相鄰建筑物地震碰撞研究

楊永強(qiáng)

（中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱150080）

相鄰建筑物地震碰撞研究

楊永強(qiáng)

（中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱150080）

相鄰建筑物碰撞是指地震作用下其間距無(wú)法滿足相對(duì)位移要求時(shí)造成的側(cè)向撞擊，常常導(dǎo)致或加劇結(jié)構(gòu)破壞。目前，我國(guó)城鎮(zhèn)現(xiàn)存建筑，尤其是臨街建筑中多數(shù)防震縫寬度不足甚至為零。國(guó)內(nèi)外近年的幾次地震表明，這些建筑在強(qiáng)烈地震作用下，極易發(fā)生碰撞破壞，造成生命和財(cái)產(chǎn)的巨大損失。因此，開(kāi)展相鄰建筑物地震碰撞破壞研究，發(fā)展相鄰建筑物抗震能力評(píng)估方法具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

針對(duì)相鄰建筑物地震碰撞破壞問(wèn)題，本文主要進(jìn)行了兩方面研究。首先，推導(dǎo)了考慮屈曲的鋼筋本構(gòu)方程，基于纖維模型建立鋼筋混凝土框架梁柱單元，模擬了清華大學(xué)公布的一個(gè)框架結(jié)構(gòu)邊柱擬靜力試驗(yàn)加載過(guò)程。與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，本文建立的梁柱單元模型能滿足計(jì)算要求。選取Hertz-damp接觸單元模型，推導(dǎo)了考慮碰撞的結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程。提出變積分步長(zhǎng)法，兼顧了計(jì)算效率和碰撞模擬精度。模擬了相鄰鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)地震碰撞過(guò)程，編寫后處理程序，顯示梁柱單元破壞指數(shù)的變化過(guò)程，分析了碰撞破壞致災(zāi)原因。研究了相鄰建筑結(jié)構(gòu)破壞指數(shù)與其間距的關(guān)系，給出相鄰建筑間距取值方法。其次，本文提出相鄰建筑物碰撞譜的概念，分析了碰撞譜的影響因素和特征，可為相鄰建筑物抗震能力評(píng)估以及防撞、加固措施研究提供參考。主要結(jié)論如下：

（1）相鄰鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)碰撞過(guò)程模擬。碰撞過(guò)程分析表明，多數(shù)情況下隨防震縫的加寬，碰撞力幅值和碰撞次數(shù)降低，結(jié)構(gòu)破壞程度減輕。隨著PGA的增大，碰撞力的幅值增加，碰撞次數(shù)增多。碰撞力峰值與PGA基本呈線性關(guān)系，說(shuō)明PGA對(duì)結(jié)構(gòu)碰撞影響很大。當(dāng)碰撞力峰值較高時(shí)，結(jié)構(gòu)的側(cè)向振動(dòng)主振型會(huì)發(fā)生改變。碰撞會(huì)使得結(jié)構(gòu)水平加速度反應(yīng)放大，高頻成分增多，并且產(chǎn)生方向性差異。碰撞對(duì)結(jié)構(gòu)水平位移反應(yīng)的影響明顯小于加速度，位移反應(yīng)的主要特征就是單方向位移受限。單元破壞指數(shù)分析表明，防震縫較小時(shí)碰撞會(huì)造成相鄰結(jié)構(gòu)局部或整體破壞程度加重。分析結(jié)構(gòu)破壞指數(shù)與相鄰結(jié)構(gòu)間距的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，在小于無(wú)碰撞間距的一定區(qū)間內(nèi)時(shí)，結(jié)構(gòu)的破壞指數(shù)稍微降低或稍微增加，基本保持不變，本文認(rèn)為，此區(qū)間內(nèi)結(jié)構(gòu)破壞程度不變，建議相鄰結(jié)構(gòu)間距取該區(qū)間的最小值，算例表明本文建議間距比無(wú)碰撞間距縮小10%左右，可節(jié)約土地成本，給設(shè)計(jì)施工帶來(lái)方便。

（2）相鄰建筑碰撞譜研究。碰撞譜既能反映地震動(dòng)的特征，也能考慮相鄰建筑之間碰撞對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響選取76條最不利設(shè)計(jì)地震動(dòng)進(jìn)行碰撞譜計(jì)算主要在彈性范圍內(nèi)研究了不同參數(shù)對(duì)碰撞譜的影響，為近似估計(jì)碰撞影響提供參考。分析表明，防震縫寬度和PGA對(duì)碰撞譜曲面的影響與時(shí)程分析結(jié)果一致。當(dāng)質(zhì)量、阻尼比、延性系數(shù)相同時(shí)，若不考慮地震動(dòng)輸入相位差，相鄰結(jié)構(gòu)周期相同則無(wú)碰撞。另外，結(jié)構(gòu)的阻尼比、延性系數(shù)越大，質(zhì)量越輕、接觸剛度越低，相鄰結(jié)構(gòu)之間的碰撞力越小。碰撞對(duì)小阻尼比結(jié)構(gòu)反應(yīng)峰值的影響比大阻尼比結(jié)構(gòu)要大。結(jié)構(gòu)的質(zhì)量越大，碰撞力越大，但碰撞對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響越小；質(zhì)量小的結(jié)構(gòu)的反應(yīng)受碰撞影響較大。碰撞對(duì)延性系數(shù)大的結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)峰值影響較大。降低相鄰建筑物之間的接觸剛度，可有效避免相鄰結(jié)構(gòu)地震碰撞破壞。場(chǎng)地類型對(duì)碰撞作用有一定影響，但隨PGA增大，影響變小。

相鄰建筑；地震碰撞；防震縫；破壞指數(shù)；碰撞譜

（作者電子信箱，楊永強(qiáng)：yangiem＠foxmail.com）

TU311.3；

A；

10.3969／j.issn.0235-4975.2014.05.014