蘆山地震中相鄰建筑碰撞破壞調(diào)查與分析

楊永強(qiáng)，戴君武，公茂盛，謝禮立，2

（1.中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室（中國地震局工程力學(xué)研究所），150080哈爾濱；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，150090哈爾濱）

蘆山地震中相鄰建筑碰撞破壞調(diào)查與分析

楊永強(qiáng)1，戴君武1，公茂盛1，謝禮立1，2

（1.中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室（中國地震局工程力學(xué)研究所），150080哈爾濱；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，150090哈爾濱）

為研究相鄰建筑地震碰撞破壞機(jī)理，調(diào)查了蘆山地震中相鄰建筑碰撞破壞概況，并應(yīng)用蘆山地震加速度記錄計算了相鄰建筑地震碰撞反應(yīng)，分析了防震縫寬度和結(jié)構(gòu)質(zhì)量對碰撞作用的影響.研究結(jié)果表明：防震縫寬度越大碰撞對相鄰建筑地震反應(yīng)的影響越??；相鄰建筑物質(zhì)量相近時，地震動輸入方向?qū)ο噜徑ㄖ锱鲎沧饔糜绊戄^??；相鄰建筑碰撞對自振周期相對較長的建筑的地震反應(yīng)影響較大；相鄰建筑質(zhì)量越大，碰撞對其加速度反應(yīng)影響越小，并且碰撞對質(zhì)量相對較小的建筑加速度反應(yīng)影響較大；本文對相鄰建筑物碰撞作用的分析與震害實例基本相符.

蘆山地震；相鄰建筑；碰撞；地震反應(yīng)；防震縫

相鄰結(jié)構(gòu)碰撞是指地震作用下相鄰建筑之間的側(cè)向撞擊，由于相鄰建筑動力性能的差異導(dǎo)致了地震時的非同步振動，當(dāng)建筑間距無法滿足這種振動狀態(tài)要求時，就會產(chǎn)生碰撞，由此造成相鄰結(jié)構(gòu)的破壞和倒塌［1－2］.相鄰建筑物碰撞一般都會造成相鄰建筑物的局部破壞，嚴(yán)重的甚至能導(dǎo)致建筑主體結(jié)構(gòu)破壞引起建筑倒塌.1985年墨西哥地震震害調(diào)查表明，被調(diào)查的330幢倒塌和受嚴(yán)重破壞建筑物中40%以上嚴(yán)重破壞建筑物和15%的倒塌建筑物發(fā)生過碰撞［3］.此后，相鄰建筑物地震碰撞破壞引起重視，國外對相鄰建筑碰撞進(jìn)行了較多研究，主要有碰撞動力學(xué)法［4－5］和接觸單元法［6－8］兩種數(shù)值模擬方法.2008年汶川地震和2010年玉樹地震中碰撞造成的相鄰建筑破壞現(xiàn)象在高烈度區(qū)非常普遍.為此，中國建筑抗震設(shè)計規(guī)范將砌體房屋的防震縫寬度最小值從50 mm提高到了70 mm［9－10］.

本文將依據(jù)蘆山地震現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，分析碰撞對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響，結(jié)合典型碰撞破壞實例，驗證分析結(jié)果.

1 震害調(diào)查概況

2013年4月20日08時02分46秒，在四川省雅安市蘆山縣（北緯30.3°，東經(jīng)103.0°）發(fā)生M7.0級地震，造成大量建筑發(fā)生破壞.作者作為地震應(yīng)急與災(zāi)害評估隊員，參與調(diào)查了不同烈度區(qū)的結(jié)構(gòu)破壞情況.在高烈度區(qū)（Ⅷ度區(qū)和Ⅸ度區(qū)）相鄰建筑碰撞現(xiàn)象較為普遍，尤其是臨街建筑，主要原因是臨街建筑的防震縫寬度不足或沒有.

2 相鄰建筑物地震碰撞作用分析

為分析碰撞對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響，需要知道考慮碰撞時的相鄰建筑最大地震反應(yīng)，參照反應(yīng)譜的計算思路，本文將相鄰建筑簡化為相鄰單自由度體系，見圖1.參考文獻(xiàn)［11］中碰撞力反應(yīng)譜的概念，定義碰撞反應(yīng)譜為一系列不同周期（T1和T2）的相鄰單自由度體系，在某一地震動作用下最大反應(yīng)的絕對值與兩個單自由度體系的周期組成的曲面.碰撞反應(yīng)譜的譜值與建筑物本身特性、間距以及輸入地震動相關(guān)，因此可表示為

式中：T、m、ξ分別為結(jié)構(gòu)的自振周期、質(zhì)量和阻尼比，d為相鄰建筑間距，Ag為輸入地震動.

假定圖1所示相鄰單自由度體系之間的碰撞力為Fc，則其動力方程可表示為

式中：m、C、K分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼和剛度，x¨、x·、x、x¨g分別為結(jié)構(gòu)的水平加速度、速度、位移和輸入地震動，接觸單元模型選取Hertz-damp模型，F(xiàn)c的表達(dá)式參考文獻(xiàn)［12－13］.

圖1 相鄰單自由度體系模型

2.1 地震動選取

為體現(xiàn)蘆山地震地面運動特征對結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響，選取此次地震中幅值大于100 gal的15組地震動的水平分量進(jìn)行相鄰建筑物碰撞分析.考慮到本次地震中相鄰建筑碰撞普遍發(fā)生在Ⅷ度和Ⅸ度區(qū)，故將地震動幅值統(tǒng)一調(diào)整為400 gal.

2.2 防震縫寬度d的影響

根據(jù)震害調(diào)查結(jié)果，震區(qū)多數(shù)臨街建筑的防震縫寬度d不足，本文取有代表性的5個寬度：①d＝10 mm，防震縫寬度嚴(yán)重不足；②d＝30 mm，防震縫寬度不足；③d＝50mm，2001版抗震規(guī)范建議砌體結(jié)構(gòu)防震縫寬度最小值；④d＝70 mm，2010版抗震規(guī)范建議砌體結(jié)構(gòu)防震縫寬度最小值；⑤d＝100 mm，2010版抗震規(guī)范建議砌體結(jié)構(gòu)防震縫寬度最大值.假定單自由度體系質(zhì)量均為300 t，計算結(jié)果見圖2.

圖2 防震縫寬度對碰撞加速度放大系數(shù)的影響（左：結(jié)構(gòu)1，右：結(jié)構(gòu)2）

防震縫寬度越小碰撞對相鄰建筑地震反應(yīng)的放大作用越大，當(dāng)防震縫寬度從10 mm變?yōu)?00 mm時，兩個結(jié)構(gòu)的加速度放大倍數(shù)最大值均降至原來的1／2左右，并且不發(fā)生碰撞的周期范圍越來越大；結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2的碰撞放大系數(shù)曲面基本呈反對稱，說明地震動輸入方向?qū)ε鲎沧饔玫挠绊懖淮?從單個碰撞放大系數(shù)曲面來看，在彈性范圍內(nèi)，若不考慮行波效應(yīng)，并且相鄰建筑高度和自振周期相同時，兩者振動同步，無碰撞；相鄰體系中周期相對較長結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)受碰撞影響較大，并且周期差別越大，兩者的碰撞加速度放大系數(shù)差別越大.

2.3 結(jié)構(gòu)質(zhì)量的影響

為研究質(zhì)量對碰撞作用的影響，計算了m1＝300 t，而m2分別為60、100、300、900、1 500 t時的碰撞放大系數(shù)曲面，防震縫寬度取震區(qū)常見值50mm，結(jié)果見圖3.

圖3 結(jié)構(gòu)質(zhì)量對碰撞加速度放大系數(shù)的影響（左：結(jié)構(gòu)1，右：結(jié)構(gòu)2）

隨著結(jié)構(gòu)2質(zhì)量增加，碰撞對結(jié)構(gòu)1地震反應(yīng)的放大作用基本由小到大，而對結(jié)構(gòu)2地震反應(yīng)的放大作用則是由大到小，說明相鄰建筑發(fā)生碰撞時，對質(zhì)量小結(jié)構(gòu)的影響較大；結(jié)構(gòu)1的加速度放大系數(shù)最大值約增大2倍，而結(jié)構(gòu)2的加速度放大系數(shù)最大值則降低到1／12左右.

對比圖3（a）、（e）、（b）、（d）可以發(fā)現(xiàn)，這兩組計算模型的質(zhì)量比分別為5∶1和1∶5、3∶1和1∶3，質(zhì)量比互為倒數(shù)，但計算結(jié)果并不存在對應(yīng)關(guān)系，這說明碰撞對相鄰建筑地震反應(yīng)的影響不僅與相鄰建筑的質(zhì)量比相關(guān)還與其本身質(zhì)量大小相關(guān)，質(zhì)量越大受碰撞影響越小.

上述結(jié)論基于彈性反應(yīng)譜分析得出，當(dāng)遭受較大地震作用時，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生塑性變形，此時相鄰建筑物的相對位移變大，基本自振周期延長，發(fā)生碰撞的概率增大.此外，相鄰建筑物的延性不同也會致使自振周期相同的相鄰建筑發(fā)生碰撞，因此本文計算結(jié)果會低估相鄰建筑物發(fā)生碰撞的概率.

3 相鄰建筑碰撞破壞典型實例

圖4所示為蘆山縣寶盛鄉(xiāng)鳳頭村某相鄰磚混結(jié)構(gòu)民居，左側(cè)為3層磚混結(jié)構(gòu)（相當(dāng)于圖1的結(jié)構(gòu)1），右側(cè)為2層磚混結(jié)構(gòu)（相當(dāng)于圖1的結(jié)構(gòu)2），兩者間距約50 mm.建筑1破壞較輕，其第二層橫墻由于撞擊作用在碰撞高度發(fā)生嚴(yán)重破壞，但為局部破壞，房屋其它墻體僅有輕微裂縫，結(jié)構(gòu)破壞等級為中等破壞；建筑2的內(nèi)縱墻產(chǎn)生嚴(yán)重剪切斜裂縫，第一層橫墻在撞擊作用下發(fā)生錯斷，傾靠在建筑1上，可定義為倒塌，破壞等級為毀壞.

依據(jù)文獻(xiàn)［14］中的砌體結(jié)構(gòu)基本周期計算公式，并考慮墻體厚度影響，估計建筑1和建筑2的基本自振周期為0.25～0.30 s，建筑1的基本自振周期略小于建筑2.另外，根據(jù)調(diào)查資料估計，建筑1的質(zhì)量大約為300 t，建筑2的質(zhì)量約為100 t.

實例中相鄰建筑物的總高及各層樓板標(biāo)高存在較大差別，并且由第二節(jié)分析可知在較大地震作用下，這兩個建筑的破壞程度不同、延性不同等因素共同影響下，即使兩個建筑物基本自振周期相近仍然會發(fā)生碰撞.由圖3（b）可知，碰撞對建筑2的地震反應(yīng)放大作用明顯大于對建筑1的放大作用，并且建筑2的抗震性能明顯低于建筑1，因此，建筑2會先發(fā)生破壞.建筑2發(fā)生破壞后，其自振周期會明顯變長，此時再由圖3（b）中的模擬結(jié)果可知，碰撞對建筑2的放大作用會隨其自振周期變長而增加，由此在地震和碰撞的共同作用下造成了建筑2的毀壞.上述分析表明，基于彈性反應(yīng)譜分析的結(jié)果仍然可以解釋實際震害成因，可供震害分析參考.

圖4 相鄰建筑碰撞典型實例

4 結(jié) 論

1）防震縫寬度越大碰撞對相鄰建筑地震反應(yīng)的放大作用越小，當(dāng)PGA為0.4 g時，防震縫寬度從10 mm增加到100 mm，碰撞加速度放大系數(shù)最大值約降低一半.

2）當(dāng)相鄰建筑物質(zhì)量相近時，地震動輸入方向?qū)ε鲎沧饔玫挠绊戄^小.

3）碰撞對相鄰建筑中周期長的結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)影響較大.

4）相鄰建筑質(zhì)量越大碰撞對其加速度反應(yīng)影響越小；碰撞對相鄰建筑中質(zhì)量相對較小的建筑加速度反應(yīng)影響較大.

5）基于彈性反應(yīng)譜進(jìn)行分析會低估相鄰建筑物發(fā)生碰撞的概率.

6）對相鄰建筑物碰撞作用的分析結(jié)果與蘆山地震中相鄰磚混結(jié)構(gòu)民居震害實例基本相符.

致謝：文中加速度記錄數(shù)據(jù)由國家強(qiáng)震動臺網(wǎng)中心提供，在此表示感謝.

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（編輯趙麗瑩）

Investigation andanalysis on adjacent buildings pounding damage in Lushan earthquake

YANG Yongqiang1，DAIJunwu1，GONG Maosheng1，XIE Lili1，2

（1.Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration（Institute of Engineering Mechanics），CEA，150080 Harbin，China；2.School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China）

A survey of adjacent buildings pounding damage caused by the Lushan earthquake is presented in this paper.Used the acceleration records from Lushan earthquake，the seismic response of adjacent buildings considering collision is calculated，and the influence of seismic joint width and building mass to the collision process is analyzed.Conclusions are as follows：thewider the seismic joint between adjacentbuildings，the less and slighter the pounding；there is little effect of ground motion direction on the collision damage between adjacent buildings；the influence of pounding to the building seismic response become slight with the increase of building mass，and the influence is larger to the lighter building；analysis results about adjacent buildings collision in this paper are in conformity with the typical pounding damage example.

Lushan earthquake；adjacent buildings；pounding；seismic response；seismic joint

TU398

A

0367－6234（2015）12－0102－04

10.11918／j.issn.0367-6234.2015.12.018

2014－08－14.

國家自然科學(xué)基金（51308516）；黑龍江省自然科學(xué)基金（E201460）；國家國際科技合作專項項目（2012DFA70810）.

楊永強(qiáng)（1983—），男，博士，副研究員；戴君武（1967—），男，研究員，博士生導(dǎo)師；謝禮立（1939—），男，博士生導(dǎo)師，中國工程院院士.

楊永強(qiáng)，yangiem＠foxmail.com.