相邻建筑结构地震动碰撞反应分析

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摘要:概述了已实际发生的重大地震灾害中的相邻建筑结构碰撞现象，对碰撞问题的理论分析方法发展进行了简要介绍，并针对相邻建筑结构碰撞研究现状进行了回顾与总结，为进一步研究相邻建筑结构碰撞问题提供参考。

关键词:相邻建筑;结构碰撞;模拟

随着国民经济的飞速发展和城市化进程的加快，城市的规模不断扩大，人口也日益聚集增多，城市建筑越发密集。我国城市建筑尤其是大中城市中有着许多相邻建筑物间距过小的情况，安全隐患不容小觑。不同结构的破坏机理不尽相同，其中碰撞造成的破坏是结构倒塌的重要因素之一，所以研究结构的碰撞破坏机理是摆在地震工程学者面前的一道难题，通过对碰撞破坏机理的深入研究，达到预防碰撞破坏或倒塌带来的次生环境灾害的目的。因此，对相邻建筑结构之间的碰撞反应进行分析具有重要的理论价值和工程实践意义。

1地震中的相邻结构碰撞

近年来，有关近距离物体碰撞的研究备受关注，其背景是大城市中一些较为密集的建筑群遭受地震后相互碰撞所引发的损失。美国的阿拉斯加大地震中［1］，AnchorageWestwardHotel与相邻的三层建筑发生碰撞，造成了严重的破坏，引发房屋里的洗手间、暗沟等下水管道破裂，而使污水流入周边地表，导致严重的土体环境污染和地下水水体环境污染。日本的十胜冲地震中［2］，在学校里的两个三层等高建筑发生相互碰撞，其原因是两个相邻等高建筑质量相差太大，当质量大的建筑作用在质量较小的建筑时，后者产生的侧向位移将极大可能超过其弹性变形，造成结构性破坏。美国的SanFernando地震中［3］，一家医院的建筑楼与一所楼梯塔之间发生相互碰撞，造成严重的结构性破坏，导致未经处理的废弃医用材料，包括带有传染性病毒的针头，直接暴露到环境中，给周边水体及大气造成了极大的污染。Nicaragua的马那瓜地震中［4］，3个建筑发生非等高碰撞，其中较高的建筑分别与其两边的较低建筑相碰撞，直接使得较高建筑的第三层楼完全倒塌，带来大量的建筑垃圾。Guatemala地震中［5］，由于相邻建筑建筑间距达到60cm左右，虽发生了相互碰撞，但并没有造成很严重的结构性破坏。Romania地震中［6］，有30多座建筑由于位于街道拐角，扭转摆动效应和近距离建筑间振动传播效应较强，发生倒塌，造成大量人员伤亡，由于此次地震造成的破坏较为严重，大量的尸体难以得到及时的处理，随着时间的推移慢慢渗透到地下，造成地表水和地下水的双重污染，以及防腐所用的化学物质对我们赖以生存的环境也造成了不小的伤害，应当引起我们足够的重视。GreatMexico地震中［7］，此次地震共造成建筑倒塌330余处，通过对其破坏机理的研究发现，其中有近一半的破坏与结构碰撞相关，确定的有近三分之一的结构确是碰撞所引发的。罗马列塔地震中［8］，超过500幢建筑受损，其中有200多幢发生碰撞，多座化工厂倒塌，导致液氨和硫酸泄漏，对水体及大气造成了不同程度的污染。Athens地震中［9］，学校的部分教学楼之间由于间距不足发生相互碰撞，导致建筑顶层的女儿墙直接倒塌。TurkeyKcae-li地震中［10］，相邻的两个不等高建筑发生近距离物体碰撞，碰撞直接导致6层上部结构层柱的剪切破坏和2层建筑的角柱破损。2008年发生在我国的汶川大地震［11］，大多数建筑也是由于相互碰撞导致坍塌，其中有许多化工厂由于碰撞破坏后，建筑内部的管道破损，造成了化学物质的严重泄漏，对周边环境造成了严重的伤害。2011年新西兰克莱斯特彻奇地震［12］，发现大量因碰撞造成结构破坏倒塌的情况。

2相邻结构碰撞分析方法的发展

结构碰撞问题发展至今，其理论研究方法主要分两类。一是恢复系数法，该法核心是将碰撞阶段分为两段，碰撞前和碰撞后，并假定结构碰撞部位为质点，以质点间的瞬时碰撞为要点，采用动量守恒定量修正质点碰撞后的速度，依此计算碰撞部位的动力方程。其不足之处是忽略了结构碰撞体的应力和整体变形，也无法求出碰撞阶段的时程曲线。ATHA-NASSIADOUCJ等［13］认为，地震波是造成近距离结构相互碰撞的主要原因，自振特性相近的结构之间也可能发生碰撞问题，而不是由于不同结构之间不同的自振频率引起的。当地震波输入不同步时，将使得结构碰撞作用变大，自振特性不同的相邻结构中大刚度的结构将遭受更为严重的碰撞损害。MUTHUKUMARS等［14］基于多跨桥梁的碰撞问题，得出了地面运动特征和结构的自振周期是引起桥梁碰撞整体反应的主要因素。PAPADRAKAKISM等［15］基于Lagrange乘子法，以动量和能量守恒定律分析了相邻结构的地震碰撞问题。二是接触单元法，该法基于力学原理，考虑碰撞力和碰撞部位的变形协调关系，在碰撞区域添加碰撞单元，如线性弹簧等，继而求出碰撞接触部位的动力反应。KASAIK等［16］模拟分析了结构局部刚度对碰撞的影响，将整体模型简化为层模型，并在接触部位设置线性弹簧。FILIATRAULTA等［17］对比分析了相邻结构碰撞的模型试验结构和数值模拟结果，结论较为吻合。JANKOWSKIR［18］为弥补线性弹簧不能模拟碰撞时的能量损失问题，采用Kelvin模型将线性弹簧和阻尼系数结合起来，研究了结构碰撞问题，但应用Kelvin模型也有不足之处，在结构碰撞结束阶段，碰撞力显示为拉力，并不符合结构的实际碰撞状态。MAX等［19］将一种新模型———Hertz－damp模型引入结构碰撞问题，Hertz－damp模型同时应用了非线性弹簧以及非线性粘滞阻尼器，比较好地解决了结构碰撞过程中的非线性刚度和能量损失问题。

3相邻结构碰撞问题的研究现状

3．1振动台碰撞试验研究现状。由于试验条件难以满足要求，模型制作难度较大等因素，采用试验方法研究相邻结构碰撞问题的情况较为少见。王立新等［20］采用钢质材料制作了相邻的超高层结构缩尺模型，进行了多次模型碰撞试验，试验发现复杂高层相邻结构的碰撞具有较大的不确定性，其中柔性结构所受到的碰撞破坏一般较为严重。陈夕飞［21］制作了比例为1∶3的2层钢结构模型和3层钢结构模型，并且两结构的层高不同，选用了3条地震记录和1条正弦波记录进行振动台碰撞试验，发现结构位移反应受到碰撞作用影响较小，而结构加速度反应会受到较大的影响。尹俊红等［22］将钢筋和质量块焊接在一起，构成简易单自由度模型，采用3种不同的激励形式，进行了4组对比碰撞试验，发现不同的激励方式对结构碰撞造成的影响具有较为显著的差异性。3．2考虑土体环境的研究现状。21世纪初期，刘宗光等［23］研究了土体对挡土结构产生的作用力，发现土体产生的作用力来自于两个时段，分别是开挖卸载时和挡土结构产生位移时。陆新征等［24］采用三维建模分析方法对某特深基坑的开挖作业过程进行模拟，证明对于考虑土体的复杂工程进行三维建模分析非常有应用价值。董鹏等［25］应用可靠度理论，对土体与地下结构在强震作用下相互作用的过程进行研究，计算得出地下结构四周土体的可靠度、动态应力以及孔隙水压力，对实际工程中的地下结构抗震设计有参考价值。宋和平等［26］对结构在地震中发生沉陷现象的研究历程进行了整合梳理，揭示了该项研究今后的发展趋势。何涛等［27］通过ANSYS软件建立了考虑土体环境的连体塔楼结构模型，比较了考虑土体环境与不考虑土体环境两种情况下，连体塔楼结构的地震动力反应，发现考虑土体环境的结构周期更长。王鑫等［28］针对隧道结构在地震作用下的振动性质开创了一种理论分析法，推导了多个考虑土体作用力的运动方程，并验证了其正确性。石磊等［29］考虑了不同土层的本构关系，建立了一个考虑土体与框架剪力墙结构相互作用的新式简化模型，分析发现土体作用力对高层框架剪力墙结构的多项动力反应具有显著影响。近几年，李雄彦等［30］建立了大跨度穹顶结构模型，研究土体作用力对穹顶结构动力分析的影响，分析发现穹顶结构在土体作用力下的固有频率变小。王小庆等［31］针对SSI提出了新式运算方式，并将这种新的运算方式与常规运算方法相结合，共同展开运算分析，对比得出最优运算方式。邵艳丽等［32］研究了土体作用力对基础桩和上部结构的地震动影响，研究发现土体会与基础桩和上部结构产生共振。刘毅等［33］通过振动台试验对土体与柱网结构的动力反应进行研究，提出在研究土体作用力对柱网结构的动力反应时，应关注地震波频率谱的各项特征。

4结论

(1)针对结构碰撞问题已有不少模拟方法被提出和改进，但是对于模型参数的合理取值还有待进一步研究。接触单元法进行了一些假定和简化，主要在于结构变形是以局部代替整体，同时接触刚度无法准确得到，在数值模拟时将会使得结构碰撞动力计算时无法收敛或模拟值偏大而与实际值不符。(2)目前对于结构碰撞问题的已有研究几乎都采用了结构的简化模型，但是这种简化模型并不一定能够反映碰撞作用对于一些特殊的、不规则结构形体产生的影响。因此，对于结构碰撞问题采用精细化模型进行研究很有必要。(3)地震中，地震波先传递至土体，再由土体传递到结构，土体与结构间的接触作用以及对地震波的过滤作用都将对结构碰撞产生影响，而目前考虑土体的研究均是基于单个建筑的研究，因此在结构碰撞问题中考虑土体的作用非常有必要。

作者:丁琪 郭军忠 袁建刚 高旭娜 单位:江苏城乡建设职业学院