基于量纲分析的强震作用下相邻建筑结构碰撞破坏机理研究

Numerous investigations have shown that the pounding between adjacent structures is one of the main causes leading to the damage or even collapse of the buildings. The large and wide variety of parameters that govern the response of pounding structures, has resulted in some conflicting conclusions in the literature. One of the promising approaches to deal with this parametric complexity in the field of earthquake engineering research is by dimensional analysis, which offers a condensed presentation of the seismic response and brings forward the fundamental physical similarities describing the structural behavior. In this subject, the pounding responses of buildings subjected to earthquake are investigated with dimensional analysis, and a series of shaking table tests are conducted. The effect of ground motion properties on pounding response is analyzed, and the effect of near-fault pulse-like ground motions on the damage of adjacent structures is particularly explained. The single- and double- side pounding response between multiple adjacent buildings is studied, and the effect of different structural distribution is analyzed. The effect of different structural properties on the pounding response is illustrated using dimensionless spectral regions. The reasonable gap of adjacent structures to decrease the pounding damage is derived. The project can reveal the damage mechanism for seismic pounding, and improve the seismic capability of adjacent buildings.

震害调查表明，地震作用下相邻建筑结构碰撞是导致结构破坏、倒塌的重要原因之一。由于强震作用下结构碰撞过程所涉及参数的复杂性，当前研究仍存在很多片面、不一致的结论。量纲分析方法可有效解决参数复杂性问题，将碰撞反应采用数目较少且具有明确物理意义的无量纲参数表达，展示出清晰的碰撞反应规律。基于量纲分析方法，本项目拟将建立真实地震动作用下相邻建筑结构的无量纲碰撞反应数学模型，通过碰撞振动台试验验证该模型的正确合理性；分析地震动特性对结构碰撞反应的影响规律，尤其是近场脉冲型地震动对结构碰撞破坏过程的影响；研究一排多个建筑间的单、双边碰撞作用，探索结构布局对碰撞反应的利弊影响；以无量纲谱的形式研究相邻多层结构特性参数对碰撞破坏反应的影响，确定降低结构碰撞灾害所需的合理间距。本项目对于揭示强震下相邻结构的碰撞规律及破坏机理、提高城市建筑群的地震安全性具有重要的理论意义和实际价值。

震害调查表明，地震作用下相邻建筑结构碰撞是导致结构破坏、倒塌的重要原因之一。由于强震作用下结构碰撞过程所涉及参数的复杂性，当前研究仍存在很多片面、不一致的结论。量纲分析方法可有效解决参数复杂性问题，将碰撞反应采用数目较少且具有明确物理意义的无量纲参数表达，展示出清晰的碰撞反应规律。本项目基于量纲分析方法建立了地震作用下相邻单自由度结构体系、多自由度结构体系的无量纲碰撞反应数学模型，揭示了结构地震碰撞反应的自相似性以及反应受碰撞作用的三个谱区；进行了两组大尺寸框架结构模型碰撞振动台试验，模拟了相邻结构楼层碰撞作用和柱中碰撞作用，验证了所建立数学模型的正确性和合理性，对比了近、远场地震动作用下结构碰撞反应，分析了地震动频谱特性对结构碰撞反应的影响；采用所建立的数学模型研究了一排多个建筑间的单、双边碰撞作用，分析了不同结构布局对碰撞反应的影响，对最不利建筑布局给出了设计建议；以无量纲谱的形式研究了相邻结构的刚度比、质量比和初始间距在三个不同的谱区条件下对碰撞反应的影响；建立并验证了相邻建筑结构柱中碰撞精细化有限元模型，研究了楼层质量偏心对结构反应的影响。该项目对于揭示强震下相邻结构的碰撞规律及破坏机理、提高城市建筑群的地震安全性具有重要的理论意义和实际价值。本项目按照预期目标圆满完成了相邻建筑结构在地震作用下碰撞破坏的震害调研、大比例模型振动台试验、简化数学分析模型研究以及精细化有限元数值模拟研究等。