基于结构易损性的结构碰撞分析

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3.0 陈辉 2024-11-19 7 4 2.41MB 91 页 15积分
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摘 要
世界大量地震灾害调查结果表明，碰撞是导致建筑物非结构性和结构性破坏
甚至倒塌的重要原因之一。随着我国城市化进程的加快，土地资源的稀缺，城市
中将出现大量相邻建筑，对于地震作用下结构碰撞问题应引起足够重视。我国对
一般房屋很少采用抗地震倒塌的验算，缺少建筑结构抗震倒塌定量验算方法以及
评价指标。因此，对相邻建筑进行碰撞易损性分析，是具有现实的理论研究意义。
本文基于结构易损性研究相邻等高多层钢筋混凝土框架结构的碰撞问题，开
展如下几方面的工作：
（1）在大量阅读国内外文献的基础上，对结构碰撞和结构易损性的研究现状，
进行了回顾和总结。
（2）对相邻建筑结构碰撞问题的研究方法进行了综述，重点介绍了接触单元法
在结构碰撞研究领域中的应用，给出了它们的数学方程和参数设置，并比较了各
碰撞模型的优缺点。
（3）对结构易损性的研究方法进行了简述，重点介绍了基于 IDA 的结构抗地震
倒塌易损性分析方法，确定了基于结构碰撞损伤指标的易损性分析步骤。
（4）选取相邻等高七层钢筋混凝土框架为研究对象，从结构顶层时程位移、楼
层位移、层间位移角、楼层剪力和碰撞力等五个方面，研究了在不同防震缝宽度
工况下，楼层碰撞破坏对相邻结构响应的影响，探讨了在不同间距下结构碰撞响
应的规律，为相邻结构抗震设计和防灾减灾提供合理的建议。
（5）按不同烈度而其它条件相同设计了五榀两跨七层钢筋混凝土框架，按规范
在相邻建筑间设置防震缝宽度，进行了基于 IDA 的结构抗地震易损性分析，给出
了不同框架的抗倒塌储备，为相邻建筑密集区抗震设防提供了建议。
关键词：结构碰撞 结构易损性 楼层碰撞破坏 相邻框架
ABSTRACT
The earthquake survey have indicated that pounding is the main factor resulting in
non-structural and structural damage ，or even collapse. With the acceleration of
urbanization, there will be many adjacent buildings in cities because of the scarcity of
land, the problem of structural pounding must be paid enough attention. The
collapse-resistant checking is few used in seismic code, lacking of explicit quantitative
evaluation methods and index. Therefore it has important theory research significance to
research pounding problem based on structural fragility. The main works of this
dissertation are described as follows:
（1）The study reviewed and summarized the research actuality of seismic pounding
and fragility of the related literatures.
（2）The available research methods on seismic pounding are reviewed and the contact
element methods are emphatically introduced. The mathematical expressions and
methods to determine parameters of them are given. The disadvantage and advantage of
pounding model are discussed.
（3）Retrospect the seismic fragility methods was finished and the collapse fragility
analysis which is based on incremental dynamic analysis (IDA) was introduced. The
analysis steps are determined finally.
（4）The adjacent seven-story RC frame is selected as research object to study peak
displacement, story drift- angle, shear and pounding force under the different seismic
gap. The results will provide beneficial suggestions and references to seismic design of
adjacent structures.
（5）The five two bay、seven-story RC frames with different seismic fortification levels
are quantitatively evaluated, with collapse fragility analysis based on incremental
dynamic analysis (IDA) with seismic gap set according to the seismic code. The results
are provided the suggestions to the earthquake-resistant of the densely build areas.
Key words: structure pounding; structure fragility; heavier adjacent
building pounding; adjacent frame
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪 论...............................................................................................................1
§1.1 论文研究的意义............................................................................................1
§1.1.1 论文的研究动机..................................................................................1
§1.1.2 论文研究目的......................................................................................2
§1.2 结构碰撞和易损性研究概述........................................................................2
§1.2.1 结构碰撞研究综述..............................................................................2
§1.2.2 结构易损性研究综述..........................................................................8
§1.3 基于结构易损性的结构碰撞分析的提出...................................................11
§1.3.1 基于结构易损性的结构碰撞分析的必要性....................................11
§1.3.2 基于结构易损性的结果碰撞分析的思路........................................11
§1.4 本文主要研究内容.......................................................................................12
第二章 基于结构易损性的结构碰撞理论分析.........................................................13
§2.1 结构碰撞分析理论......................................................................................13
§2.1.1 相邻结构碰撞运动方程....................................................................13
§2.1.2 结构碰撞仿真分析方法....................................................................13
2.2 结构易损性分析理论.......................................................................................21
§2.2.1 结构易损性分析方法........................................................................21
§2.2.2 结构易损性中的不确定因素分析....................................................26
§2.2.3 基于损伤指标的 IDA 分析方法 ...................................................... 27
§2.3 基于结构易损性的结构碰撞理论分析.......................................................28
§2.3.1 结构碰撞损伤指标的选取................................................................28
§2.3.2 基于结构碰撞损伤指标进行易损性分析........................................29
§2.4 本章小结.......................................................................................................29
第三章 钢筋混凝土框架抗地震倒塌易损性分析理论.............................................30
§3.1 前言..............................................................................................................30
§3.2 地震波数据特性..........................................................................................31
§3.2.1 地震波数据的选取............................................................................31
§3.2.2 地震动强度指标及其归一化处理....................................................34
§3.3 结构抗地震倒塌易损性数值模拟分析.......................................................35
§3.3.1 动力弹塑性时程分析原理................................................................35
§3.3.2 结构抗地震倒塌易损性 IDA 方法的步骤 ...................................... 37
§3.3.3 结构倒塌的评判标准........................................................................38
§3.4 易损性曲线拟合分析方法...........................................................................38
§3.4.1 结构倒塌概率数据的拟合曲线的选取............................................38
§3.4.2 结构抗倒塌储备安全系数理论分析................................................39
§3.5 算例分析.......................................................................................................40
§3.5.1 算例框架结构设计............................................................................40
§3.5.2 算例建模分析....................................................................................42
§3.5.3 结构抗倒塌易损性分析结果............................................................43
§3.6 本章小结.......................................................................................................44
第四章 钢筋混凝土框架结构碰撞数值模拟.............................................................45
§4.1 引言..............................................................................................................45
§4.2 结构碰撞分析简化......................................................................................45
§4.2.1 二维分析模型....................................................................................45
§4.2.2 地震动空间变化(行波效应) ............................................................. 46
§4.2.3 土与结构之间相互作用....................................................................46
§4.3 框架结构碰撞数值分析方法.......................................................................47
§4.3.1 结构碰撞分析方法............................................................................47
§4.3.2 结构阻尼............................................................................................47
§4.3.3 碰撞模型............................................................................................47
§4.3.4 结构地震碰撞算例验算分析............................................................48
§4.4 等高相邻结构地震碰撞响应分析...............................................................52
§4.4.1 等高相邻结构碰撞震害调查............................................................52
§4.4.2 碰撞效应研究....................................................................................53
§4.5 本章小结......................................................................................................68
第五章 钢筋混凝土框架结构抗地震倒塌易损性分析.............................................70
§5.1 前言..............................................................................................................70
§5.2 结构碰撞损伤指标......................................................................................70
§5.3 地震波数据..................................................................................................71
§5.4 钢筋混凝土框架结构抗震设计...................................................................72
§5.5 结构抗地震倒塌易损性分析结果...............................................................74
§5.6 本章小结......................................................................................................76
第六章 结论与展望.....................................................................................................77
§6.1 结论..............................................................................................................77
§6.2 展望..............................................................................................................78
参考文献.........................................................................................................................80
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................80
致谢.................................................................................................................................88
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 论文研究的意义
§1.1.1 论文的研究动机
世界大量地震灾害调查结果表明，结构碰撞是导致相邻结构非结构性和结构
性破坏甚至倒塌的重要原因之一。例如：在 1985 年Mexico City 地震中，总共有
330 栋建筑倒塌或遭受严重破坏，其中有 40％由于结构碰撞引起的，而且这种破
坏造成其中 l5％的建筑倒塌。
1989 年Loma Pieta 地震中也有 500 栋建筑发生了碰
撞破坏。1995 年日本阪神地震期间，高速公路桥梁破坏被大量报道，证实了碰撞
导致支撑部位的开裂是桥梁局部破坏和倒塌的潜在因素的原因[1]-[3]。我国处于亚欧
地震带和环太平洋地震带之间，地震发生频繁。由于地震具有很强的随机性和不
可确定性，按我国现行的以保障生命安全为基本目标的抗震设计规范所设计和建
造的建筑物，在地震中虽然可以避免倒塌，但其破坏却造成了严重的直接和间接
经济损失，甚至影响到社会和经济的可持续发展。2008 年5月初的汶川大地震，
地震震级是 8级，震中区烈度达 11 度，大量建筑物倒塌，通过对震害现场的调查
分析后，有大量相邻建筑物发生碰撞破坏，这给我们敲响了警钟。随着我国城市
化进程的加快，土地资源的稀缺，城市中将出现大量相邻建筑，对于地震作用下
结构碰撞问题应引起足够重视。
传统的抗震设计理念是基于生命安全理念建立起来的，即设计出来的建筑结
构以保障生命安全为主要目标，房屋损坏所带来的自身经济损失和室内财产损失
并不是抗震设防需要达到的第一目标。基于性能的抗震设计主要思想是：结构在
其设计使用期间内，在遭受不同水平的地震作用下，应该有明确的性能水平，并
使得结构在整个生命周期中费用达到最小。结构(地震)易损性分析是基于性能的抗
震设计(performance-base Earthquake Design) 和基于性能的地震工程的
(performance-base Earthquake Engineering)重要研究内容，也是结构地震风险分析中
的核心内容。地震易损性对结构的维修、加固和抗震性能评估具有重要的价值，
因此它在地震损失分析中占了重要地位，地震易损性分析是结构全生命周期优化
设计的关键步骤[4]。
地震是一种突发性自然灾害，对地震的预报是世界性的难题。一个国家抗震
设防水平的高低，是国家投入人力、物力、资金与灾害博弈的过程。目前，受我
国经济水平所限，我国的抗震设防能力要低于美国等发达国家。建筑结构抗地震
倒塌能力是结构抗震性能的核心目标，我国抗震规范中采用的是三水准和两阶段
基于结构易损性的结构碰撞分析
2
抗震设防目标和抗震设计方法，对一般房屋很少采用抗地震倒塌的验算，保证结
构进入塑性后有足够的承载力主要依赖的方法和手段是概念设计和构造措施，缺
少建筑结构抗震倒塌定量验算方法以及评价指标[5]。
动力增量时程分析方法(Incremental Dynamic Analysis)作为一种评估结构抗震
性能的参数化分析方法，目前在基于性能的抗震研究领域内发展迅速，成为世界
各国学者的热点研究方向。本文通过结合结构易损性对结构碰撞作分析，通过对
结构碰撞机理的研究，找出合理的碰撞损伤指标，采用IDA方法对结构做抗地震倒
塌易损性分析，以期能提出一套针对相邻建筑碰撞定量、合理的抗地震倒塌易损
性评估方法。
§1.1.2 论文研究目的
本文的主要研究目的就是提出一套能评估相邻结构碰撞的抗地震倒塌易损性
方法，通过确定碰撞损伤指标，地震动强度指标，结构倒塌标准，分析相邻建筑
碰撞过程中的倒塌概率。主要步骤为：
(1) 通过结构碰撞参数化数值模拟分析，确定合理的碰撞损伤指标；
(2) 选取能反映地震动特性，且数量一定的地震动记录，并选取合适的地震动强度
指标；
(3) 建立精确模拟地震响应的建筑结构数值模型；
(4) 在不同地震动强度下，对结构做弹塑性时程分析，计算结构倒塌概率；重复相
同步骤计算结构在不同地震动强度下的倒塌概率；
以地震动为随机变量，对数据拟合分析，得到结构抗倒塌概率曲线，即易损
性曲线。通过结构易损性曲线对碰撞灾害作评估，并提出相应的减轻和避免碰撞
的措施。
§1.2 结构碰撞和易损性研究概述
§1.2.1 结构碰撞研究综述
相邻结构间碰撞问题(包括建筑、桥梁结构等)从1985 年的 Mexico City 地震灾
害后，引起了各国学术和工程界人员的重视，随即针对结构碰撞问题开展了实验
和理论研究，经过几十年发展取得了大量成果[6]。
结构碰撞是指地震作用下相邻结构之间的侧向撞击，作为建筑物碰撞原因之
一的主要因素，通常认为是相邻结构动力性能的差异导致地震时的非同步振动，
质量或是刚度上的不同引起不同频率的结构振动，当相邻结构间的防震缝宽度无
法满足这种地震振动状态的要求时，结构碰撞就会产生。另一方面，对于大型桥
梁结构，地震波传播方向被认为是引起相邻附属桥段碰撞的决定性影响因素。地
第一章 绪论
3
震波的滞后和空间效应，导致作用在结构的支撑部位上有不同的地震激励。
结构碰撞本质上是相邻结构之间巨大的能量的相互传递和转化，当碰撞产生
的冲击荷载超出了结构承载能力时，将会导致结构的严重破坏甚至突然倒塌。结
构碰撞破坏与其它地震破坏的主要区别是：(1)持续时间短，荷载巨大，碰撞所产
生的冲击荷载往往比建筑设计规范预计的地震荷载大好几倍。(2)破坏突然，碰撞
破坏可以导致建筑结构的突然倒塌，使得居住者逃生的机率大大降低，具有极大
的危害性。有下列三种情况的建筑将产生碰撞破坏：（1）同一建筑的相邻单元是
通过伸缩缝和施工缝隔开的；（2）同一建筑的单元，或是相邻不同建筑，相隔较
远，通过一座或多座连廊连接；（3）当不同结构特性的相邻建筑之间间距过小，
这样地震诱发的碰撞将不可避免。
报据大量地震灾害的调查结果，按照结构碰撞破坏产生的主要原因分类，相
邻结构碰撞引起的结构性破坏可分为以下 5种主要类型[7][8]：
(1) 柱中碰撞破坏。由于相邻结构的楼层标高的不同,其中某一建筑的楼板或钢筋混
凝土柱与另一建筑的钢筋混凝土柱在后者的中间部位发生碰撞，导致遭受碰撞的
柱子破坏失效，如图 l-1(a)所示。一般地，这种破坏比在楼层部位相互碰撞产生的
破坏危害性更大。
(2) 偏心碰撞破坏。在强震作用下，某一建筑的角部受到临近建筑的撞击使楼层发
生扭转运动，导致建筑角柱破坏失效，如图 1-1(b)所示。此外，在地震作用下，当
建筑的刚度中心与质量中心相差较大时，建筑产生较大扭转与相邻结构也会发生
碰撞破坏。
(3) 不同质量楼层碰撞破坏。相邻建筑结构的楼层质量可能相差较大，楼层质量较
小的建筑结构与楼层质量较大的相邻结构碰撞时，其侧向位移往往过大而破坏如
图1-1(c)所示。
(4) 最末端建筑碰撞破坏。对于由密排的多栋建筑组成一排建筑，由于地震作用下
建筑的“钟摆效应”导致处于最末端的建筑或者街道转角处的建筑产生过大的位移
而发生破坏。这种碰撞破坏从概念上讲类似第 3种碰撞破坏类型。最末端的建筑
受到整排其它建筑(相当于一个质量巨大的集中质量)的碰撞而发生破坏，如图
1-1(d)所示。值得指出的是，在这类破坏情况中，中间部位的建筑由于间距较小使
得其地震反应类似单质点体系而产生同步运动，因此，结构碰撞的影响对这些建
筑的影响相对较小。
(5) 不同高度的建筑碰撞破坏。相邻结构总高度往往相差较大，在地震作用下，当
高度较高的建筑的水平方向侧向运动受到高度较小的建筑的突然限制时，前者位
于碰撞部位以上的楼层产生较大的惯性力，楼层剪力显著增大，导致碰撞部位以
基于结构易损性的结构碰撞分析
4
上的楼层发生结构性破坏，如图1-1(e)所示。
1(a) 1(b)
1(c) 1(d) 1(e)
图1-1 结构碰撞破坏类型
结构碰撞对建筑造成的破坏可以被归为四类：
（1）主要结构破坏(图1-2b)；
（2）附属结构的失效和倒塌危及了人员安全；
（3）建筑物理、电力、防火系统的失效使建筑功能丧失；
（4）建筑的，非结构的，或是轻微的结构破坏(1-2a)。
图1-2 a) 建筑外观破坏； b) 结构倒塌破坏
社会重要设施，诸如医院、消防局和通讯中心如果在地震作用下发生结构碰
撞灾害，会阻碍抗震救灾计划的有效实施。图 1-3 所示的一幢 12 层的钢筋混凝土
建筑，1985 年墨西哥城地震前，该建筑主要负责城市的信息中转。该栋建筑的破
第一章 绪论
5
坏造成了墨西哥城和外面世界长时间的通讯中断，给地震救援工作增加了困难。
图1-3 通讯中心顶层破坏瞰视图
尽管对结构碰撞进行了相关的理论研究，但是为了检验碰撞理论的正确性和深
入研究碰撞机理，需要进行地震振动台实验，迄今为止只进行了几个相邻结构间
的碰撞实验。Paradrakakis 和Mouzakis[9]对两层同高的钢筋混凝土框架结构进行碰
撞振动台实验，应注意到两榀框架间没有间距，平面布置见图 1-4。实验中输入谐
波和随机波，并将结果与采用拉格朗日乘子算法的数值模拟结果进行了对比，发
现两者结果吻合较好，可以采用拉格朗日乘子算法来模拟结构碰撞。Filiatrault[10]
等对相邻的 3层和 8层钢框架进行振动台碰撞实验，实验中，对结构输入了 El
Centro 地震波，将实验结果与运用两个程序计算的结果做比较，以期评价程序的
有效性。
0.00
x
y
2.70
5.40
shaking table
AB C D
1.70 1.60
Level 2
Level 1
2.70
5.40
2.70 2.70
1
2
5.40
图1-4地震碰撞研究试验设置图[9]
摘要：

摘要世界大量地震灾害调查结果表明，碰撞是导致建筑物非结构性和结构性破坏甚至倒塌的重要原因之一。随着我国城市化进程的加快，土地资源的稀缺，城市中将出现大量相邻建筑，对于地震作用下结构碰撞问题应引起足够重视。我国对一般房屋很少采用抗地震倒塌的验算，缺少建筑结构抗震倒塌定量验算方法以及评价指标。因此，对相邻建筑进行碰撞易损性分析，是具有现实的理论研究意义。本文基于结构易损性研究相邻等高多层钢筋混凝土框架结构的碰撞问题，开展如下几方面的工作：（1）在大量阅读国内外文献的基础上，对结构碰撞和结构易损性的研究现状，进行了回顾和总结。（2）对相邻建筑结构碰撞问题的研究方法进行了综述，重点介绍了接触单元法在结...

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