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

隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展和城市化進程的加快，城市的規(guī)模不斷擴大，人口也日益聚集增多，城市建筑越發(fā)密集。我國城市建筑尤其是大中城市中有著許多相鄰建筑物間距過小的情況，安全隱患不容小覷。不同結(jié)構(gòu)的破壞機理不盡相同，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)的碰撞破壞機理是擺在地震工程學(xué)者面前的一道難題，通過對碰撞破壞機理的深入研究，達到預(yù)防碰撞破壞或倒塌帶來的次生環(huán)境災(zāi)害的目的。因此，對相鄰建筑結(jié)構(gòu)之間的碰撞反應(yīng)進行分析具有重要的理論價值和工程實踐意義。

1 地震中的相鄰結(jié)構(gòu)碰撞

近年來，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。日本的十勝沖地震中[2]，在學(xué)校里的兩個三層等高建筑發(fā)生相互碰撞，其原因是兩個相鄰等高建筑質(zhì)量相差太大，當質(zhì)量大的建筑作用在質(zhì)量較小的建筑時，后者產(chǎn)生的側(cè)向位移將極大可能超過其彈性變形，造成結(jié)構(gòu)性破壞。美國的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，帶來大量的建筑垃圾。Guatemala地震中[5]，由于相鄰建筑建筑間距達到60 cm左右，雖發(fā)生了相互碰撞，但并沒有造成很嚴重的結(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)擺動效應(yīng)和近距離建筑間振動傳播效應(yīng)較強，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重，大量的尸體難以得到及時的處理，隨著時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)對我們賴以生存的環(huán)境也造成了不小的傷害，應(yīng)當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，通過對其破壞機理的研究發(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)的嚴重泄漏，對周邊環(huán)境造成了嚴重的傷害。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)碰撞問題發(fā)展至今，其理論研究方法主要分兩類。

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，以質(zhì)點間的瞬時碰撞為要點，采用動量守恒定量修正質(zhì)點碰撞后的速度，依此計算碰撞部位的動力方程。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，也無法求出碰撞階段的時程曲線。ATHANASSIADOU C J等[13]認為，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?shù)卣鸩ㄝ斎氩煌綍r，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)將遭受更為嚴重的碰撞損害。MUTHUKUMAR S等[14]基于多跨橋梁的碰撞問題，得出了地面運動特征和結(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，以動量和能量守恒定律分析了相鄰結(jié)構(gòu)的地震碰撞問題。

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力反應(yīng)。KASAI K等[16]模擬分析了結(jié)構(gòu)局部剛度對碰撞的影響，將整體模型簡化為層模型，并在接觸部位設(shè)置線性彈簧。FILIATRAULT A等[17]對比分析了相鄰結(jié)構(gòu)碰撞的模型試驗結(jié)構(gòu)和數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)論較為吻合。JANKOWSKI R[18]為彌補線性彈簧不能模擬碰撞時的能量損失問題，采用Kelvin模型將線性彈簧和阻尼系數(shù)結(jié)合起來，研究了結(jié)構(gòu)碰撞問題，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)碰撞問題，Hertz-damp模型同時應(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)碰撞過程中的非線性剛度和能量損失問題。

3 相鄰結(jié)構(gòu)碰撞問題的研究現(xiàn)狀

3.1 振動臺碰撞試驗研究現(xiàn)狀

由于試驗條件難以滿足要求，模型制作難度較大等因素，采用試驗方法研究相鄰結(jié)構(gòu)碰撞問題的情況較為少見。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，進行了多次模型碰撞試驗，試驗發(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條正弦波記錄進行振動臺碰撞試驗，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)成簡易單自由度模型，采用3種不同的激勵形式，進行了4組對比碰撞試驗，發(fā)現(xiàn)不同的激勵方式對結(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世紀初期，劉宗光等[23]研究了土體對擋土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用力，發(fā)現(xiàn)土體產(chǎn)生的作用力來自于兩個時段，分別是開挖卸載時和擋土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移時。陸新征等[24]采用三維建模分析方法對某特深基坑的開挖作業(yè)過程進行模擬，證明對于考慮土體的復(fù)雜工程進行三維建模分析非常有應(yīng)用價值。董鵬等[25]應(yīng)用可靠度理論，對土體與地下結(jié)構(gòu)在強震作用下相互作用的過程進行研究，計算得出地下結(jié)構(gòu)四周土體的可靠度、動態(tài)應(yīng)力以及孔隙水壓力，對實際工程中的地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計有參考價值。宋和平等[26]對結(jié)構(gòu)在地震中發(fā)生沉陷現(xiàn)象的研究歷程進行了整合梳理，揭示了該項研究今后的發(fā)展趨勢。何濤等[27]通過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)的地震動力反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)考慮土體環(huán)境的結(jié)構(gòu)周期更長。王鑫等[28]針對隧道結(jié)構(gòu)在地震作用下的振動性質(zhì)開創(chuàng)了一種理論分析法，推導(dǎo)了多個考慮土體作用力的運動方程，并驗證了其正確性。石磊等[29]考慮了不同土層的本構(gòu)關(guān)系，建立了一個考慮土體與框架剪力墻結(jié)構(gòu)相互作用的新式簡化模型，分析發(fā)現(xiàn)土體作用力對高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)的多項動力反應(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，研究土體作用力對穹頂結(jié)構(gòu)動力分析的影響，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SSI提出了新式運算方式，并將這種新的運算方式與常規(guī)運算方法相結(jié)合，共同展開運算分析，對比得出最優(yōu)運算方式。邵艷麗等[32]研究了土體作用力對基礎(chǔ)樁和上部結(jié)構(gòu)的地震動影響，研究發(fā)現(xiàn)土體會與基礎(chǔ)樁和上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振。劉毅等[33]通過振動臺試驗對土體與柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)進行研究，提出在研究土體作用力對柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)時，應(yīng)關(guān)注地震波頻率譜的各項特征。

4 結(jié)論

(1)針對結(jié)構(gòu)碰撞問題已有不少模擬方法被提出和改進，但是對于模型參數(shù)的合理取值還有待進一步研究。接觸單元法進行了一些假定和簡化，主要在于結(jié)構(gòu)變形是以局部代替整體，同時接觸剛度無法準確得到，在數(shù)值模擬時將會使得結(jié)構(gòu)碰撞動力計算時無法收斂或模擬值偏大而與實際值不符。

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

(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地震波的過濾作用都將對結(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建筑的研究，因此在結(jié)構(gòu)碰撞問題中考慮土體的作用非常有必要。