相邻框架结构地震碰撞破坏机理与抗震能力评估研究

Collision of adjacent structures is a typical damage during almost all big earthquakes at home and abroad. Seismic damage investigation showed that collision was one of the leading reasons which made damage worse and resulted in huge economic losses. The project is to explain the collision damage mechanism of adjacent frame structures and propose a method to evaluate the global seismic ability of adjacent frame structures. First, contact element model is established by the specimen collision experiment. The dynamic equation considering of the collision is derived by combing with the beam element based on fiber model. Collision process simulation of the adjacent frame structure is realized. Second, adjacent structure collision damage mechanism is explained according to the change of structure damage index, which accurately describes structural damage. Third, the reasonable gap of adjacent frame structures is given after studying the relationship between the adjacent frame structure gap and collision damage. The evaluation method of adjacent frame structure seismic capability for different gaps is presented finally. The project can provide scientific basis for seismic capability evaluation, reconstruction and reinforcement of the existing adjacent frame building. The reasonable gaps determining by the project can be referred to the standard revision and seismic design for new building.

相邻结构碰撞破坏是国内外历次大地震中的典型震害之一，它加剧了结构破坏，造成了巨大的经济损失。本项目以解释相邻框架结构碰撞破坏机理，评估其抗震能力为目标，展开系统深入研究。首先，通过试件碰撞实验建立接触单元模型，结合基于纤维模型的梁柱单元，推导考虑碰撞的动力方程，实现相邻框架结构地震碰撞过程的模拟。然后，给出合理的结构破坏指数，准确描述结构破坏程度，根据构件破坏指数的变化，解释相邻结构碰撞破坏机理。最后，研究相邻框架结构间距与其碰撞破坏程度之间的关系，给出其合理间距取值；分析碰撞对结构地震反应的影响，给出不同间距相邻框架结构抗震能力的评估方法。项目研究有助于揭示地震作用下相邻结构碰撞破坏机理，将为现有相邻建筑的抗震能力评估、改造和加固工作提供依据；确定的合理间距可为规范修订和新建建筑抗震设计提供参考。

相邻结构碰撞破坏是国内外历次大地震中的典型震害之一，它加剧了结构破坏，造成了巨大的经济损失。本项目解释了相邻框架结构碰撞破坏机理，给出了其抗震能力评估方法。首先，选取Hertz-damp接触单元模型，推导了考虑碰撞的结构动力方程，分析了相邻框架结构碰撞过程；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，结构的破坏指数基本保持不变，本报告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。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，相邻结构的质量相同时，两者质量越大，结构加速度反应越小；相邻结构的质量不同时，其中质量小的结构比质量大的结构受碰撞影响大；PGA越大、防震缝宽度越小，结构加速度反应越大，反之越小；场地条件对碰撞谱的影响规律随不同工况而不同，故对每一种工况均分为四种场地条件讨论；统计拟合出大量地震动下放大系数的分布规律，得到考虑相邻建筑物碰撞的设计谱；参照单体建筑抗震能力评估常用的改进能力谱法，对两个建筑模型进行抗震能力评估研究，不考虑碰撞时，在遭遇相应于设防烈度的罕遇地震影响时，结构具有中等的抗震能力，考虑相邻建筑碰撞时，结构的抗震能力降低，降低程度因具体工况而异。