相邻建筑物地震碰撞研究

论文摘要

相邻建筑物碰撞是指地震作用下其间距无法满足相对位移要求时造成的侧向撞击，常常导致或加剧结构破坏。目前，我国城镇现存建筑，尤其是临街建筑中多数防震缝宽度不足甚至为零。国内外近年的几次地震表明，这些建筑在强烈地震作用下，极易发生碰撞破坏，造成生命和财产巨大损失。因此，开展相邻建筑地震碰撞破坏研究，发展相邻建筑抗震能力评估方法具有重要的理论意义和工程应用价值。针对相邻建筑地震碰撞破坏问题，本文主要进行了两方面研究。首先，推导了考虑屈曲的钢筋本构方程，基于纤维模型建立钢筋混凝土框架梁柱单元，模拟了清华大学公布的一个框架结构边柱拟静力试验加载过程；与试验结果对比表明，本文建立的梁柱单元模型能满足计算要求；选取Hertz-damp接触单元模型，推导了考虑碰撞的结构动力方程；提出变积分步长法，兼顾了计算效率和碰撞模拟精度；模拟了相邻钢筋混凝土框架结构地震碰撞过程，编写后处理程序，显示梁柱单元破坏指数的变化过程，分析了碰撞破坏致灾原因；研究了相邻建筑结构破坏指数与其间距的关系，给出相邻建筑间距取值方法。其次，本文提出相邻建筑物碰撞谱的概念，分析了碰撞谱的影响因素和特征，可为相邻建筑物抗震能力评估以及防撞、加固措施研究提供参考。主要结论如下：（1）相邻钢筋混凝土框架结构碰撞过程模拟碰撞过程分析表明，多数情况下随防震缝的加宽，碰撞力幅值和碰撞次数降低，结构破坏程度减轻；随着PGA的增大，碰撞力的幅值增加，碰撞次数增多；碰撞力峰值与PGA基本呈线性关系，说明PGA对结构碰撞影响很大；当碰撞力峰值较高时，结构的侧向振动主振型会发生改变；碰撞会使得结构水平加速度反应放大，高频成分会增多，并且产生方向性差异；碰撞对结构水平位移反应的影响明显小于加速度，位移反应的主要特征就是单方向位移受限；单元破坏指数分析表明，防震缝较小时碰撞会造成相邻结构局部或整体破坏程度加重；分析结构破坏指数与相邻结构间距的关系，发现在小于无碰撞间距的一定区间内时，结构的破坏指数稍微降低或稍微增加，基本保持不变，本文认为此区间内结构破坏程度不变，建议相邻结构间距取该区间的最小值，算例表明本文建议间距比无碰撞间距缩小10%左右，可节约土地成本，给设计施工带来方便。（2）相邻建筑碰撞谱研究碰撞谱既能反映地震动的特征，也能考虑相邻建筑之间碰撞对结构地震反应的影响。选取76条最不利设计地震动进行碰撞谱计算，主要在弹性范围内研究了不同参数对碰撞谱的影响，为近似估计碰撞影响提供参考。分析表明防震缝宽度和PGA对碰撞谱曲面的影响与时程分析结果一致。当质量、阻尼比、延性系数相同时，若不考虑地震动输入相位差，相邻结构周期相同则无碰撞。另外，结构的阻尼比、延性系数越大，质量越轻、接触刚度越低，相邻结构之间的碰撞力越小。碰撞对小阻尼比结构反应峰值的影响比大阻尼比结构要大。结构的质量越大，碰撞力越大，但碰撞对结构反应的影响越小；质量小的结构的反应受碰撞影响较大。碰撞对延性系数大的结构加速度反应峰值影响较大。降低相邻建筑物之间的接触刚度，可有效避免相邻结构地震碰撞破坏。场地类型对碰撞作用有一定影响，但随PGA增大，影响变小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 研究现状及分析
• 1.2.1 碰撞破坏类型
• 1.2.2 研究现状
• 1.2.3 存在问题
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 钢筋混凝土纤维材料的本构关系
• 2.1 引言
• 2.2 钢筋纤维模型
• 2.2.1 钢筋本构模型
• 2.2.2 钢筋屈曲模型
• 2.2.3 钢筋强度折减和断裂
• 2.2.4 模型验证
• 2.3 混凝土纤维模型
• 2.3.1 混凝土本构模型
• 2.3.2 混凝土强度折减和破坏
• 2.4 小结
• 第三章 基于纤维模型的钢筋混凝土梁柱单元
• 3.1 引言
• 3.2 梁柱单元分析模型
• 3.2.1 节点的力和位移
• 3.2.2 梁截面上的力与变形
• 3.2.3 单元刚度矩阵
• 3.3 纤维模型
• 3.3.1 平面梁柱单元刚度矩阵
• 3.3.2 单元截面破坏指数
• 3.4 材料非线性分析方法
• 3.4.1 直接迭代法
• 3.4.2 N-R 方法
• 3.4.3 MN-R 方法
• 3.4.4 增量法
• 3.5 几何非线性分析方法
• 3.5.1 理论基础
• 3.5.2 切线刚度矩阵的推导
• 3.6 算例
• 3.7 小结
• 第四章 相邻框架结构地震碰撞过程模拟
• 4.1 引言
• 4.2 接触单元模型
• 4.3 动力方程推导
• 4.3.1 压缩变形表达式
• 4.3.2 碰撞力表达式
• 4.3.3 考虑碰撞的动力方程
• 4.4 积分步长探讨
• 4.5 相邻框架结构地震碰撞过程分析
• 4.5.1 结构模型
• 4.5.2 地震动及计算参数
• 4.5.3 模拟结果分析
• 4.6 间距取值讨论
• 4.7 小结
• 第五章 相邻建筑物碰撞谱研究
• 5.1 引言
• 5.2 相邻建筑物碰撞谱的概念
• 5.3 地震动选取
• 5.4 结构参数的影响
• 5.4.1 防震缝宽度的影响
• 5.4.2 阻尼比的影响
• 5.4.3 结构质量的影响
• 5.4.4 延性系数的影响
• 5.4.5 接触刚度的影响
• 5.5 地震动参数的影响
• 5.5.1 地震动的影响
• 5.5.2 地震动峰值 PGA 的影响
• 5.5.3 场地类型的影响
• 5.6 小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 攻读博士期间主要参与的课题
• 攻读博士期间发表的主要论著