基于结构易损性的结构碰撞分析
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摘 要
世界大量地震灾害调查结果表明，碰撞是导致建筑物非结构性和结构性破坏
甚至倒塌的重要原因之一。随着我国城市化进程的加快，土地资源的稀缺，城市
中将出现大量相邻建筑，对于地震作用下结构碰撞问题应引起足够重视。我国对
一般房屋很少采用抗地震倒塌的验算，缺少建筑结构抗震倒塌定量验算方法以及
评价指标。因此，对相邻建筑进行碰撞易损性分析，是具有现实的理论研究意义。
本文基于结构易损性研究相邻等高多层钢筋混凝土框架结构的碰撞问题，开
展如下几方面的工作：
（1）在大量阅读国内外文献的基础上，对结构碰撞和结构易损性的研究现状，
进行了回顾和总结。
（2）对相邻建筑结构碰撞问题的研究方法进行了综述，重点介绍了接触单元法
在结构碰撞研究领域中的应用，给出了它们的数学方程和参数设置，并比较了各
碰撞模型的优缺点。
（3）对结构易损性的研究方法进行了简述，重点介绍了基于 IDA 的结构抗地震
倒塌易损性分析方法，确定了基于结构碰撞损伤指标的易损性分析步骤。
（4）选取相邻等高七层钢筋混凝土框架为研究对象，从结构顶层时程位移、楼
层位移、层间位移角、楼层剪力和碰撞力等五个方面，研究了在不同防震缝宽度
工况下，楼层碰撞破坏对相邻结构响应的影响，探讨了在不同间距下结构碰撞响
应的规律，为相邻结构抗震设计和防灾减灾提供合理的建议。
（5）按不同烈度而其它条件相同设计了五榀两跨七层钢筋混凝土框架，按规范
在相邻建筑间设置防震缝宽度，进行了基于 IDA 的结构抗地震易损性分析，给出
了不同框架的抗倒塌储备，为相邻建筑密集区抗震设防提供了建议。
关键词：结构碰撞 结构易损性 楼层碰撞破坏 相邻框架
ABSTRACT
The earthquake survey have indicated that pounding is the main factor resulting in
non-structural and structural damage ，or even collapse. With the acceleration of
urbanization, there will be many adjacent buildings in cities because of the scarcity of
land, the problem of structural pounding must be paid enough attention. The
collapse-resistant checking is few used in seismic code, lacking of explicit quantitative
evaluation methods and index. Therefore it has important theory research significance to
research pounding problem based on structural fragility. The main works of this
dissertation are described as follows:
（1）The study reviewed and summarized the research actuality of seismic pounding
and fragility of the related literatures.
（2）The available research methods on seismic pounding are reviewed and the contact
element methods are emphatically introduced. The mathematical expressions and
methods to determine parameters of them are given. The disadvantage and advantage of
pounding model are discussed.
（3）Retrospect the seismic fragility methods was finished and the collapse fragility
analysis which is based on incremental dynamic analysis (IDA) was introduced. The
analysis steps are determined finally.
（4）The adjacent seven-story RC frame is selected as research object to study peak
displacement, story drift- angle, shear and pounding force under the different seismic
gap. The results will provide beneficial suggestions and references to seismic design of
adjacent structures.
（5）The five two bay、seven-story RC frames with different seismic fortification levels
are quantitatively evaluated, with collapse fragility analysis based on incremental
dynamic analysis (IDA) with seismic gap set according to the seismic code. The results
are provided the suggestions to the earthquake-resistant of the densely build areas.
Key words: structure pounding; structure fragility; heavier adjacent
building pounding; adjacent frame
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪 论...............................................................................................................1
§1.1 论文研究的意义............................................................................................1
§1.1.1 论文的研究动机..................................................................................1
§1.1.2 论文研究目的......................................................................................2
§1.2 结构碰撞和易损性研究概述........................................................................2
§1.2.1 结构碰撞研究综述..............................................................................2
§1.2.2 结构易损性研究综述..........................................................................8
§1.3 基于结构易损性的结构碰撞分析的提出...................................................11
§1.3.1 基于结构易损性的结构碰撞分析的必要性....................................11
§1.3.2 基于结构易损性的结果碰撞分析的思路........................................11
§1.4 本文主要研究内容.......................................................................................12
第二章 基于结构易损性的结构碰撞理论分析.........................................................13
§2.1 结构碰撞分析理论......................................................................................13
§2.1.1 相邻结构碰撞运动方程....................................................................13
§2.1.2 结构碰撞仿真分析方法....................................................................13
2.2 结构易损性分析理论.......................................................................................21
§2.2.1 结构易损性分析方法........................................................................21
§2.2.2 结构易损性中的不确定因素分析....................................................26
§2.2.3 基于损伤指标的 IDA 分析方法 ...................................................... 27
§2.3 基于结构易损性的结构碰撞理论分析.......................................................28
§2.3.1 结构碰撞损伤指标的选取................................................................28
§2.3.2 基于结构碰撞损伤指标进行易损性分析........................................29
§2.4 本章小结.......................................................................................................29
第三章 钢筋混凝土框架抗地震倒塌易损性分析理论.............................................30
§3.1 前言..............................................................................................................30
§3.2 地震波数据特性..........................................................................................31
§3.2.1 地震波数据的选取............................................................................31
§3.2.2 地震动强度指标及其归一化处理....................................................34
§3.3 结构抗地震倒塌易损性数值模拟分析.......................................................35
§3.3.1 动力弹塑性时程分析原理................................................................35
§3.3.2 结构抗地震倒塌易损性 IDA 方法的步骤 ...................................... 37
§3.3.3 结构倒塌的评判标准........................................................................38
§3.4 易损性曲线拟合分析方法...........................................................................38
§3.4.1 结构倒塌概率数据的拟合曲线的选取............................................38
§3.4.2 结构抗倒塌储备安全系数理论分析................................................39
§3.5 算例分析.......................................................................................................40
§3.5.1 算例框架结构设计............................................................................40
§3.5.2 算例建模分析....................................................................................42
§3.5.3 结构抗倒塌易损性分析结果............................................................43
§3.6 本章小结.......................................................................................................44
第四章 钢筋混凝土框架结构碰撞数值模拟.............................................................45
§4.1 引言..............................................................................................................45
§4.2 结构碰撞分析简化......................................................................................45
§4.2.1 二维分析模型....................................................................................45
§4.2.2 地震动空间变化(行波效应) ............................................................. 46
§4.2.3 土与结构之间相互作用....................................................................46
§4.3 框架结构碰撞数值分析方法.......................................................................47
§4.3.1 结构碰撞分析方法............................................................................47
§4.3.2 结构阻尼............................................................................................47
§4.3.3 碰撞模型............................................................................................47
§4.3.4 结构地震碰撞算例验算分析............................................................48
§4.4 等高相邻结构地震碰撞响应分析...............................................................52
§4.4.1 等高相邻结构碰撞震害调查............................................................52
§4.4.2 碰撞效应研究....................................................................................53
§4.5 本章小结......................................................................................................68
第五章 钢筋混凝土框架结构抗地震倒塌易损性分析.............................................70
§5.1 前言..............................................................................................................70
§5.2 结构碰撞损伤指标......................................................................................70
§5.3 地震波数据..................................................................................................71
§5.4 钢筋混凝土框架结构抗震设计...................................................................72
§5.5 结构抗地震倒塌易损性分析结果...............................................................74
§5.6 本章小结......................................................................................................76
第六章 结论与展望.....................................................................................................77
§6.1 结论..............................................................................................................77
§6.2 展望..............................................................................................................78
参考文献.........................................................................................................................80
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................80
致谢.................................................................................................................................88
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 论文研究的意义
§1.1.1 论文的研究动机
世界大量地震灾害调查结果表明，结构碰撞是导致相邻结构非结构性和结构
性破坏甚至倒塌的重要原因之一。例如：在 1985 年Mexico City 地震中，总共有
330 栋建筑倒塌或遭受严重破坏，其中有 40％由于结构碰撞引起的，而且这种破
坏造成其中 l5％的建筑倒塌。
1989 年Loma Pieta 地震中也有 500 栋建筑发生了碰
撞破坏。1995 年日本阪神地震期间，高速公路桥梁破坏被大量报道，证实了碰撞
导致支撑部位的开裂是桥梁局部破坏和倒塌的潜在因素的原因[1]-[3]。我国处于亚欧
地震带和环太平洋地震带之间，地震发生频繁。由于地震具有很强的随机性和不
可确定性，按我国现行的以保障生命安全为基本目标的抗震设计规范所设计和建
造的建筑物，在地震中虽然可以避免倒塌，但其破坏却造成了严重的直接和间接
经济损失，甚至影响到社会和经济的可持续发展。2008 年5月初的汶川大地震，
地震震级是 8级，震中区烈度达 11 度，大量建筑物倒塌，通过对震害现场的调查
分析后，有大量相邻建筑物发生碰撞破坏，这给我们敲响了警钟。随着我国城市
化进程的加快，土地资源的稀缺，城市中将出现大量相邻建筑，对于地震作用下
结构碰撞问题应引起足够重视。
传统的抗震设计理念是基于生命安全理念建立起来的，即设计出来的建筑结
构以保障生命安全为主要目标，房屋损坏所带来的自身经济损失和室内财产损失
并不是抗震设防需要达到的第一目标。基于性能的抗震设计主要思想是：结构在
其设计使用期间内，在遭受不同水平的地震作用下，应该有明确的性能水平，并
使得结构在整个生命周期中费用达到最小。结构(地震)易损性分析是基于性能的抗
震设计(performance-base Earthquake Design) 和基于性能的地震工程的
(performance-base Earthquake Engineering)重要研究内容，也是结构地震风险分析中
的核心内容。地震易损性对结构的维修、加固和抗震性能评估具有重要的价值，
因此它在地震损失分析中占了重要地位，地震易损性分析是结构全生命周期优化
设计的关键步骤[4]。
地震是一种突发性自然灾害，对地震的预报是世界性的难题。一个国家抗震
设防水平的高低，是国家投入人力、物力、资金与灾害博弈的过程。目前，受我
国经济水平所限，我国的抗震设防能力要低于美国等发达国家。建筑结构抗地震
倒塌能力是结构抗震性能的核心目标，我国抗震规范中采用的是三水准和两阶段
摘要：
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摘要世界大量地震灾害调查结果表明，碰撞是导致建筑物非结构性和结构性破坏甚至倒塌的重要原因之一。随着我国城市化进程的加快，土地资源的稀缺，城市中将出现大量相邻建筑，对于地震作用下结构碰撞问题应引起足够重视。我国对一般房屋很少采用抗地震倒塌的验算，缺少建筑结构抗震倒塌定量验算方法以及评价指标。因此，对相邻建筑进行碰撞易损性分析，是具有现实的理论研究意义。本文基于结构易损性研究相邻等高多层钢筋混凝土框架结构的碰撞问题，开展如下几方面的工作：（1）在大量阅读国内外文献的基础上，对结构碰撞和结构易损性的研究现状，进行了回顾和总结。（2）对相邻建筑结构碰撞问题的研究方法进行了综述，重点介绍了接触单元法在结...
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