相鄰建筑結(jié)構(gòu)地震動(dòng)碰撞反應(yīng)的研究進(jìn)展*

丁琪 郭軍忠 袁建剛 高旭娜

(江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院 江蘇常州 213147)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市的規(guī)模不斷擴(kuò)大，人口也日益聚集增多，城市建筑越發(fā)密集。我國(guó)城市建筑尤其是大中城市中有著許多相鄰建筑物間距過(guò)小的情況，安全隱患不容小覷。不同結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理不盡相同，其中碰撞造成的破壞是結(jié)構(gòu)倒塌的重要因素之一，所以研究結(jié)構(gòu)的碰撞破壞機(jī)理是擺在地震工程學(xué)者面前的一道難題，通過(guò)對(duì)碰撞破壞機(jī)理的深入研究，達(dá)到預(yù)防碰撞破壞或倒塌帶來(lái)的次生環(huán)境災(zāi)害的目的。因此，對(duì)相鄰建筑結(jié)構(gòu)之間的碰撞反應(yīng)進(jìn)行分析具有重要的理論價(jià)值和工程實(shí)踐意義。

1 地震中的相鄰結(jié)構(gòu)碰撞

近年來(lái)，有關(guān)近距離物體碰撞的研究備受關(guān)注，其背景是大城市中一些較為密集的建筑群遭受地震后相互碰撞所引發(fā)的損失。美國(guó)的阿拉斯加大地震中[1]，Anchorage Westward Hotel與相鄰的三層建筑發(fā)生碰撞，造成了嚴(yán)重的破壞，引發(fā)房屋里的洗手間、暗溝等下水管道破裂，而使污水流入周邊地表，導(dǎo)致嚴(yán)重的土體環(huán)境污染和地下水水體環(huán)境污染。日本的十勝?zèng)_地震中[2]，在學(xué)校里的兩個(gè)三層等高建筑發(fā)生相互碰撞，其原因是兩個(gè)相鄰等高建筑質(zhì)量相差太大，當(dāng)質(zhì)量大的建筑作用在質(zhì)量較小的建筑時(shí)，后者產(chǎn)生的側(cè)向位移將極大可能超過(guò)其彈性變形，造成結(jié)構(gòu)性破壞。美國(guó)的San Fernando地震中[3]，一家醫(yī)院的建筑樓與一所樓梯塔之間發(fā)生相互碰撞，造成嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性破壞，導(dǎo)致未經(jīng)處理的廢棄醫(yī)用材料，包括帶有傳染性病毒的針頭，直接暴露到環(huán)境中，給周邊水體及大氣造成了極大的污染。Nicaragua的馬那瓜地震中[4]，3個(gè)建筑發(fā)生非等高碰撞，其中較高的建筑分別與其兩邊的較低建筑相碰撞，直接使得較高建筑的第三層樓完全倒塌，帶來(lái)大量的建筑垃圾。Guatemala地震中[5]，由于相鄰建筑建筑間距達(dá)到60 cm左右，雖發(fā)生了相互碰撞，但并沒(méi)有造成很?chē)?yán)重的結(jié)構(gòu)性破壞。Romania地震中[6]，有30多座建筑由于位于街道拐角，扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)效應(yīng)和近距離建筑間振動(dòng)傳播效應(yīng)較強(qiáng)，發(fā)生倒塌，造成大量人員傷亡，由于此次地震造成的破壞較為嚴(yán)重，大量的尸體難以得到及時(shí)的處理，隨著時(shí)間的推移慢慢滲透到地下，造成地表水和地下水的雙重污染，以及防腐所用的化學(xué)物質(zhì)對(duì)我們賴以生存的環(huán)境也造成了不小的傷害，應(yīng)當(dāng)引起我們足夠的重視。Great Mexico地震中[7]，此次地震共造成建筑倒塌330余處，通過(guò)對(duì)其破壞機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)，其中有近一半的破壞與結(jié)構(gòu)碰撞相關(guān)，確定的有近三分之一的結(jié)構(gòu)確是碰撞所引發(fā)的。羅馬列塔地震中[8]，超過(guò)500幢建筑受損，其中有200多幢發(fā)生碰撞，多座化工廠倒塌，導(dǎo)致液氨和硫酸泄漏，對(duì)水體及大氣造成了不同程度的污染。Athens地震中[9]，學(xué)校的部分教學(xué)樓之間由于間距不足發(fā)生相互碰撞，導(dǎo)致建筑頂層的女兒墻直接倒塌。Turkey Kcaeli地震中[10]，相鄰的兩個(gè)不等高建筑發(fā)生近距離物體碰撞，碰撞直接導(dǎo)致6層上部結(jié)構(gòu)層柱的剪切破壞和2層建筑的角柱破損。2008年發(fā)生在我國(guó)的汶川大地震[11]，大多數(shù)建筑也是由于相互碰撞導(dǎo)致坍塌，其中有許多化工廠由于碰撞破壞后，建筑內(nèi)部的管道破損，造成了化學(xué)物質(zhì)的嚴(yán)重泄漏，對(duì)周邊環(huán)境造成了嚴(yán)重的傷害。2011年新西蘭克萊斯特徹奇地震[12]，發(fā)現(xiàn)大量因碰撞造成結(jié)構(gòu)破壞倒塌的情況。

2 相鄰結(jié)構(gòu)碰撞分析方法的發(fā)展

結(jié)構(gòu)碰撞問(wèn)題發(fā)展至今，其理論研究方法主要分兩類(lèi)。

一是恢復(fù)系數(shù)法，該法核心是將碰撞階段分為兩段，碰撞前和碰撞后，并假定結(jié)構(gòu)碰撞部位為質(zhì)點(diǎn)，以質(zhì)點(diǎn)間的瞬時(shí)碰撞為要點(diǎn)，采用動(dòng)量守恒定量修正質(zhì)點(diǎn)碰撞后的速度，依此計(jì)算碰撞部位的動(dòng)力方程。其不足之處是忽略了結(jié)構(gòu)碰撞體的應(yīng)力和整體變形，也無(wú)法求出碰撞階段的時(shí)程曲線。ATHANASSIADOU C J等[13]認(rèn)為，地震波是造成近距離結(jié)構(gòu)相互碰撞的主要原因，自振特性相近的結(jié)構(gòu)之間也可能發(fā)生碰撞問(wèn)題，而不是由于不同結(jié)構(gòu)之間不同的自振頻率引起的。當(dāng)?shù)卣鸩ㄝ斎氩煌綍r(shí)，將使得結(jié)構(gòu)碰撞作用變大，自振特性不同的相鄰結(jié)構(gòu)中大剛度的結(jié)構(gòu)將遭受更為嚴(yán)重的碰撞損害。MUTHUKUMAR S等[14]基于多跨橋梁的碰撞問(wèn)題，得出了地面運(yùn)動(dòng)特征和結(jié)構(gòu)的自振周期是引起橋梁碰撞整體反應(yīng)的主要因素。PAPADRAKAKIS M等[15]基于Lagrange乘子法，以動(dòng)量和能量守恒定律分析了相鄰結(jié)構(gòu)的地震碰撞問(wèn)題。

二是接觸單元法，該法基于力學(xué)原理，考慮碰撞力和碰撞部位的變形協(xié)調(diào)關(guān)系，在碰撞區(qū)域添加碰撞單元，如線性彈簧等，繼而求出碰撞接觸部位的動(dòng)力反應(yīng)。KASAI K等[16]模擬分析了結(jié)構(gòu)局部剛度對(duì)碰撞的影響，將整體模型簡(jiǎn)化為層模型，并在接觸部位設(shè)置線性彈簧。FILIATRAULT A等[17]對(duì)比分析了相鄰結(jié)構(gòu)碰撞的模型試驗(yàn)結(jié)構(gòu)和數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)論較為吻合。JANKOWSKI R[18]為彌補(bǔ)線性彈簧不能模擬碰撞時(shí)的能量損失問(wèn)題，采用Kelvin模型將線性彈簧和阻尼系數(shù)結(jié)合起來(lái)，研究了結(jié)構(gòu)碰撞問(wèn)題，但應(yīng)用Kelvin模型也有不足之處，在結(jié)構(gòu)碰撞結(jié)束階段，碰撞力顯示為拉力，并不符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際碰撞狀態(tài)。MA X等[19]將一種新模型——Hertz-damp模型引入結(jié)構(gòu)碰撞問(wèn)題，Hertz-damp模型同時(shí)應(yīng)用了非線性彈簧以及非線性粘滯阻尼器，比較好地解決了結(jié)構(gòu)碰撞過(guò)程中的非線性剛度和能量損失問(wèn)題。

3 相鄰結(jié)構(gòu)碰撞問(wèn)題的研究現(xiàn)狀

3.1 振動(dòng)臺(tái)碰撞試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

由于試驗(yàn)條件難以滿足要求，模型制作難度較大等因素，采用試驗(yàn)方法研究相鄰結(jié)構(gòu)碰撞問(wèn)題的情況較為少見(jiàn)。王立新等[20]采用鋼質(zhì)材料制作了相鄰的超高層結(jié)構(gòu)縮尺模型，進(jìn)行了多次模型碰撞試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)復(fù)雜高層相鄰結(jié)構(gòu)的碰撞具有較大的不確定性，其中柔性結(jié)構(gòu)所受到的碰撞破壞一般較為嚴(yán)重。陳夕飛[21]制作了比例為1∶3的2層鋼結(jié)構(gòu)模型和3層鋼結(jié)構(gòu)模型，并且兩結(jié)構(gòu)的層高不同，選用了3條地震記錄和1條正弦波記錄進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)碰撞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)受到碰撞作用影響較小，而結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)會(huì)受到較大的影響。尹俊紅等[22]將鋼筋和質(zhì)量塊焊接在一起，構(gòu)成簡(jiǎn)易單自由度模型，采用3種不同的激勵(lì)形式，進(jìn)行了4組對(duì)比碰撞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同的激勵(lì)方式對(duì)結(jié)構(gòu)碰撞造成的影響具有較為顯著的差異性。

3.2 考慮土體環(huán)境的研究現(xiàn)狀

21世紀(jì)初期，劉宗光等[23]研究了土體對(duì)擋土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用力，發(fā)現(xiàn)土體產(chǎn)生的作用力來(lái)自于兩個(gè)時(shí)段，分別是開(kāi)挖卸載時(shí)和擋土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移時(shí)。陸新征等[24]采用三維建模分析方法對(duì)某特深基坑的開(kāi)挖作業(yè)過(guò)程進(jìn)行模擬，證明對(duì)于考慮土體的復(fù)雜工程進(jìn)行三維建模分析非常有應(yīng)用價(jià)值。董鵬等[25]應(yīng)用可靠度理論，對(duì)土體與地下結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下相互作用的過(guò)程進(jìn)行研究，計(jì)算得出地下結(jié)構(gòu)四周土體的可靠度、動(dòng)態(tài)應(yīng)力以及孔隙水壓力，對(duì)實(shí)際工程中的地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)有參考價(jià)值。宋和平等[26]對(duì)結(jié)構(gòu)在地震中發(fā)生沉陷現(xiàn)象的研究歷程進(jìn)行了整合梳理，揭示了該項(xiàng)研究今后的發(fā)展趨勢(shì)。何濤等[27]通過(guò)ANSYS軟件建立了考慮土體環(huán)境的連體塔樓結(jié)構(gòu)模型，比較了考慮土體環(huán)境與不考慮土體環(huán)境兩種情況下，連體塔樓結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)考慮土體環(huán)境的結(jié)構(gòu)周期更長(zhǎng)。王鑫等[28]針對(duì)隧道結(jié)構(gòu)在地震作用下的振動(dòng)性質(zhì)開(kāi)創(chuàng)了一種理論分析法，推導(dǎo)了多個(gè)考慮土體作用力的運(yùn)動(dòng)方程，并驗(yàn)證了其正確性。石磊等[29]考慮了不同土層的本構(gòu)關(guān)系，建立了一個(gè)考慮土體與框架剪力墻結(jié)構(gòu)相互作用的新式簡(jiǎn)化模型，分析發(fā)現(xiàn)土體作用力對(duì)高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)的多項(xiàng)動(dòng)力反應(yīng)具有顯著影響。

近幾年，李雄彥等[30]建立了大跨度穹頂結(jié)構(gòu)模型，研究土體作用力對(duì)穹頂結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的影響，分析發(fā)現(xiàn)穹頂結(jié)構(gòu)在土體作用力下的固有頻率變小。王小慶等[31]針對(duì)SSI提出了新式運(yùn)算方式，并將這種新的運(yùn)算方式與常規(guī)運(yùn)算方法相結(jié)合，共同展開(kāi)運(yùn)算分析，對(duì)比得出最優(yōu)運(yùn)算方式。邵艷麗等[32]研究了土體作用力對(duì)基礎(chǔ)樁和上部結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)影響，研究發(fā)現(xiàn)土體會(huì)與基礎(chǔ)樁和上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振。劉毅等[33]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)土體與柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)進(jìn)行研究，提出在研究土體作用力對(duì)柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)時(shí)，應(yīng)關(guān)注地震波頻率譜的各項(xiàng)特征。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)結(jié)構(gòu)碰撞問(wèn)題已有不少模擬方法被提出和改進(jìn)，但是對(duì)于模型參數(shù)的合理取值還有待進(jìn)一步研究。接觸單元法進(jìn)行了一些假定和簡(jiǎn)化，主要在于結(jié)構(gòu)變形是以局部代替整體，同時(shí)接觸剛度無(wú)法準(zhǔn)確得到，在數(shù)值模擬時(shí)將會(huì)使得結(jié)構(gòu)碰撞動(dòng)力計(jì)算時(shí)無(wú)法收斂或模擬值偏大而與實(shí)際值不符。

(2)目前對(duì)于結(jié)構(gòu)碰撞問(wèn)題的已有研究幾乎都采用了結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型，但是這種簡(jiǎn)化模型并不一定能夠反映碰撞作用對(duì)于一些特殊的、不規(guī)則結(jié)構(gòu)形體產(chǎn)生的影響。因此，對(duì)于結(jié)構(gòu)碰撞問(wèn)題采用精細(xì)化模型進(jìn)行研究很有必要。

(3)地震中，地震波先傳遞至土體，再由土體傳遞到結(jié)構(gòu)，土體與結(jié)構(gòu)間的接觸作用以及對(duì)地震波的過(guò)濾作用都將對(duì)結(jié)構(gòu)碰撞產(chǎn)生影響，而目前考慮土體的研究均是基于單個(gè)建筑的研究，因此在結(jié)構(gòu)碰撞問(wèn)題中考慮土體的作用非常有必要。