测试结果,采用小波变换和快速傅里叶变换相结合的方法,提取各方向速度分量的主振频率,并在此基础上研究了正下穿隧道开挖爆破作用下结构的响应速度、频谱沿结构高度方向的变化及分布规律。测试分析表明:在正下穿隧道开挖爆破振动作用下,带地下室3层结构的水平径向、水平切向的峰值响应速度随楼层的升高呈现先增大后减小的趋势,而垂向振速峰值变化呈现先减小后增大的趋势,垂直方向的峰值响应速度始终高于水平径向和水平切向的峰值速度;在与地表高程一致的1楼楼板处,垂直向与水平向的结构响应速度差异最小,距地表的距离越远,垂向与水平向的速度峰值差异越大;结构动力响应的振动主频为11 Hz~44 Hz;速度信号的优势频率均呈现:垂向>水平向;同一炮次下,结构的三向速度信号的优势频带带宽均呈现,1楼<2楼<地下室;随楼层的增加,水平径向、水平切向的振动主频逐渐衰减并趋于结构固有频率,而垂向信号的振动主频随着楼层的增大而增大。(2)爆破振动作用下建筑结构的动态应变特征测试分析。根据隧道爆破开挖技术条件与建筑结构自身特点,制定了隧道爆破开挖作用下的结构动态应变测试方案,进行了结构的动态应变测试;根据测试结果,对正下穿隧道开挖爆破振动作用下,结构地下室、2楼的构造柱及内外隔墙的应变峰值、持续时间、振荡次数等进行了对比分析。分析表明:对于地下室,其边柱的竖向应变峰值随着振荡次数的增加而降低,构造柱中部的应变明显大于柱底部,其应变振荡次数也大于柱底部;对于结构顶层,峰值应变量呈现:内隔墙<柱1m处<柱2m处<外墙,持续时间呈现:柱1m处<内隔墙<柱2m处<外墙,同时,顶层的外墙和边柱中部因鞭梢效应和弱侧向约束,在经历一个时间段的较大应变振荡后,其应变并不归零,而是继续表现为不断细微振荡;结构的薄弱层在底层,其应变效应远大于其他各层,同时,结构顶层外墙的应变效应不能忽略。(3)建筑物地下室的爆破振动作用特征理论分析。利用波函数展开法和复变函数等理论,研究并建立了隧道爆破地震波SH波对临近建筑物地下室的散射数学模型,并给出SH波作用下地表、土体-地下室结合处、地下室墙体内的位移幅值的数学计算模型;结合工程背景,给出了所得数学模型的应用实例,研究了在给定参数条件下,SH波以不同无量纲频率和不同入射角度入射地下室时,地下室和土体介质的位移幅值。(4)爆破振动作用下建筑结构的时-频-能量特征。将HHT算法引入结构动力响应特征分析,将复杂的实测爆破振动响应信号转化为多个IMF分量共同作用下的动力响应问题;用IMF分量频率代替了主频率,用瞬时能量代替了总输入能量,分析了时间-瞬时频率-瞬时能量的变化规律与特征。研究结果表明:爆破振动作用下,水平径向、水平切向的瞬时能量曲线基本呈现先增大后减小的趋势,而垂向的瞬时能量变化正好相反;最大瞬时能量并不出现在振速峰值时刻;结构响应信号的主要频率成分及其能量贡献百分比均随着时间的不同而不同,与振动主频并不一致,甚至相差很大,故由PSD频率谱所确定的振动主频并不能完善准确的表示结构对爆破振动作用的响应;随着楼层的增加,结构水平径向和切向响应信号的能量中心均明显由中低频区往低频区移动,而垂向信号能量中心则向中高频区移动;隧道不同台阶部位开挖的爆破地震波的主要频率成分明显不同,隧道上部台阶爆破更不利于受振对象的安全控制;结构动力响应的水平径向能量稳定于3~7Hz和17~19Hz两个频带;水平切向响应能量稳定于5~9Hz和17~22Hz两个频带;垂向响应能量稳定与稳定在10Hz、28Hz、39Hz左右的三个频带。(5)建筑结构爆破动力响应特征数值模拟分析。结合爆破现场实际,建立了隧道-岩层-土层-结构的三维空间计算模型,计算分析了在正下穿隧道爆破开挖的作用下,结构整体和结构受力构件(柱、梁、板、墙)的振动速度、应力、应变等动力响应特征,对比分析了结构动态应变特征值沿不同方向的变化规律。研究结果表明:在正下穿隧道爆破作用下,沿结构短轴方向,结构的三向振动速度峰值均以结构纵轴线对称分布,距离结构中轴线越远,其振动响应速度值越大;沿结构高度方向,结构水平径向、水平切向、垂向的爆破响应振动速度均呈现出先减小后增大的趋势,垂向振动响应速度始终大于水平向;沿结构长轴方向,结构的爆破振动响应速度峰值在掌子面前、后方呈现完全不同的两种变化规律,且掌子面后方出现了明显的振速放大;各楼层中,边柱上各质点的动力响应振速峰值均有:垂向>切向>径向,应力均呈现:有效应力>剪应力>拉应力,应变基本呈现:垂向应变>径向应变>切向应变,随着层高的增加,柱上应力及应变的变化拐点由柱的下端处移至柱的中上部;各楼层中,主梁的径向与垂向振速最大值均出现在主梁中部,切向振速最大值出现在主梁远端,梁上的有效应力、剪应力、拉应力均沿着梁的长度方向呈“U”型分布,同时,有效应力>剪应力>拉应力;径向应变、切向应变在梁长度方向上,基本都呈现减小-增大-减小的变化趋势,随着楼层的增加,梁上各点的应力、应变均有所降低;不同楼层中,楼板上各质点的应力、应变、振速在沿板长度和宽度方向上的变化规律均表现不同;在各楼层中,外墙的垂向振速最大值均出现在墙长度1/2处,切向振速最大值均出现在墙高1/2、长3/4处,外墙各质点的有效应力与剪应力的变化趋势完全一致,水平径向应变在沿墙长度方向上基本都呈现“W”型。随着楼层的增加,有效应力、剪应力最大值逐渐减小,外墙的切向、径向应变不断增加,垂向应变先减小后增大。