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摘要:概述了已實際發生的重大地震災害中的相鄰建筑結構碰撞現象，對碰撞問題的理論分析方法發展進行了簡要介紹，并針對相鄰建筑結構碰撞研究現狀進行了回顧與總結，為進一步研究相鄰建筑結構碰撞問題提供參考。

關鍵詞:相鄰建筑;結構碰撞;模擬

隨著國民經濟的飛速發展和城市化進程的加快，城市的規模不斷擴大，人口也日益聚集增多，城市建筑越發密集。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。不同結構的破壞機理不盡相同，其中碰撞造成的破壞是結構倒塌的重要因素之一，所以研究結構的碰撞破壞機理是擺在地震工程學者面前的一道難題，通過對碰撞破壞機理的深入研究，達到預防碰撞破壞或倒塌帶來的次生環境災害的目的。因此，對相鄰建筑結構之間的碰撞反應進行分析具有重要的理論價值和工程實踐意義。

1地震中的相鄰結構碰撞

近年來，有關近距離物體碰撞的研究備受關注，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的損失。美國的阿拉斯加大地震中［1］，AnchorageWestwardHotel與相鄰的三層建筑發生碰撞，造成了嚴重的破壞，引發房屋里的洗手間、暗溝等下水管道破裂，而使污水流入周邊地表，導致嚴重的土體環境污染和地下水水體環境污染。日本的十勝沖地震中［2］，在學校里的兩個三層等高建筑發生相互碰撞，其原因是兩個相鄰等高建筑質量相差太大，當質量大的建筑作用在質量較小的建筑時，后者產生的側向位移將極大可能超過其彈性變形，造成結構性破壞。美國的SanFernando地震中［3］，一家醫院的建筑樓與一所樓梯塔之間發生相互碰撞，造成嚴重的結構性破壞，導致未經處理的廢棄醫用材料，包括帶有傳染性病毒的針頭，直接暴露到環境中，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60cm左右，雖發生了相互碰撞，但并沒有造成很嚴重的結構性破壞。Romania地震中［6］，有30多座建筑由于位于街道拐角，扭轉擺動效應和近距離建筑間振動傳播效應較強，發生倒塌，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物質對我們賴以生存的環境也造成了不小的傷害，應當引起我們足夠的重視。GreatMexico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現，其中有近一半的破壞與結構碰撞相關，確定的有近三分之一的結構確是碰撞所引發的。羅馬列塔地震中［8］，超過500幢建筑受損，其中有200多幢發生碰撞，多座化工廠倒塌，導致液氨和硫酸泄漏，對水體及大氣造成了不同程度的污染。Athens地震中［9］，學校的部分教學樓之間由于間距不足發生相互碰撞，導致建筑頂層的女兒墻直接倒塌。TurkeyKcae-li地震中［10］，相鄰的兩個不等高建筑發生近距離物體碰撞，碰撞直接導致6層上部結構層柱的剪切破壞和2層建筑的角柱破損。2008年發生在我國的汶川大地震［11］，大多數建筑也是由于相互碰撞導致坍塌，其中有許多化工廠由于碰撞破壞后，建筑內部的管道破損，造成了化學物質的嚴重泄漏，對周邊環境造成了嚴重的傷害。2011年新西蘭克萊斯特徹奇地震［12］，發現大量因碰撞造成結構破壞倒塌的情況。

2相鄰結構碰撞分析方法的發展

結構碰撞問題發展至今，其理論研究方法主要分兩類。一是恢復系數法，該法核心是將碰撞階段分為兩段，碰撞前和碰撞后，并假定結構碰撞部位為質點，以質點間的瞬時碰撞為要點，采用動量守恒定量修正質點碰撞后的速度，依此計算碰撞部位的動力方程。其不足之處是忽略了結構碰撞體的應力和整體變形，也無法求出碰撞階段的時程曲線。ATHA-NASSIADOUCJ等［13］認為，地震波是造成近距離結構相互碰撞的主要原因，自振特性相近的結構之間也可能發生碰撞問題，而不是由于不同結構之間不同的自振頻率引起的。當地震波輸入不同步時，將使得結構碰撞作用變大，自振特性不同的相鄰結構中大剛度的結構將遭受更為嚴重的碰撞損害。MUTHUKUMARS等［14］基于多跨橋梁的碰撞問題，得出了地面運動特征和結構的自振周期是引起橋梁碰撞整體反應的主要因素。PAPADRAKAKISM等［15］基于Lagrange乘子法，以動量和能量守恒定律分析了相鄰結構的地震碰撞問題。二是接觸單元法，該法基于力學原理，考慮碰撞力和碰撞部位的變形協調關系，在碰撞區域添加碰撞單元，如線性彈簧等，繼而求出碰撞接觸部位的動力反應。KASAIK等［16］模擬分析了結構局部剛度對碰撞的影響，將整體模型簡化為層模型，并在接觸部位設置線性彈簧。FILIATRAULTA等［17］對比分析了相鄰結構碰撞的模型試驗結構和數值模擬結果，結論較為吻合。JANKOWSKIR［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結合起來，研究了結構碰撞問題，但應用Kelvin模型也有不足之處，在結構碰撞結束階段，碰撞力顯示為拉力，并不符合結構的實際碰撞狀態。MAX等［19］將一種新模型———Hertz－damp模型引入結構碰撞問題，Hertz－damp模型同時應用了非線性彈簧以及非線性粘滯阻尼器，比較好地解決了結構碰撞過程中的非線性剛度和能量損失問題。

3相鄰結構碰撞問題的研究現狀

3．1振動臺碰撞試驗研究現狀。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構碰撞問題的情況較為少見。王立新等［20］采用鋼質材料制作了相鄰的超高層結構縮尺模型，進行了多次模型碰撞試驗，試驗發現復雜高層相鄰結構的碰撞具有較大的不確定性，其中柔性結構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層鋼結構模型和3層鋼結構模型，并且兩結構的層高不同，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，發現結構位移反應受到碰撞作用影響較小，而結構加速度反應會受到較大的影響。尹俊紅等［22］將鋼筋和質量塊焊接在一起，構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，發現不同的激勵方式對結構碰撞造成的影響具有較為顯著的差異性。3．2考慮土體環境的研究現狀。21世紀初期，劉宗光等［23］研究了土體對擋土結構產生的作用力，發現土體產生的作用力來自于兩個時段，分別是開挖卸載時和擋土結構產生位移時。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過程進行模擬，證明對于考慮土體的復雜工程進行三維建模分析非常有應用價值。董鵬等［25］應用可靠度理論，對土體與地下結構在強震作用下相互作用的過程進行研究，計算得出地下結構四周土體的可靠度、動態應力以及孔隙水壓力，對實際工程中的地下結構抗震設計有參考價值。宋和平等［26］對結構在地震中發生沉陷現象的研究歷程進行了整合梳理，揭示了該項研究今后的發展趨勢。何濤等［27］通過ANSYS軟件建立了考慮土體環境的連體塔樓結構模型，比較了考慮土體環境與不考慮土體環境兩種情況下，連體塔樓結構的地震動力反應，發現考慮土體環境的結構周期更長。王鑫等［28］針對隧道結構在地震作用下的振動性質開創了一種理論分析法，推導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關系，建立了一個考慮土體與框架剪力墻結構相互作用的新式簡化模型，分析發現土體作用力對高層框架剪力墻結構的多項動力反應具有顯著影響。近幾年，李雄彥等［30］建立了大跨度穹頂結構模型，研究土體作用力對穹頂結構動力分析的影響，分析發現穹頂結構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運算方法相結合，共同展開運算分析，對比得出最優運算方式。邵艷麗等［32］研究了土體作用力對基礎樁和上部結構的地震動影響，研究發現土體會與基礎樁和上部結構產生共振。劉毅等［33］通過振動臺試驗對土體與柱網結構的動力反應進行研究，提出在研究土體作用力對柱網結構的動力反應時，應關注地震波頻率譜的各項特征。

4結論

(1)針對結構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，主要在于結構變形是以局部代替整體，同時接觸剛度無法準確得到，在數值模擬時將會使得結構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)目前對于結構碰撞問題的已有研究幾乎都采用了結構的簡化模型，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、不規則結構形體產生的影響。因此，對于結構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，再由土體傳遞到結構，土體與結構間的接觸作用以及對地震波的過濾作用都將對結構碰撞產生影響，而目前考慮土體的研究均是基于單個建筑的研究，因此在結構碰撞問題中考慮土體的作用非常有必要。

作者:丁琪 郭軍忠 袁建剛 高旭娜 單位:江蘇城鄉建設職業學院