地震作用下相邻不等高单层框架结构碰撞反应分析

'国内图书分类号：TU375.4学校代码：10213国际图书分类号：624.014密级：公开工学硕士学位论文地震作用下相邻不等高单层框架结构碰撞反应分析硕士研究生：蒋姗导师：谢礼立教授院士副导师：翟长海副教授申请学位：工学硕士学科、专业：土木工程所在单位：土木工程学院答辩日期：2010年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学 ClassifiedIndex:TU375.4U.D.C:624.014DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringANALYSISFORPOUNDINGOFADJACENTSINGLE-STOREYFRAMESTRUCTURESWITHUNEQUALHEIGHTSUBJECTEDTOGROUNDMOTIONSCandidate：JiangshanSupervisor：Prof.XieLiliMemberofCAEViceSupervisor：AssociateProf.ZhaiChanghaiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：CivilEngineeringAffiliation：SchoolofCivilEngineeringDateofDefence：July,2010Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology 摘要摘要大量的地震建筑物震害调查表明，碰撞是导致结构产生非结构性和结构性破坏、倒塌的重要原因之一。强烈地震作用下，相邻不等高结构之间由于存在动力特性的差异，或者受到非一致地震动作用的影响，容易遭受碰撞破坏。因此，研究碰撞对结构反应的影响，对保证相邻结构的地震安全具有重要意义。本文针对相邻不等高单层框架结构在强烈地震作用下的碰撞问题，采用显式非线性有限元分析和简化分析相结合的方法，研究了结构地震碰撞破坏机理，主要内容包括：1．介绍了常用的结构碰撞分析的理论分析方法，研究了广泛应用于碰撞问题的恢复系数法和接触单元法的分析方法和适用范围，并简要介绍了研究碰撞问题的显式有限元分析软件。2．使用显式非线性有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA，建立相邻不等高框架结构简化模型，研究了碰撞作用对结构加速度反应、位移反应、速度反应、应力、碰撞力等动力特性的影响及结构的碰撞机理。3．利用单自由度有限元模型，研究了相邻结构位置、相邻结构间距、地震动输入峰值加速度以及近场地震动对结构碰撞响应（加速度反应、位移反应、速度反应、碰撞力）的影响，得到一些重要结论。关键词：相邻不等高框架结构；碰撞；单自由度；ANSYS/LS-DYNA显式积分-I- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractIthasbeenshownthatbyalargenumberofinvestigationsofearthquakedamagetostructures,poundingisanimportantfactorresultinginnon-structuralandstructuraldamages,orevencollapseofstructure.Adjacentbuildingsissensitivetopoundingdamagesduetoeitherthedifferenceofdynamiccharacteristicsbetweentheneighboringstructuresortheeffectsofasynchronousearthquakewhensubjectedtostrongearthquakeexcitations.Hence,itissignificanttostudystructuralpoundingtoensureseismicsafetyofadjacentstructures.Thisdissertationinvestigatesthepoundingmechanismbyusingtheexplicitnonlinearfiniteelementapproachandthesimplifiedimpactmodelapproach.Themaincontentsinclude:1.Abriefoutlineoftheoreticalanalysismethodsofcollisionsisproposed.Thestereomechanicalapproachandthecontactelementapproachusedtomodeldynamicimpactproblemareintroducedandtheadvantagesanddisadvantagesofvariousmethodsarediscussed.Theexplicitfiniteelementsoftwareusedforsolutionofpoundingproblemisalsointroduced.2.Basedontherefiningoffiniteelementmodeloftwoadjacentstructuresofunequalheights,itinvestigatesthepoundingmechanismandtheeffectsofearthquake-inducedcollisionsonthedynamicresponsesofthestructures,suchastheaccelerationresponse,displacementresponse,velocityresponse,stressandpoundingforce.3.Thesingle-degree-of-freedomsystemcollisionmodelisselectedtostudytheinfluenceofthestructuralposition,gapsize,thepeakaccelerationofgroundmotionandnear-faultgroundmotionsoncollisionresponsesofstructures.Keywords:adjacentbuildingswithunequalheights,pounding,single-degree-of-freedomsystem,ANSYS/LS-DYNAexplicitintegration-II- 目录目录摘要.........................................................................................................................IAbstract......................................................................................................................II第1章绪论.............................................................................................................11.1课题背景及研究意义.......................................................................................11.2结构碰撞问题的研究现状...............................................................................31.2.1单自由度体系碰撞问题研究....................................................................31.2.2多自由度体系碰撞问题研究....................................................................41.2.3试验研究...................................................................................................51.3课题来源...........................................................................................................51.4课题主要研究内容...........................................................................................6第2章结构碰撞反应分析理论基础........................................................................72.1引言..................................................................................................................72.2结构碰撞原因及碰撞类型...............................................................................72.2.1结构碰撞原因...........................................................................................72.2.2结构碰撞类型...........................................................................................82.3结构碰撞问题的理论分析方法.......................................................................92.3.1恢复系数法...............................................................................................92.3.2接触单元法.............................................................................................102.4结构碰撞问题的有限元分析方法.................................................................142.4.1ANSYS/LS-DYNA有限元软件................................................................152.4.2ANSYS/LS-DYNA接触碰撞的基本算法................................................152.4.3接触力计算.............................................................................................172.5本章小结.........................................................................................................17第3章相邻不等高单层框架结构碰撞反应分析..................................................193.1引言................................................................................................................193.2相邻不等高结构有限元模型.........................................................................193.2.1结构模型参数.........................................................................................19-III- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.2.2结构模型研究点选取..............................................................................213.3碰撞对结构反应的影响.................................................................................243.3.1加速度反应.............................................................................................243.3.2位移反应.................................................................................................263.3.3速度反应.................................................................................................293.3.4应力反应.................................................................................................313.4本章小结.........................................................................................................35第4章相邻不等高结构位置分布对碰撞反应影响..............................................364.1引言................................................................................................................364.2有限元模型.....................................................................................................364.3研究点选取.....................................................................................................364.4碰撞反应分析.................................................................................................394.4.1加速度反应.............................................................................................394.4.2位移反应.................................................................................................424.4.3速度反应.................................................................................................444.4.4应力反应.................................................................................................464.5本章小结.........................................................................................................50第5章结构间距及输入地震动对结构碰撞反应影响...........................................525.1引言................................................................................................................525.2相邻结构间距对结构碰撞反应影响.............................................................525.3地震动峰值加速度对结构碰撞反应影响......................................................555.4近场地震动对结构碰撞反应影响.................................................................635.4.1地震动选取.............................................................................................635.4.2碰撞反应分析.........................................................................................655.5本章小节.........................................................................................................67结论与展望...............................................................................................................69参考文献...................................................................................................................70哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明............................................................73哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书............................................................73致谢...........................................................................................错误！未定义书签。-IV- 第1章绪论第1章绪论1.1课题背景及研究意义地震是一种严重的自然灾害，对于土木工程结构设施危害严重，统计表明，震害损失主要是由于工程结构在地震中的破坏、倒塌造成的，结构碰撞是造成[1]结构破坏、倒塌的重要原因之一。结构碰撞是指地震作用下相邻建筑之间的侧向撞击，由于相邻建筑动力性能的差异导致了地震时的非同步振动，当建筑[2,3]间的防震缝宽度无法满足这种地震振动状态的要求时，结构碰撞就会产生。地震引起的结构碰撞反应，可以导致建筑结构性破坏或非结构性破坏，在较强烈的地震动作用下，甚至会发生结构碰撞后倒塌，导致结构完全破坏,给人类的生命财产造成巨大的损失。在建筑群密集的城市区，由于结构布置紧凑，更容易发生碰撞现象。回顾一下以往地震中发现的结构碰撞破坏现象。1964年TheGreatAlaska地[4]震，14层的西部旅馆与相邻较低6层建筑发生碰撞，尽管有10厘米的间距，仍然发生了严重的破坏，造成楼板移位脱离钢梁支撑。1968年日本Tokachi-Oki地[5]震，一所高校的三层建筑，其中一个单元与相邻同等高度但是质量却是其3[6]倍的较钢的单元发生碰撞，造成严重的碰撞后移位。1972年Managua地震，一个五层建筑与相邻两侧刚度较大的两层建筑发生碰撞，导致楼层第三层发生[7]完全倒塌。1976年Guatemala地震，据报道很多相离两英尺的建筑发生碰撞，[8]但是没有引起严重的结构碰撞破坏。1977年Romania地震，大多数地震破坏都集中于Bucharest地区，约有32-35座建筑发生倒塌，大多数倒塌建筑都位于街道拐角，这样的布局加强了扭转摆动效应和相邻建筑间振动的传播。1985年的墨[9]西哥大地震，震后调查表明330处倒塌结构中，超过40％的结构倒塌或严重破坏与碰撞有关，且约有15％的倒塌结构（或严重破坏结构）为碰撞所致；1989年的LomaPrieta地震，在包括SanFrancisco、Oakland、SantaCruz和Watsonville的广阔区域的震后调查中均有地震引起结构碰撞导致结构破坏的现象，距离震中90km内结构碰撞明显加多，且造成的破坏加剧，相邻结构碰撞的造成的剪切破坏、部分墙体倒塌和结构外层装饰层剥落破坏等，仅SanFrancisco就有多处；1994年Northridge地震中，距震中东北12km处I-5/SR-14立交桥的伸缩铰接和连接端子固定部分的邻接区都发生了明显的碰撞破坏；1995年的Kobe地震的震后调查表明碰撞是造成桥梁轴承支座断裂的主要原因之一，并间接导致多处桥面-1- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文板坍塌；1999年土耳其的Kocaeli地震中两个相邻的6层结构和2层结构的碰撞，造成6层结构三层以上的柱破坏和2层结构的角柱剪切破坏，另外几处公路桥出现了桥墩和桥面连接处的碰撞破坏；1999年的台湾集集地震同样证实了碰撞在强震中的破坏作用，2008年5月12日的汶川地震也有很多结构碰撞引起的结构破[10-12]坏。图1-1汶川地震中房屋碰撞破坏图1-2历次地震中碰撞破坏尤其是1985年，墨西哥地震导致不寻常的大量结构破坏，相邻建筑结构和桥梁结构的碰撞作用被认为是导致其中一些结构破坏的首要原因，这也是墨西哥地震比较独特的方面，因为在其他地震过程中，除了一些极个别的例子，很少有碰撞作用成为导致结构倒塌灾害首要原因的情况。从这次地震以后，有关-2- 第1章绪论相邻建筑之间的结构碰撞问题引起了世界各国学术界和工程界的广泛关注，研究人员对该问题展开了系统的试验研究和理论分析，并取得了一些重要研究成果，但是，有关课题的研究在国内研究较少，因此，对这项课题在我国展开广[2]泛而又深入的研究具有重要的理论研究意义和工程应用价值。结构倒塌破坏机理研究是减轻地震灾害和防灾减灾科学发展的需要，碰撞作为结构破坏倒塌的一个重要原因，是结构倒塌破坏机理研究中不可避免的问题。通过研究结构碰撞机理，可以明确碰撞对结构反应的影响，找到有效控制结构碰撞的途径。楼层高度不相等的相邻结构在地震作用下可能发生柱中碰撞，楼板撞击相邻的柱子，导致柱子局部产生破坏，严重时会导致结构倒塌，一般地，这种破坏比在楼层部位相互碰撞产生的破坏危害性更大。国内外学者对于结构碰撞问题的研究多是集中于楼层高度相同的单自由度和多自由度结构间的碰撞，碰撞作用发生于两相邻结构楼板之间，对于相邻不等高结构柱中碰撞问题研究较少，本文选取两个相邻的不等高单层框架结构模型，在地震动作用下，较矮结构碰撞较高结构柱子，研究结构碰撞作用下的反应以及影响结构碰撞反应的因素。1.2结构碰撞问题的研究现状对于相邻结构碰撞问题的研究主要集中于以下三个方面：实际地震中碰撞引起的结构破坏震害调查；特定条件的结构碰撞研究以及碰撞动力特性的研究；减轻预防碰撞破坏的措施。其中对于第二个方面的研究，主要有对碰撞模型的研究、碰撞反应和影响碰撞反应的参数研究、碰撞过程数值模拟、试验研究等。1.2.1单自由度体系碰撞问题研究大多数碰撞问题的数值模拟都是基于两个单自由度振子的碰撞问题。八十年代开始，一些学者对于地震作用下结构碰撞反应做了大量研究。[13]Wolf和Skrikerud进行了单自由度体系与刚性面的单边、双边碰撞问题的详细数值研究，得出等效自振周期的表达式和反应谱。随后，他们还研究了[14]核反应堆与相邻附属结构的碰撞。Davis研究了线性单自由度摆与刚性障碍物的单边碰撞反应，利用Herz碰撞理论描述碰撞力，并且结果是以基底谐波作用下的冲击速度反应谱的形式来表达的，获得了刚性障碍物情况下碰撞问题的闭合形式解。[15]Chao和Wei研究了两个单自由度摆弹性和非弹性碰撞反应，发现速度反应受结构间距的影响不大，碰撞作用放大了刚度较大摆的反应，抑制了刚度较-3- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文小摆的反应，并且当地震动频率与柔性摆的频率接近时，为避免碰撞所需要的[12]间距会更大。Muthukumar采用集中质量模型分析桥梁上部结构碰撞的影响，[16]同时用单自由度体系碰撞比较分析了碰撞分析方法的优缺点。Jankowski对桥梁结构和单层结构采取一定假设简化为单自由度体系，研究了碰撞对结构的影响以及得出碰撞力反应谱模型。[17]Anagnostopoulos研究了二个以上的成行排列相邻建筑碰撞问题，使用了5条真实地震记录和考虑不同的参数值来研究此种弹性或非弹性碰撞系统。有关参数是:（1）系统构型，如相邻建筑数量及其排列位置和它们的周期；（2）碰撞体系的周期比；（3）间距尺寸；（4）碰撞体系的强度；（5）各碰撞体系的相对质量大小；（6）碰撞单元阻尼；（7）碰撞单元刚度。对外部和内部碰撞体系（单边碰撞和双边碰撞）的位移变化进行分析得出：除了碰撞体系位置外，当其它参数相同时，碰撞对外部体系的惩罚比内部体系大，内部体系的反[18,19]应通常因碰撞而减小。Jankowski研究了在Hertz-damp模型中的阻尼比和回归系数的关系，并通过数值方法验证了其正确性；同时提出了碰撞力（弹、塑性）反应谱的概念，采用两自由度Hertz-damp系统模型，研究了反应谱相关因素：缝宽、振动周期、阻尼、质量以及延性和输入地震动等。1.2.2多自由度体系碰撞问题研究由于近些年对碰撞问题关注的增加，建立了较完善的多自由度集中质量体系的碰撞模型，并且采用了各种不同的求解方法。同单自由度体系一样，模拟碰撞采用接触单元或恢复系数的方法。求解碰撞问题的最直接方法是根据运动方程进行逐步积分。这种方法是唯一适合非线性碰撞问题的解法，另外在碰撞过程中需要注意选择合适的时间步[20]长来求解。Anagnostopoulos和Spiliopoulos使用逐步积分方法研究存在碰撞的一排多个相邻建筑的线性和非线性反应。他们采用集中质量的剪切型多自由度体系，其层间恢复力曲线采用双线性形式来表征其非线性。相邻建筑的碰撞能发生在任何高度，碰撞单元采用粘弹性单元。使用了5条真实地震动进行广泛的参数研究来评价以下因素的重要性:建筑构型和相对尺寸，抗震缝的尺寸和碰撞单元性能。如果碰撞的建筑物有很大的高度差别，碰撞导致的后果会相当[21]严重。Masion和Kasai采用简化多自由度体系和弹簧-阻尼碰撞单元研究了建[22]筑物相对质量，碰撞单元属性对楼层处碰撞的影响。Karayannis和Favvata应用线性弹簧方法，建立两品不等高钢筋混凝土框架进行了研究，包括柱中碰撞情况，研究了结构碰撞作用下的延性需求以及结构柱的碰撞反应。-4- 第1章绪论[23]Papadrakakis和Apostolopoulous用有限单元法建立了三维结构模型，碰撞单元采用拉格朗日（Lagrange）乘子法（碰撞动力学方法），通过接触面搜索可能发生碰撞的位置（楼板、柱中等），分析扭转碰撞对结构的产生更大的破坏作用。[24]KabirShakya和AnilC.Wijeyewickrema研究了两组总高与层高均不相同的多层钢筋混凝土框架结构柱中碰撞反应，采用Kelvin-Voigt碰撞单元分析了结构考虑土-结构相互作用与不考虑时结构的碰撞反应不同，并考虑近场地震动的影响，得出结论：考虑土作用时结构的碰撞反应较小，并且近场地震动作用下结构碰撞反应更强烈。1.2.3试验研究为了检验相邻结构地震碰撞的理论和数值模拟程序的正确性、有效性，需要进行振动台地震碰撞模型试验。[25]Papadraka和Mouzakis进行了两座两层等高钢筋混凝土框架的地震碰撞振动台试验研究。两座试验结构中柔性结构基本频率约为刚性结构基本频率的1/2。在地震模拟振动台上分别进行了两座试验结构无碰撞试验和无间距碰撞试验，并且将试验结果与数值模拟结果进行比较，两者吻合的较好，碰撞体系的数值模拟采用拉格朗日乘子算法进行。[26]Filiatrault和Wagner进行了3层和8层不同高度钢框架振动台地震碰撞试验。8层钢框架的基本周期约为3层钢框架的2倍。试验中研究了输人不同PGA（0.15g，0.5g）的埃尔森特罗地震波和设置不同间距（0mm，15mm）时试验结构的碰撞反应。并且将碰撞试验结果与数值模拟结果进行比较，评价了两个程序的有效性。[27]Chau等进行了具有不同自振频率和阻尼比的两座单层等高（2m）模型钢结构振动台试验。试验中输人了谐波和埃尔森特罗地震波，并且研究了不同[28]间距对碰撞的影响。试验结果与采用非线性Hertzian碰撞（Chau等）的数值计算结果进行了比较，计算结果能很好地预测速度反应和碰撞结构的间距。[29]Jankowski进行了两座不同材质的等高塔（1m）振动台试验，研究相邻结构不同间距情况下碰撞引起的结构反应，并将试验结果与数值模拟结果对比。1.3课题来源国家自然科学基金重大研究计划项目“基于最不利设计地震动的超高层建筑灾变全过程与机理研究”（90815014）。-5- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.4课题主要研究内容为研究相邻结构间的碰撞对结构性能的影响，本文研究内容安排如下：1．介绍研究碰撞问题的两种方法：理论简化分析方法（碰撞动力学方法，线性弹簧模型，Kelvin-Voigt模型，Hertz-Damp模型，Hertz-Damp模型）和有限元分析方法，介绍了有限元软件ANSYS/LS-DYNA基本理论、接触碰撞算法、接触力计算等。2．采用LS-DYNA模拟两相邻不等高框架结构在强地震动作用下的碰撞过程，研究了地震动作用下碰撞作用对单自由度体系加速度反应、位移反应、速度反应、应力、碰撞力等动力响应的影响。3．在EL-Centro地震动输入条件下，研究了相邻结构分布位置、相邻结构间距、输入地震动峰值加速度以及近场地震动等因素对结构碰撞响应（加速度反应、位移反应、速度反应、碰撞力）的影响。-6- 第2章结构碰撞反应分析理论基础第2章结构碰撞反应分析理论基础2.1引言地震过程中结构碰撞引起的破坏震害愈加引起人们重视，对这一领域的研究日益广泛。国内外许多学者对结构碰撞进行了研究，希望探明结构碰撞的机理，了解碰撞对结构造成的影响，也即碰撞后结构的整体反应和局部反应以及在碰撞过程中荷载的时间历程，从而找到减轻碰撞破坏的途径。这些研究在过去的二十多年取得了一定进展，提出了基于不同理论的多种碰撞模型，也提出了减轻碰撞破坏的一些方法。本章首先介绍了结构碰撞的原因以及碰撞类型，介绍了各种结构碰撞模型的发展，结合单自由度碰撞动力学方程，详细总结了各种理论研究方法，并给出了它们的数学表达式，最后介绍了选用的ANSYS/LS-DYNA软件的基本特性以及该软件的接触算法和碰撞力算法。2.2结构碰撞原因及碰撞类型2.2.1结构碰撞原因相邻建筑碰撞现象的发生受很多因素的影响，主要因素有以下几个方面：1）相邻结构有明显的动力特性差异相邻建筑动力特性的差异会导致相邻结构之间出现较大的相位差，在地震动作用下会发生结构碰撞。其中决定两相邻结构是否碰撞的主要参数是两相结构之[30]间的自振周期比以及两结构自振周期与地震动特征周期的比。当两相邻结构[31]的自振周期差别较大时，容易发生碰撞。碰撞对结构地震反应的放大效应与结构自振周期与地震动特征周期的比值有关。2）相邻建筑间距离两相邻结构间的距离以及结构内部抗震缝间的距离是决定碰撞是否发生的关键因素。抗震缝间距不足而引起结构碰撞，当抗震缝近距足够大时，可避免相邻结构碰撞的发生。研究表明，对于桥梁结构，当伸缩缝间距较小时，接触面上所产生的撞击力较小；随着间距的进一步增大，碰撞力也相应增大，碰撞次数减小；如果伸缩缝间距再次增大，则碰撞力相应的减小。通过调节相邻跨伸缩缝的间距，可以减小碰撞力。但是由于伸缩缝的使用功能和行车要求，通过调整伸缩-7- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文[32]缝间距大小来控制碰撞在实际工程应用上较难实现。3）地震动的空间效应由于地震动空间效应的存在，导致相邻结构因非一致地震动而引起非同步振动，是导致碰撞的直接原因。研究表明，地震动的空间效应会增大上部结构的地[33]震反应，引起结构间的碰撞。2.2.2结构碰撞类型结构碰撞可以分为两类，一是结构本身杆件脱离结构在坠落过程中与结构产生的碰撞，二是相邻结构的碰撞。前者指结构物倒塌过程中伴随着结构破坏和杆件坠落，不可避免的发生碰撞，从而产生附加破坏和连锁反应，加速结构塌毁。后者是指在地震过程中相邻结构异相振动，且相邻结构之间的距离不足以协调其相对运动时发生的碰撞。根据大量地震灾害的调查结果，按照结构碰撞破坏产生[3]的主要原因分类，相邻建筑碰撞引起的结构性破坏可以分为以下5种主要类型:1）柱中碰撞破坏。由于相邻建筑的楼层标高的不同，其中某一建筑的楼板或钢筋混凝土柱与另一建筑的钢筋混凝土柱在后者的中间部位发生碰撞，导致遭受碰撞的柱子破坏失效，如图2-1a)所示。一般地，这种破坏比在楼层部位相互碰撞产生的破坏危害性更大。2）偏心碰撞破坏。在强震作用下，某一建筑的角部受到临近建筑的撞击使楼层发生扭转运动，导致建筑角柱破坏失效，如图2-1b)所示。此外，在地震作用下，当建筑的刚度中心与质量中心相差较大时建筑产生较大扭转与相邻建筑也会发生碰撞破坏。3）不同楼层质量碰撞破坏。相邻建筑结构的楼层质量可能相差较大，楼层质量较小的建筑结构与楼层质量较大的相邻建筑的碰撞时，其侧向位移往往过大而破坏，如图2-1c)所示。4）最末端建筑碰撞破坏。对于由密排的多栋建筑组成一排建筑，由于地震作用下建筑的“钟摆效应”导致处于最末端的建筑或者街道转角处的建筑产生过大的位移而发生破坏。这种碰撞破坏从概念上讲类似第3种碰撞破坏类型，最末端的建筑受到整排其它建筑（相当于一个质量巨大的集中质量）的碰撞而发生破坏，如图2-1d)所示。值得指出的是，在这类破坏情况中，中间部位的建筑由于间距较小使得其地震反应类似单质点体系而产生同步运动，因此，结构碰撞的影响对这些建筑的影响相对较小。5）不同高度的建筑碰撞破坏。相邻建筑总高度往往相差较大，在地震作用下，当高度较高的建筑的水平方向侧向运动受到高度较小的建筑的突然限制时，-8- 第2章结构碰撞反应分析理论基础前者位于碰撞部位以上的楼层产生较大的惯性力，楼层剪力显著增大，导致碰撞部位以上的楼层发生结构性破坏。如图2-1e)所示。a)b)c)d)e)图2-1结构碰撞破坏类型1-偏心距离；2-碰撞力；3-惯性力另外，结构碰撞还会引起建筑各种非结构性破坏，例如：附属结构、设备、煤气、水管道、电线、电梯、建筑装饰的破坏等，对于医院、消防站、通讯中心等重要的生命线工程来说，这种相对次要的非结构性破坏可能会阻滞地震灾害救[34]缓工作的顺利进行，给人们的生命财产安全带来威胁。2.3结构碰撞问题的理论分析方法结构碰撞问题是明显的非线性分析问题，存在多种不确定因素。目前用于描述结构碰撞过程的理论分析方法主要有恢复系数法和接触单元法。2.3.1恢复系数法恢复系数法假定碰撞为质心碰撞，并且碰撞时间非常短，近似于是瞬间完成的。其应用动量守恒定律和能量恢复系数e修正碰撞后的速度，忽略碰撞体的瞬时应力和变形，并且假设碰撞接触面是光滑的，不考虑碰撞物体间的摩擦作用。-9- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文该方法将碰撞分为碰撞前和碰撞后两个阶段，忽略了碰撞阶段，不能给出碰撞荷载在该阶段的时程曲线。恢复系数法引入恢复系数e模拟碰撞后的能量损失。回归系数e是指碰撞分离前的速度与碰撞接触前的速度比值。恢复系数e可表示为：""vv-21e=(2-1)vv−21式中v、v′——质量为m1的物体碰撞前后速度；11v、v′——质量为m2的物体碰撞前后速度；22e=1表示完全弹性碰撞，没有能量损失；e=0表示完全非弹性碰撞，即碰撞能量损失最大。恢复系数e的取值在0.1~1之间，取决于碰撞结构的材料属性、相对形状和相对质量。碰撞前物体的速度已知，利用动量守恒定律：mv+mv=mv+mv′′(2-2)11221122前面两个式子联立可求出结构碰撞分离后的速度为：mv-v()′212v=v-+e(1)(2-3)11m+m12mv-v()′112v=v++e(1)(2-4)21m+m12将上述速度约束方程和单自由度体系运动方程结合，可得出碰撞后的结构反应。该方程的求解主要是引入位移约束条件或速度约束边界条件，然后采用拉格朗日(Lagrange)乘子法或罚函数的方法释放约束条件，求解碰撞后结构的运动状态。迭代求解碰撞动力学法不考虑碰撞区域的碰撞压缩变形，这对于弹性模量和刚度较大的碰撞问题，假定碰撞瞬间完成，忽略碰撞阶段的瞬时应力和变形比较合理，但对于质量较大和弹性模量较小的碰撞，碰撞持时较长，结构变形可能发生较大变化，此时忽略碰撞阶段的瞬时应力和变形就不再合理，即碰撞动力学法不再适用。另外，由于碰撞动力学法不是基于力的方法，所以不易应用于商业分析软件。2.3.2接触单元法接触单元法以线性或非线性弹簧元件、阻尼元件和间隙元件组成的单元模拟结构间的接触碰撞。该方法可以用公式和合理的理论解释碰撞的过程，可以模拟接触过程中的碰撞力、结构反应、能量耗散和接触时间，因而在结构碰撞分析中被广泛应用。其中，高刚度弹簧可以比较真实的模拟出碰撞力，同时可以保证非-10- 第2章结构碰撞反应分析理论基础常短的碰撞时间、限制碰撞结构的侵入位移、避免结构的相互重叠等优点。目前结构碰撞分析所采用的接触单元模型，主要有线弹性模型、Kelvin模型、[35-38]Hertz模型和Hertz-Damp模型等。1）线弹性模型线性弹簧模型是接触单元法中最简单的模型，采用一个和碰撞结构碰撞压缩刚度相当的大刚度弹簧k，模拟局部变形产生的内力，当两个结构间的相对位移l大于伸缩缝间距时，碰撞弹簧发挥作用。在碰撞过程中产生的碰撞力，其大小与弹簧刚度和梁体间的相对位移成正比。当两者处在分离状态时，它们间的碰撞力为零。在碰撞过程中，碰撞力可以表示为：Fkuug=−()−;uug−−>0cl12p12p(2-5)Fu=−0;u−g≤0c12p式中uu−——梁体间的相对位移；12F——结构间的碰撞力；cg——伸缩缝初始间距值；pk——碰撞刚度，通常取梁体的最小轴向压缩刚度。l其碰撞力-位移曲线关系如图2-2所示。由于碰撞力和位移关系曲线是直线，该方法简单，易于在商业软件中实现。但是该方法的缺点是不能模拟能量耗散和碰撞局部刚度随压缩的变化。图2-2线性弹簧模型碰撞力－位移关系曲线2）Kelvin模型Kelvin模型即线性弹簧并联阻尼模型，用阻尼c表示碰撞过程中能量的损k-11- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文失。碰撞力和位移曲线如图2-3所示，碰撞力表达式：Fkuugcuu=−()−+−(&&)uug−−≥0ck12pk1212p(2-6)Fu=−00u−g0ch12p12p(2-9)Fu=−00u−g≤cp12-12- 第2章结构碰撞反应分析理论基础式中n——Hertz系数，一般取1.5。研究表明，n的取值对碰撞弹簧的压缩位[39]移影响并不大；k——Hertz模型的非线性碰撞刚度，取决于碰撞结构的材料特性和接触h表面的几何特征等因素。图2-4Hertz模型中碰撞力-位移曲线对于半径分别为R、R的两个各向同性球体的弹性碰撞，k表示为：12h14RR122k=[](2-10)h3(πhhRR++)1212h、h为材料属性，定义为：1221−νih=i=1,2(2-11)iπEi式中ν、E分别为i个球体泊松比和弹性模量。为了计算k，有些把碰撞体iih等效为球体，表达式如下：3miR=3(2-12)i4πρ式中，m是碰撞体质量，ρ是碰撞体材料密度。iHertz模型在直观上比较符合碰撞刚度模拟，但是不能够模拟碰撞过程中能量的损失，高估了碰撞对结构的影响。4）Hertz-Damp模型为了弥补Hertz模型不能模拟碰撞过程中能量的损失的局限性，提出一种改进的Hertz-Damp模型，即非线性阻尼并联Hertz弹簧模型，而且该模型中假定-13- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文接触过程中的能量耗散仅仅发生在相互接触的阶段，而在分离阶段没有能量耗散。其碰撞力表达式为：nF=−kxxd()−+−cxx(&&)当xxd−−>0和xx&&−>0(2-13a)ch12ph1212p12nFkxxd=−(−)，当xxd−−>0和xx&&−≤0(2-13b)ch12p12p12F=0当xxd−−≤0(2-13c)c12p式中c——Hertz阻尼模型的粘滞阻尼系数，由式（2-14）确定；hk——碰撞刚度，其取值与Hertz模型相同。h0.5mm12⋅ck=−2(ξxx−d)(2-14a)hhh12pmm+122951-eξ=(2-14b)h2ee[(9-16)16]π+Hertz-Damp模型的滞回曲线如图2-5所示。图2-5Hertz-Damp模型碰撞力-位移曲线2.4结构碰撞问题的有限元分析方法采用上述恢复系数法和接触单元法可以分析结构的宏观方面的碰撞反应，但是不能微观描述碰撞作用下两相邻结构的应力变化、应力波传播、能量耗散、结构局部破坏等问题。采用有限元分析方法可以较好的解决上述问题。-14- 第2章结构碰撞反应分析理论基础2.4.1ANSYS/LS-DYNA有限元软件ANSYS/LS-DYNA有限元软件将LS-DYNA显式求解器和ANSYS软件的前处理器PREP7和后处理器POST1和POST26集成为一体，是分析功能全面的显式分析软件，可以处理各类复杂的非线性问题，其显式算法特别适合于分析各类冲击、结构撞击、爆炸等动态非线性问题。LS-DYNA具有丰富的单元库，具有二维、三维实体单元，薄、厚壳单元，梁单元和弹簧、阻尼单元，SPH单元以及其他特殊用途的单元。各种单元类型又有多种算法可供选择，具有对任意大位移、大转动以及大应变的分析能力。单元积分采用单点减缩积分算法，引入沙漏粘性阻力以克服零能模式，计算速度快，可用于模拟各种实体结构、杆件结构以及板壳结构等。在材料模型方面，LS-DYNA目前有超过150种金属和非金属材料的本构模型，涵盖了弹性、弹塑性、粘弹性、粘塑性、橡胶、玻璃、土壤、混凝土、复合材料、刚性体等各种材料模型。可以考虑材料的失效、损伤、蠕变、与温度相关以及与应变率相关等力学性质。此外，程序还支持用户自定义材料本构模型。在接触分析方面，LS-DYNA可提供50多种接触计算模型，可以分析各种分析对象之间的接触行为，如柔性体与柔性体之间的接触、柔性体与刚性体之间的接触、刚形体与刚形体之间的接触等。此外，LS-DYNA程序还提供了可以考[40]虑材料失效的侵蚀接触算法，可用于分析各类侵彻、穿甲等高速动力过程。2.4.2ANSYS/LS-DYNA接触碰撞的基本算法在LS-DYNA等显式分析软件中，将不同结构间可能发生接触的两个表面称为主表面（其中的单元表面称为主段，节点为主节点）和从表面（其中的节点称为从节点），如图2-16所示。它们处理接触－碰撞界面主要采用三种不同的算法，分别为节点约束法、分配参数法和对称罚函数法。第一种算法现在仅用于固连界面，第三种算法用于仅滑动界面。第二种算法是最常用的算法。-15- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文从表面从节点主节点主表面图2-16主从接触面示意图1）节点约束法该算法是最早采用的接触算法，在每一时步修正构形前，检查每一个没有与主表面接触的从节点，是否在此时步内贯穿主表面，并调整时间步大小，使那些贯穿的从节点都不贯穿主表面，对所有已经和主表面接触的从节点施加约束条件，保持从节点与主表面接触。另外，检查与主表面接触的从节点所属单元是否存在受拉界面力，如有则用释放条件使从节点脱离主表面。由于该算法比较复杂，目前仅用于固连接触方式。2）分配参数法该算法仅用于有相对滑动但没有分离的滑动处理，将每一个正在接触的从单元一半质量分配到被接触的主表面面积上，同时由每个从单元的内应力确定主表面面积上的分布压力。在完成质量和压力的重分配后，修正主表面的加速度，然后对从节点的加速度和速度施加约束，保证从节点沿主表面运动。不允许从节点穿透主表面，从而避免反弹，该方法主要用于滑动接触方式。3）对称罚函数法对称罚函数法是LS-DYNA的缺省算法，每一时步先检查各从节点是否穿透主表面，没有穿透则不对该从节点做任何处理。如果穿透，则在该从节点与主表面间、主节点与从表面间引入一个较大的界面接触力，大小与接触深度、接触刚度成正比，称为罚函数值。其物理意义相当于在其中放置一系列法向弹簧，限制穿透。罚函数法算法简单，很少激起网格的沙漏效应，没有噪声，动量守恒准确，不需要碰撞和释放条件。但固有缺陷是求解出的撞击力、撞击速度与加速度都是振荡的，振荡的程度与所选取的罚因子数值相关，可以通过减小时间步长等方法-16- 第2章结构碰撞反应分析理论基础降低振荡。理论上，增大罚因子可使计算精度提高，但是接触问题中罚因子愈大，时间步长的临界值降低得愈多，并且罚因子过大，可能使相互接触的两个物体的相互运动发生虚设的反向，导致求解过程不稳定。罚因子的取值在结构接触碰撞[41]分析中是需要给予特别的关注。2.4.3接触力计算计算接触力时，在从节点与被穿透主面间引入一个较大的界面接触力，其大小与穿透深度、主面的刚度成正比。在物理上相当于在两者之间放置一个法向弹簧，可限制从节点对主面的穿透。接触力称为罚函数值。理想情况下应该没有穿透，但这样意味着接触刚度为无穷大，将导致数值计算不稳定，通常允许有微小的由接触刚度控制的穿透量存在。接触界面力为从节点ns和接触点之间的法向接触力向量，即f=kΔ(2-29)sii式中Δ——穿透量；ik——接触刚度因子，由下式计算：i2fKAiik=（实体单元）(2-30)iVifKAiik=（板壳单元）(2-31)iLi式中Ki——主段Si所在单元的体积模量；Vi——主段Si所在单元的体积；Ai——主段Si所在单元的面积；L——主段Si所在板壳单元最大对角线长度；f——接触刚度罚因子，默认值为0.01。如果取值过大，可能导致数值计算的不稳定，要想解决这个问题只有缩短时间步长。在从节点ns上附加法向接触力矢量f，根据作用力与反作用力原理，在主s段Si的接触点上作用一个反方向的f，按照形函数将其等效分配到主段Si包含s[41,42]的各个主节点上。2.5本章小结相邻结构在地震作用下发生的碰撞表现出多种非线性特征。由于接触过程中的复杂特性，目前常采用恢复系数法和接触单元法等宏观简化模型进行结构碰撞-17- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文分析。为了对碰撞机理进行更加精细化研究，可采用显式有限元分析技术对结构碰撞机理进行分析。本章介绍了常用的结构碰撞分析的理论分析方法，研究了广泛应用于碰撞问题的恢复系数法和接触单元法的分析方法和适用范围，并简要介绍了研究碰撞问题的显式有限元分析软件。通过本章的研究，主要得出以下一些结论：1．碰撞理论简化研究方法具有很好的实用性，接触单元法实用性强，逻辑上更接近碰撞的实质，在很多有限元软件中都得到了广泛应用。2．与有限元方法相比，应用接触算法，对碰撞问题进行有限元分析是最精确的方法，显式非线性软件LS-DYNA的高效接触算法和单点积分形式有利于碰撞问题的求解。-18- 第3章相邻不等高单层框架结构碰撞反应分析第3章相邻不等高单层框架结构碰撞反应分析3.1引言相邻单层房屋在强震作用下，可能发生局部破坏或倒塌。在结构碰撞研究中，由于结构碰撞的复杂非线性特征，国内外大多数学者把复杂的结构碰撞问题进行简化，采用单自由度体系以及简化分析方法，然而采用显式有限元分析技术，通过对结构进行精细化建模和分析，可以对碰撞机理进行更加精确的分析和研究。本章采用非线性显式软件ANSYS/LS-DYNA，通过对相邻不等高单层框架结构进行显式有限元建模和地震碰撞非线性显式分析，研究地震作用下碰撞作用对相邻结构加速度、位移、速度、单元应力等动力特性的影响，探讨强地震作用下相邻不等高结构的地震碰撞机理和动力响应规律。3.2相邻不等高结构有限元模型3.2.1结构模型参数相邻结构的碰撞是复杂的非线性问题，在工程抗震中严格分析结构地震作用下的碰撞是困难的。因此，针对相邻不等高单层框架结构的碰撞问题，采用简化的单自由度系统模型，以获得碰撞对相邻结构整体的影响以及不同参数对碰撞结果的影响规律。本章选用单自由度结构，简化为两榀单层框架结构，选取以下模型（图3-1）进行碰撞反应分析：左侧框架结构刚度较大，结构高度6m，梁柱截面边长0.55m；右侧框架结构刚度较小，结构高度8m，梁柱截面边长0.3m。模型参数取值见表3-1。选用1979年ELCentro地震动加速度记录作为地震动输入，地震动参数如2表3-2所示。加速度时程曲线见图3-2。地震记录峰值加速度调整为400cm/s。-19- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图3-1相邻不等高框架结构有限元模型（左侧结构高度较低，刚度较大）表3-1单自由度结构模型参数结构编号质量（kg）刚度（N/m）周期（s）11108902.31e70.442189605.22e51.20注：1号结构表示刚度较大高度较低结构，2号结构表示刚度较小高度较高结构。表3-2输入的地震动参数地震名称记录名称峰值加速（g）调幅系数ImperialvalleyELCentro0.3511.1630.40.30.20.10.0加速度(g)-0.1-0.2-0.3051015202530时间(s)图3-2EL-Centro地震动加速度时程曲线在ANSYS/LS-DYNA建模过程中，选用Solid164单元模拟梁柱单元，并在-20- 第3章相邻不等高单层框架结构碰撞反应分析左右两结构梁单元中间分别添加一个Mass166单元，以更加真实的模拟框架结构质量。材料选用混凝土线弹性模型。地震动荷载施加在两框架底部，x方向输入，并在加载点施加自由度约束，约束加载点区域y方向以及z方向的自由度约束（图3-1）。在ANSYS/LS-DYNA程序中，接触类型可以分为三类，即单面接触、节点-表面接触和表面-表面接触。单面接触可用于一个物体表面各部分的自相接触或它与另一个物体的表面接触，在单面接触中，ANSYS/LS-DYNA程序将自动判定模型中发生表面接触的位置，因此，单面接触的定义是最简单的，无须定义contact和target表面，当定义好单面接触时，它允许一个模型的所有外表面都可能接触；对于点-面接触，接触节点将穿透target表面，这种接触类型用于一般情况下的两个物体表面之间的接触，点-面接触需要定义contact和target表面；当一个物体的表面穿透另一个物体的表面时需使用面-面接触，这种接触是最为常用的接触类型，常用于任意形状且存在较大接触面积的物体之间的接触问题，[41]该接触类型对于物体间有大量相对滑移时很有效。本文的研究中采用通用NTS（Nodes_to_Surface）点-面接触方式。3.2.2结构模型研究点选取左侧高度较低刚度较大的框架结构选取靠近右侧结构的框架角点即节点419作为研究点，对于右侧较高刚度较小的结构，选取靠近左侧结构的框架角部节点2025作为研究点，如图3-3所示。图3-3模型研究点选取（节点419、2025）-21- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文a)柱子正面b)柱子侧面图3-4模型选取单元进行应力分析另外，碰撞发生于右侧框架结构左边的柱子上，因此还需要选取柱子上碰撞点的位置作为另外一个研究点。选取右侧框架结构左柱上面，靠近左侧框架梁结构附近的单元H265、H267、H269、H271、H273（柱子背面）以及单元H373、H375、H377、H379、H381（柱子正面）作为研究单元（图3-4），研究其碰撞过程中应力反应。0.80.80.80.40.40.40.00.00.0mPa)-0.4mPa)-0.4-0.4-0.8-0.8-0.8应力(-1.2应力(-1.2应力(mPa)-1.2E265E267E269-1.6-1.6-1.6-2.0-2.0-2.0051015202530051015202530051015202530时间(s)时间(s)时间(s)0.80.80.40.40.00.0mPa)-0.4mPa)-0.4-0.8-0.8应力(-1.2应力(-1.2E271E273-1.6-1.6-2.0-2.0051015202530051015202530时间(s)时间(s)图3-5右侧框架左柱背面所选单元应力时程曲线-22- 第3章相邻不等高单层框架结构碰撞反应分析表3-3右侧框架左柱背面研究单元应力绝对值最大值（kPa）研究单元H265H267H269H271H273峰值应力722.4444.5534.1420.41646.10.80.80.80.40.40.40.00.00.0-0.4-0.4-0.4-0.8-0.8-0.8应力(MPa)-1.2应力(MPa)-1.2应力(MPa)-1.2E373E375E377-1.6-1.6-1.6-2.0-2.0-2.0051015202530051015202530051015202530时间(s)时间(s)时间(s)0.80.80.40.40.00.0-0.4-0.4-0.8-0.8应力(MPa)-1.2应力(MPa)-1.2E379E381-1.6-1.6-2.0-2.0051015202530051015202530时间(s)时间(s)图3-6右侧框架左柱正面所选单元应力时程曲线表3-4右侧框架左柱正面研究单元应力绝对值最大值（kPa）研究单元H373H375H377H379H381峰值应力798.0439.4631.3425.41716.5所选单元的应力反应如图3-5和3-6所示，表3-3和表3-4给出了研究单元应力绝对值最大值。由图表可以看出，H273和H381单元的应力反应曲线出现明显的应力脉冲，这与结构撞击产生的撞击力有密切的关系，而其他单元并无此现象。并且由图3-4（b）可以看出，H273和H381单元处于柱子相同高度。因此，可选取两单元间的节点812作为右侧框架结构的第二个研究点。如图3-7所示。模型最终选取的研究点为节点419，节点812，节点2025。-23- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图3-7右侧框架左柱侧面所选H273、H381单元及研究点8123.3碰撞对结构反应的影响本节分别研究上述模型在碰撞作用（相邻结构间距0.03m）和无碰撞作用（相邻结构间距0.3m）两种情况下结构动力响应的区别，以确定碰撞作用对结构加速度、位移、速度和碰撞力的影响。3.3.1加速度反应图3-8为ELCentro地震动作用下，左侧框架结构节点419碰撞与无碰撞时的加速度时程对比图。从图中可看到，碰撞引起结构强烈振动，在碰撞过程中产生明显的加速度脉冲。当伸缩缝间距为0.3m时，相邻结构间未产生碰撞作用，节点加速度只是在零线附近振荡，结构只发生在地震激励作用下的振动反应，这表明碰撞反应对结构的振动状态影响很大。图3-9为右侧框架结构812节点碰撞与未碰撞情况下加速度时程对比，同样可以观察到明显的加速度脉冲，并且加速度脉冲要比左侧结构大。图3-10为右侧框架结构2025节点碰撞与未碰撞情况下加速度时程对比，也可以观察到明显的加速度脉冲。-24- 第3章相邻不等高单层框架结构碰撞反应分析2010)02-10碰撞加速度(m/s-20未碰撞-30-40051015202530时间(s)图3-8左侧框架419节点碰撞与未碰撞情况下加速度反应时程曲线80碰撞未碰撞)2400加速度(m/s-40051015202530时间(s)图3-9右侧框架812节点碰撞与未碰撞情况下加速度反应时程曲线4030202)100-10加速度(m/s-20碰撞-30未碰撞-40-50051015202530时间(s)图3-10右侧框架2025节点碰撞与未碰撞情况下加速度反应时程曲线-25- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2表3-5模型结构碰撞与未碰撞时正向和负向峰值加速度（m/s）碰撞未碰撞研究点正向峰值加速度负向峰值加速度正向峰值加速度负向峰值加速度左侧节点41912.864-31.7623.892-4.877右侧节点81272.68-59.7293.776-3.367右侧节点202532.886-39.3763.891-3.858由表3-5可知，节点419、812、2025正向峰值加速度碰撞后比碰撞前分别增大3.31倍、19.25倍、8.45倍，负向峰值加速度碰撞后比碰撞前分别增大6.51倍、17.74倍、10.21倍。由此可见，碰撞作用对右侧结构加速度反应的放大作用与左侧结构相比更加明显，并且对于右侧结构，越靠近碰撞点放大效应越大。另外，将右侧框架812节点碰撞与未碰撞情况下加速度反应时程曲线与碰撞力时程曲线相对比（图3-11），发现节点加速度脉冲的分布与碰撞力的分布大体一致，由此可以看出，加速度脉冲的产生与结构碰撞产生的撞击力有关，碰撞处的冲击力使得结构的动力要素发生改变。10014080碰撞12060未碰撞碰撞力100)4028020600碰撞力(kN)加速度(m/s-2040-4020-600051015202530051015202530时间(s)时间(s)a)812节点加速度反应时程曲线b)碰撞力反应时程曲线图3-11右侧结构812节点加速度时程曲线与碰撞力时程曲线对比3.3.2位移反应图3-12、3-13、3-14分别给出了左侧结构419节点、右侧结构812节点、2015节点在碰撞与未碰撞作用下的位移反应，表3-6给出三个研究点碰撞与未碰撞时的位移反应峰值对比。由图3-12和表3-6可以看出，碰撞后左侧结构的正向位移减小，负向位移增大，总的说碰撞作用放大了左侧结构的位移。由图3-13、3-14-26- 第3章相邻不等高单层框架结构碰撞反应分析和表3-6可知，碰撞作用对于右侧结构位移反应有明显抑制作用，尤其是负向位移；右侧结构812节点负向位移受到的抑制作用要大于2025节点，即靠近碰撞点的节点负向位移受碰撞影响的抑制作用更加明显。另外，分析5s-20s右侧结构812节点位移反应（图3-15）可以发现，碰撞后位移反应周期明显缩短，结构振动频率明显增大，碰撞作用加强了右侧结构在地震动作用下的振动频率。0.020.010.00(m)位移-0.01-0.02碰撞未碰撞-0.03051015202530时间(s)图3-12左侧框架419节点碰撞与未碰撞情况下位移反应时程曲线0.16碰撞未碰撞0.120.080.04位移(m)0.00-0.04-0.08-0.12051015202530时间(s)图3-13右侧框架812节点碰撞与未碰撞情况下位移反应时程曲线-27- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文0.20碰撞0.15未碰撞0.10(m)0.05位移0.00-0.05-0.10-0.15051015202530时间(s)图3-14右侧框架2025节点碰撞与未碰撞情况下位移反应时程曲线表3-6研究点碰撞与未碰撞作用下正负峰值位移反应值对比正向峰值位移负向峰值位移节点编号碰撞（m）未碰撞（m）增幅（%）碰撞（m）未碰撞（m）增幅（%）4190.01530.0234-34.62-0.0246-0.016648.198120.1130.09914.14-0.0457-0.105-56.4820250.110.119-7.56-0.0929-0.126-26.270.16碰撞未碰撞0.120.08(m)0.04位移0.00-0.04-0.08-0.125101520时间(s)图3-15右侧框架812节点碰撞与未碰撞情况下5s-20s位移反应时程曲线-28- 第3章相邻不等高单层框架结构碰撞反应分析3.3.3速度反应图3-16给出了左侧结构419节点在碰撞与未碰撞作用下的速度反应。由图中可以看出，相邻结构之间的碰撞作用对于左侧结构的速度反应基本没有影响。图3-17、3-18分别给出了右侧结构812节点、2015节点在碰撞与未碰撞作用下的速度反应。由图中可以看出，在15s之前，相邻结构之间的碰撞作用对于右侧结构速度反应有明显放大作用，而在15s之后，结构碰撞作用下的速度要明显小于碰撞未发生情况下的结构速度，碰撞作用对这个时段的速度反应具有抑制作用。0.3碰撞未碰撞0.20.10.0速度(m/s)-0.1-0.2-0.3051015202530时间(s)图3-16左侧框架419节点碰撞与未碰撞情况下速度反应时程曲线0.8碰撞未碰撞0.60.40.20.0速度(m/s)-0.2-0.4-0.6-0.8051015202530时间(s)图3-17右侧框架812节点碰撞与未碰撞情况下速度反应时程曲线-29- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.21.0碰撞未碰撞0.80.60.40.20.0速度(m/s)-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0051015202530时间(s)图3-18右侧框架2025节点碰撞与未碰撞情况下速度反应时程曲线表3-7研究点碰撞与未碰撞作用下绝对峰值速度反应值对比节点编号碰撞（m/s）未碰撞（m/s）增幅（%）4190.2850.288-1.0428120.60980.612-0.36020250.72530.756-4.2330.6碰撞未碰撞0.40.20.0速度(m/s)-0.2-0.4-0.6101520时间(s)图3-19右侧框架812节点碰撞与未碰撞情况下7s-22s速度反应时程曲线表3-7给出三个研究点碰撞与未碰撞时的速度反应峰值对比，可以看出，相邻结构间碰撞对右侧框架结构2025节点速度反应的抑制作用要大于对812节点速度反应的抑制作用。另外，分析7s-22s右侧结构812节点速度反应（图3-19）-30- 第3章相邻不等高单层框架结构碰撞反应分析可以发现，碰撞后速度反应周期明显缩短，并且碰撞作用下速度反应有明显的速度反向，再次说明碰撞作用改变了结构的动力特性。3.3.4应力反应左侧框架结构选取单元H735、H680、H182作为研究对象（图3-20），研究框架单元碰撞与无碰撞作用下的应力反应。图3-21、3-22、3-23分别给出了H182、H680、H735的单元应力时程曲线，由图中可以看出，H680应力反应与H182、H735的应力反应有很大不同，相邻结构的碰撞作用对于H182、H735单元应力反应的影响并不明显，但是对于H680单元，碰撞作用会产生明显的应力脉冲，并且应力脉冲的分布与碰撞力的分布大体一致。表3-8为碰撞与无碰撞时左侧框架关键单元的最大峰值应力，H735与H182虽然没有明显的应力脉冲，但是峰值应力比较大，H680虽然有明显的应力脉冲但是峰值应力较小。图3-20左侧框架与右侧框架结构研究单元-31- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4碰撞3未碰撞210应力(MPa)-1-2-3051015202530时间(s)图3-21左侧框架H182单元碰撞与未碰撞情况下应力反应时程曲线2.0碰撞1.5未碰撞1.00.5MPa)0.0应力(-0.5-1.0-1.5051015202530时间(s)图3-22左侧框架H680单元碰撞与未碰撞情况下应力反应时程曲线3碰撞未碰撞210-1应力(MPa)-2-3-4051015202530时间(s)图3-23左侧框架H735单元碰撞与未碰撞情况下应力反应时程曲线-32- 第3章相邻不等高单层框架结构碰撞反应分析表3-8左侧结构研究单元碰撞与无碰撞时的最大峰值应力碰撞未碰撞研究单正向峰值应力负向峰值应力正向峰值应力负向峰值应力元(kPa)(kPa)(kPa)(kPa)H1823260-24503230-2450H6801630-1110191-170H7352440-32602420-3260右侧框架结构选取单元H887、H804、H622作为研究对象（图3-20），研究框架单元碰撞与无碰撞作用下的应力反应。图3-24、3-25、3-26分别给出了H622、H804、H887的单元应力时程曲线，由图中可以看出，相邻结构的碰撞作用对于H622、H887单元应力反应的影响相对不明显，但是对于H804单元，碰撞作用会产生明显的应力脉冲，并且应力脉冲的分布与碰撞力的分布大体一致。表3-9为碰撞与无碰撞时左侧框架关键单元的最大峰值应力，与H622与H877相比，H804的峰值应力比较大。表3-9右侧结构研究单元碰撞与无碰撞时的最大峰值应力碰撞未碰撞研究单正向峰值应力负向峰值应力正向峰值应力负向峰值应力元(kPa)(kPa)(kPa)(kPa)H6223394-31563502-3718H8049797-6380878-1268H8874432-33173649-3545-33- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5碰撞4未碰撞3210应力(MPa)-1-2-3-4-5051015202530时间(s)图3-24右侧框架H622单元碰撞与未碰撞情况下应力反应时程曲线1210碰撞8未碰撞642应力(MPa)0-2-4-6-8051015202530时间(s)图3-25右侧框架H804单元碰撞与未碰撞情况下应力反应时程曲线5碰撞4未碰撞3210应力(MPa)-1-2-3-4051015202530时间(s)图3-26右侧框架H887单元碰撞与未碰撞情况下应力反应时程曲线-34- 第3章相邻不等高单层框架结构碰撞反应分析3.4本章小结本章采用显式非线性有限元软件，对两相邻不等高框架结构有限元建模并进行碰撞分析，研究了地震动作用下相邻结构碰撞对结构动力响应的影响。通过本章的研究，得出以下结论：1．相邻结构碰撞作用会产生明显的加速度脉冲，较高较柔结构加速度反应的放大作用比较矮较刚结构明显，并且对于较高较柔结构，越靠近碰撞点放大效应越大。2．碰撞作用对于较矮较刚结构的位移反应影响很小，有极小的放大作用，对于较高较柔结构负向位移反应有明显抑制作用。速度反应也有类似规律。3．碰撞作用使结构梁体中间单元产生明显的应力脉冲，对于刚度较大结构，梁两侧单元应力受碰撞影响较小，但中间单元峰值应力要小于两侧单元的峰值应力；刚度较小结构，梁体两侧单元峰值应力在碰撞作用下降低。4．碰撞后结构位移、速度反应周期明显缩短，加速度、应力脉冲的分布与碰撞力分布大体一致，碰撞处的冲击力使得结构的动力要素发生改变。-35- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第4章相邻不等高结构位置分布对碰撞反应影响4.1引言相邻结构碰撞是复杂的非线性动力问题，影响结构碰撞的因素有很多，比如相邻不等高结构位置、相邻结构间距、输入地震动加速度峰值等，很多学者采用恢复系数法和接触单元法该问题进行研究。在上一章节中研究了两相邻不等高结构的碰撞响应，左侧结构高度较低刚度较大，右侧结构高度较高刚度较小。当结构位置互换时，结构碰撞响应会发生怎样的变化呢。针对这个问题，本章采用ANSYS/LS-DYNA软件模拟分析，研究相邻不等高单层结构的位置分布对结构碰撞响应（加速度反应、位移反应、速度反应、应力）的影响。4.2有限元模型第三章已经研究了图3-1所示模型在碰撞作用下的动力特性，现将3-1中所示的两相邻模型位置互换，其他模型参数不变（见图4-1），研究结构位置变换对碰撞反应的影响。依然选用1979年ELCentro地震动加速度记录作为地震动输入，地震动参2数见表3-2。地震记录峰值加速度调整为400cm/s。图4-1相邻不等高框架结构有限元模型4.3研究点选取右侧高度较低框架结构采用节点2025作为研究点；对于左侧较高结构，亦-36- 第4章相邻不等高结构位置分布对碰撞反应影响选取框架角部的节点995作为研究点（图4-2），另外，还需要选取柱子上碰撞点的位置作为另外一个研究点。选取左侧框架结构右柱上面，靠近右侧框架梁结构附近的单元H298、H300、H302、H304、H306（柱子背面）以及单元H406、H408、H410、H412、H414（柱子正面）作为研究单元（图4-3），研究其碰撞过程中应力反应。图4-2模型研究点选取（节点995、2025）a)柱子正面b)柱子侧面图4-3模型选取单元进行应力分析-37- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文0.80.80.80.40.40.40.00.00.0-0.4-0.4MPa)-0.4-0.8-0.8-0.8应力(MPa)-1.2应力(MPa)-1.2应力(-1.2E298E300E302-1.6-1.6-1.6-2.0-2.0-2.0051015202530051015202530051015202530时间(s)时间(s)时间(s)0.80.80.40.40.00.0-0.4-0.4-0.8-0.8应力(MPa)-1.2E304应力(MPa)-1.2E306-1.6-1.6-2.0-2.0051015202530051015202530时间(s)时间(s)图4-4左侧框架右柱背面所选单元应力时程曲线表4-1左侧框架右柱背面研究单元应力绝对值最大值（kPa）研究单元H298H300H302H304H306峰值应力541.4503.31439.2743.31117.40.80.80.80.40.40.40.00.00.0-0.4-0.4-0.4-0.8-0.8-0.8应力(MPa)-1.2应力(MPa)-1.2应力(MPa)-1.2E406E408E410-1.6-1.6-1.6-2.0-2.0-2.0051015202530051015202530051015202530时间(s)时间(s)时间(s)0.80.80.40.40.00.0-0.4-0.4-0.8-0.8应力(MPa)-1.2应力(MPa)-1.2E412E414-1.6-1.6-2.0-2.0051015202530051015202530时间(s)时间(s)图4-5左侧框架右柱正面所选单元应力时程曲线-38- 第4章相邻不等高结构位置分布对碰撞反应影响表4-2左侧框架右柱正面研究单元应力绝对值最大值（kPa）研究单元H406H408H410H412H414峰值应力563.7516.81439.21276.41121.4所选单元的应力反应如图4-4和4-5所示，表4-1、4-2给出了研究单元应力绝对值最大值。由图表可以看出，H302和H410单元的应力反应曲线出现明显的应力脉冲，并且应力脉冲值最大，这与结构撞击产生的撞击力有密切的关系，而其他单元并无此现象。并且由图4-3b)可以看出，H302和H410单元处于柱子相同高度。因此，可选取两单元间的节点927作为左侧框架结构的第二个研究点（图4-6）。最终选取的研究点为节点927，节点995，节点2025。图4-6左侧框架右柱侧面所选H302、H410单元及研究点9274.4碰撞反应分析4.4.1加速度反应图4-7、图4-8、4-9分别为ELCentro地震动作用下，右侧框架结构节点2025、左侧框架结构927节点、995节点碰撞与未碰撞情况下加速度时程对比，同样可以观察到明显的加速度脉冲，并且左侧结构加速度脉冲要比右侧结构大。-39- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文30碰撞20未碰撞10)20-10加速度(m/s-20-30-40051015202530时间(s)图4-7右侧框架2025节点碰撞与未碰撞情况下加速度反应时程曲线400碰撞300未碰撞)2200100加速度(m/s0-100051015202530时间(s)图4-8左侧框架927节点碰撞与未碰撞情况下加速度反应时程曲线120碰撞100未碰撞80)60240200加速度(m/s-20-40-60051015202530时间(s)图4-9左侧框架995节点碰撞与未碰撞情况下加速度反应时程曲线-40- 第4章相邻不等高结构位置分布对碰撞反应影响2表4-3结构碰撞与未碰撞时正向和负向峰值加速度（m/s）碰撞未碰撞研究点正向峰值加速度负向峰值加速度正向峰值加速度负向峰值加速度左侧节点927340.74-98.8983.692-3.358左侧节点995101.17-48.4243.983-3.920右侧节点202521.30-30.9883.899-4.850由表4-3可知，节点927、995、2025正向峰值加速度碰撞后比碰撞前分别增大92.29倍、25.40倍、5.46倍，负向峰值加速度碰撞后比碰撞前分别增大29.45倍、12.35倍、6.39倍。由此可见，碰撞作用对左侧结构加速度反应的放大作用与右侧结构相比更加明显，并且对于右侧结构，节点927的速度脉冲峰值放大要明显大于其他两个节点，说明越靠近碰撞点放大效应越大。2表4-4模型a碰撞与未碰撞情况下峰值加速度增幅比较（m/s）左侧较矮结构角点峰值右侧较高结构角点峰值右侧较高结构碰撞点峰值模型加速度加速度加速度未碰撞碰撞增幅（%）未碰撞碰撞增幅（%）未碰撞碰撞增幅（%）模型a4.87731.76551.223.890739.376912.053.77672.681824.792表4-5模型b碰撞与未碰撞情况下峰值加速度增幅比较（m/s）右侧较矮结构角点峰值左侧较高结构角点峰值左侧较高结构碰撞点峰值模型加速度加速度加速度未碰撞碰撞增幅（%）未碰撞碰撞增幅（%）未碰撞碰撞增幅（%）模型b4.849830.988538.953.9832101.172439.923.692340.749129.14注：模型a是指图3-1所示模型，模型b是指4-1所示模型。以下出现注释相同。表4-4、4-5给出了模型a与模型b在碰撞与未碰撞两种情况下关键研究点的峰值加速度增幅对比。对于刚度较大高度较矮的结构：当该结构位于左侧时（模型a），加速度峰值增大551.22%，当该结构位于右侧时（模型b），加速度峰值增大538.95，可见当刚度较大结构位于左侧时加速度峰值增幅更大。同理，对于刚度较小高度较高的结构也可以发现这种规律，当该结构位于左侧时加速度峰值增幅比位于右侧时加速度峰值增幅明显增大，并且刚度较小结构因布置差异而导-41- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文致的增幅差距要比刚度较大结构两种情况下的峰值加速度增幅差距要大很多。也就是说，不论是刚度较小结构还是刚度较大结构，当位于左侧位置时加速度峰值的增幅会更大一些，并且刚度较小的结构加速度反应受结构布置的影响更大。4.4.2位移反应图4-10、4-11、4-12分别给出了右侧较矮结构节点2025、左侧较高结构927节点、995节点在碰撞与未碰撞作用下的位移反应。由图表可以看出，相邻结构之间的碰撞作用对于右侧较矮结构的正向位移反应有放大作用，对负向位移反应有抑制作用；对于左侧较高结构负向峰值位移反应有较明显的抑制作用。0.03碰撞未碰撞0.02(m)0.01位移0.00-0.01-0.02051015202530时间(s)图4-10右侧框架2025节点碰撞与未碰撞情况下位移反应时程曲线碰撞0.12未碰撞0.080.04(m)0.00位移-0.04-0.08-0.12051015202530时间(s)图4-11左侧框架927节点碰撞与未碰撞情况下位移反应时程曲线-42- 第4章相邻不等高结构位置分布对碰撞反应影响碰撞0.15未碰撞0.100.050.00位移(m)-0.05-0.10-0.15051015202530时间(s)图4-12左侧框架995节点碰撞与未碰撞情况下位移反应时程曲线表4-6模型a碰撞与未碰撞情况下峰值位移增幅比较（m）正向峰值位移负向峰值位移峰值位移绝对值研究点碰撞（m）未碰撞（m）增幅（%）碰撞（m）未碰撞（m）增幅%碰撞（m）未碰撞（m）增幅（%）10.01530.0234-34.62-0.0246-0.016648.190.02460.02344.8820.1130.09914.14-0.0457-0.105-56.480.1130.1057.0830.110.119-7.56-0.0929-0.126-26.270.110.126-14.55注：1为左侧较矮结构节点峰值位移，2为右侧较高结构碰撞点峰值位移，3为右侧较高结构节点峰值位移。表4-7模型b碰撞与未碰撞情况下峰值位移增幅比较（m）正向峰值位移负向峰值位移峰值位移绝对值研究点碰撞（m）未碰撞（m）增幅（%）碰撞（m）未碰撞（m）增幅%碰撞（m）未碰撞（m）增幅（%）10.03040.023423.03-0.0109-0.0166-34.340.03040.023423.0320.04390.0967-54.6-0.105-0.1031.940.1050.1031.930.09380.119-21.18-0.111-0.126-13.510.1110.126-11.9注：1为右侧较矮结构节点峰值位移，2为左侧较高结构碰撞点峰值位移，3为左侧较高结构节点峰值位移。-43- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表4-6、4-7给出了模型a与模型b在碰撞与未碰撞两种情况下关键研究点的峰值位移增幅对比。需要指出的是，当结构位于左侧时，其相对于右侧结构的位移是正向位移，当结构位于右侧时，其相对于左侧结构的位移是负向位移，因此，应将结构位于左侧时的正向位移与位于右侧时的负向位移作对比，反之亦然。对于刚度较大高度较矮的结构：当该结构位于左侧时（模型a），负向位移峰值增大48.19%，位于右侧时（模型b），正向位移峰值增大23.03%，但是位于右侧时，峰值位移的增大比位于左侧时明显；对于刚度较小高度较高的结构，当该结构位于左侧还是位于右侧时结构分布对位移反应的影响并不明显。4.4.3速度反应图4-13、4-14、4-15分别给出了右侧较矮结构2025节点、左侧较高结构927节点、995节点在碰撞与未碰撞作用下的速度反应。由图中可以看出，相邻结构之间的碰撞作用对于右侧较矮结构的速度反应基本没有影响，对于左侧较高结构的速度反应具有抑制作用。0.3碰撞未碰撞0.20.10.0速度(m/s)-0.1-0.2-0.3051015202530时间(s)图4-13右侧框架2025节点碰撞与未碰撞情况下速度反应时程曲线-44- 第4章相邻不等高结构位置分布对碰撞反应影响碰撞0.8未碰撞0.40.0速度(m/s)-0.4-0.8051015202530时间(s)图4-14左侧框架927节点碰撞与未碰撞情况下速度反应时程曲线1.2碰撞未碰撞0.80.40.0速度(m/s)-0.4-0.8051015202530时间(s)图4-15左侧框架995节点碰撞与未碰撞情况下速度反应时程曲线表4-8模型a碰撞与未碰撞情况下峰值速度增幅比较（m/s）左侧较矮结构角点峰值右侧较高结构角点峰值右侧较高结构碰撞点峰值模型速度速度速度未碰撞碰撞增幅（%）未碰撞碰撞增幅（%）未碰撞碰撞增幅（%）模型a0.2850.288-1.0420.72530.756-4.2330.60980.612-0.36-45- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表4-9模型b碰撞与未碰撞情况下峰值速度增幅比较(m/s)右侧较矮结构角点峰值左侧较高结构角点峰值左侧较高结构碰撞点峰值模型速度速度速度未碰撞碰撞增幅（%）未碰撞碰撞增幅（%）未碰撞碰撞增幅（%）模型b0.2880.2942.040.7560.715-5.420.5970.569-4.69表4-8、4-9给出了模型a与模型b在碰撞与未碰撞两种情况下关键研究点的峰值速度增幅对比。对于刚度较大高度较矮的结构：当该结构位于左侧时（模型a），速度峰值减小1.042%，当该结构位于右侧时（模型b），速度峰值增大2.04%；对于刚度较小高度较高的结构，无论该结构位于左侧还是位于右侧，速度峰值均减小。也就是说，两相邻结构的位置安排对刚度较大高度较低的结构影响不明显，对与刚度较小高度较高的结构，碰撞作用对其峰值速度反应有抑制作用，并且较柔结构在左侧时抑制作用更大。4.4.4应力反应左侧框架结构选取单元H775、H696、H438作为研究对象（图4-16），研究框架单元碰撞与无碰撞作用下的应力反应。图4-17、4-18、4-19分别给出了H438、H696、H775的单元应力时程曲线，由图中可以看出，相邻结构的碰撞作用对于H438、H775单元应力反应的影响相对不明显，但是对于H696单元，碰撞作用会产生明显的应力脉冲。不发生碰撞时，H696的峰值应力比其他两个单元要小很多，发生碰撞后，产生应力脉冲，峰值应力比其他两单元要大很多（表4-10）。图4-16左侧框架与右侧框架结构研究单元-46- 第4章相邻不等高结构位置分布对碰撞反应影响6碰撞未碰撞420应力(MPa)-2-4051015202530时间(s)图4-17左侧框架H438单元碰撞与未碰撞情况下应力反应时程曲线108碰撞未碰撞642应力(MPa)0-2-4-6051015202530时间(s)图4-18左侧框架H696单元碰撞与未碰撞情况下应力反应时程曲线5碰撞4未碰撞3210应力(MPa)-1-2-3-4-5051015202530时间(s)图4-19左侧框架H775单元碰撞与未碰撞情况下应力反应时程曲线-47- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表4-10左侧结构研究单元碰撞与无碰撞时的最大峰值应力碰撞未碰撞研究单正向峰值应力负向峰值应力正向峰值应力负向峰值应力元(kPa)(kPa)(kPa)(kPa)H4385203-33233502-3718H6969176-5246272-373H7753306-28803650-3545右侧框架结构选取单元H887、H824、H622作为研究对象（图4-16），研究框架单元碰撞与无碰撞作用下的应力反应。图4-20、4-21、4-22分别给出了H622、H824、H887的单元应力时程曲线，由图中可以看出，相邻结构的碰撞作用对于H622、H887单元应力反应的影响相对不明显，但是对于H804单元，碰撞作用会产生明显的应力脉冲，但是应力脉冲值与H622与H877相比比较小（表4-11）。4碰撞3未碰撞210应力(MPa)-1-2-3051015202530时间(s)图4-20右侧框架H622单元碰撞与未碰撞情况下应力反应时程曲线-48- 第4章相邻不等高结构位置分布对碰撞反应影响1.5碰撞未碰撞1.00.5MPa)0.0应力(-0.5-1.0-1.5-2.0051015202530时间(s)图4-21右侧框架H824单元碰撞与未碰撞情况下应力反应时程曲线4碰撞3未碰撞210应力(MPa)-1-2-3-4051015202530时间(s)图4-22右侧框架H887单元碰撞与未碰撞情况下应力反应时程曲线表4-11右侧结构研究单元碰撞与无碰撞时的最大峰值应力碰撞未碰撞研究单正向峰值应力负向峰值应力正向峰值应力负向峰值应力元(kPa)(kPa)(kPa)(kPa)H6223258-24183230-2448H8241374-1695955-674H8872358-32422423-3255-49- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表4-12较矮结构在左侧和右侧时研究单元碰撞与无碰撞时的峰值应力（kPa）左单元中间单元右单元较矮框架未碰撞碰撞增幅（%）未碰撞碰撞增幅（%）未碰撞碰撞增幅（%）模型a3260326001911630753.4323032600.929模型b32553242-0.399955169577.49323032580.867表4-13较高结构在右侧和左侧时研究单元碰撞与无碰撞时的峰值应力（kPa）左单元中间单元右单元较高框架未碰撞碰撞增幅（%）未碰撞碰撞增幅（%）未碰撞碰撞增幅（%）模型a36494432-0.47212689797672.6337183394-8.714模型b3650330621.4637391762360.13718520339.94由表4-12和4-13可知，刚度较大高度较低结构不管在左侧还是在右侧，梁体两边单元的峰值应力受碰撞作用影响较小，中间单元峰值应力有明显增大，并且在左侧时放大作用更明显，但是中间单元的峰值应力要小于两侧单元的峰值应力；刚度较小高度较高结构在右侧时，梁体两侧单元峰值应力在碰撞作用下降低，中间单元产生应力脉冲，在左侧时，梁体两侧单元峰值应力均增大，中间单元产生应力脉冲，虽然应力脉冲峰值相差不大，但是峰值增幅比在右侧时要大很多。4.5本章小结本章采用显式非线性有限元软件，研究了地震动作用下两相邻不等高单层框架结构位置分布对结构碰撞响应的影响。通过本章的研究，得出以下结论：1．碰撞使结构产生明显的加速度脉冲，不论是刚度较小结构还是刚度较大结构，当位于左侧位置时加速度峰值的增幅会更大一些，并且刚度较小的结构加速度反应受结构布置的影响更大。2．当高度较矮刚度较大结构位于右侧位置时，碰撞对峰值位移的放大作用更明显，刚度较小的结构位移反应受位置分布的影响较小。3．两相邻结构的位置分布对刚度较大高度较低的结构速度反应影响不明显，对于刚度较小高度较高的结构，碰撞作用对其峰值速度反应有抑制作用，并且较柔结构在左侧时抑制作用更大。4．刚度较大结构碰撞时梁体中间单元峰值应力有明显增大，并且结构位于左侧时放大作用更明显；刚度较小结构，在右侧时，梁体两侧单元峰值应力在碰-50- 第4章相邻不等高结构位置分布对碰撞反应影响撞作用下降低，中间单元产生应力脉冲，在左侧时，梁体两侧单元峰值应力增大。-51- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第5章结构间距及输入地震动对结构碰撞反应影响5.1引言结构碰撞破坏的主要原因之一是相邻结构间距或抗震缝宽度过小。几乎所有主要抗震规范(美国规范UBC，加拿大规范NBCC，中国规范GBJI189、GB50011-2001等)都规定了相邻结构间避免碰撞的最小间距。针对不同的间距条件对与结构碰撞反应的影响问题，很多学者采用恢复系数法、接触单元法等简化的理论分析方法进行研究。本章采用ANSYS/LS-DYNA软件模拟分析，研究相邻结构间距变化对结构碰撞响应（加速度反应、位移反应、速度反应、碰撞力）的影响，并考虑输入地震动峰值加速度变化时，不同间距条件下结构的碰撞响应。最后，考虑输入地震动为近场脉冲型地震动时，与远场地震动相比，对结构碰撞反应会有怎样的影响。5.2相邻结构间距对结构碰撞反应影响2选取ELCentro地震动，地震动峰值加速度4m/s，选取图3-1所示作为研究对象。根据第三章内容，左侧框架结构选取419节点作为研究点，右侧框架选取812节点作为研究点。研究在不同间距条件下，两相邻不等高结构碰撞后的加速度、位移、速度、碰撞力响应。图5-1a)、5-1b)分别给出了左侧结构和右侧结构研究点在不同间距条件下的最大绝对值加速度。由图中可以看出，两侧结构的峰值加速度随着间距的增大，有波动下降的趋势，但是最大的峰值加速度并不是发生在间距最小的情况，左侧刚度较大高度较低结构的最大峰值位移大概出现于间距为0.02m时，右侧刚度较小高度较低的结构最大峰值加速度大概出现于间距为0.04m时，右侧结构最大峰值加速度要远远大于左侧结构，当间距达到0.11m以后，左右侧峰值加速度为恒定值，结构不发生碰撞。由此看见，当结构间距足够大时能有效防止相邻结构发生碰撞。-52- 第4章结构间距及输入地震动对结构碰撞反应影响60700碰撞600碰撞505002)402)40030300加速度(m/s20加速度(m/s20010010000.000.020.040.060.080.100.120.140.160.000.020.040.060.080.100.120.140.16间距(m)间距(m)a)419节点b)812节点图5-1碰撞后两结构研究节点不同间距条件下的峰值加速度0.025碰撞0.14碰撞0.0240.130.023(m)0.12位移0.022位移(m)0.110.0210.100.0200.000.020.040.060.080.100.120.140.160.000.020.040.060.080.100.120.140.16间距(m)间距(m)a)419节点b)812节点图5-2碰撞后两结构研究节点不同间距条件下的峰值位移图5-2a)、5-2b)分别给出了左侧结构和右侧结构研究点在不同间距条件下的最大绝对值位移。由图5-2a)可以看出，随着间距的增大，左侧刚度较大高度较低结构的峰值位移有先减小后增大的趋势，间距0.03m时峰值位移最大，当间距为0.06m时峰值位移最小，0.11m以后曲线值恒定。图5-2b)曲线走势与图5-2a)有较大区别，随着间距增大，右侧刚度较小高度较高结构的峰值位移呈现先减小后增大的趋势，最后曲线呈平直直线延伸。可以发现，当间距为0.1m时，右侧结构的峰值位移最小，受碰撞作用的抑制作用最大，而此时左侧结构的峰值位移也较小，此刻碰撞作用对结构的位移响应比较有利。-53- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文0.300.760.740.29碰撞0.720.280.700.270.68m/s)碰撞0.660.260.64速度(速度(m/s)0.250.620.240.600.580.230.560.000.020.040.060.080.100.120.140.160.000.020.040.060.080.100.120.140.16间距(m)间距(m)a)419节点b)812节点图5-3碰撞后两结构研究节点不同间距条件下的峰值速度图5-3a)、5-3b)分别给出了左侧结构和右侧结构研究点在不同间距条件下的最大绝对值速度。由图5-5可以看出，间距小于0.04m时，左侧结构的峰值速度呈直线上升趋势，间距大于0.04m时，左侧结构峰值速度走势趋于平稳，速度峰值受间距影响不大。图5-6看出，右侧刚度较小高度较高结构的峰值速度受间距影响相对明显，随着间距增大，峰值速度振荡增大又减小，最低峰值速度出现于间距0.02m时，间距超过0.11m，峰值速度恒定。图5-4给出了不同间距条件下碰撞结构的最大碰撞力，由图中可以看出，随着间距增大，碰撞力呈现先增大后减小的趋势，当间距为0.04m时碰撞力最大，为127KN。间距大于0.04m时，结构碰撞力迅速减小。表5-1给出了不同间距条件下，相邻结构碰撞的次数以及最大碰撞力的大小、发生时刻。可以看出，随着间距的增大，相邻结构碰撞产生的次数逐渐减小，当间距为0.01m时，最大碰撞力发生于26.7s，当间距为0.02-0.07m时，最大碰撞力发生于9.4s左右，当间距为0.08-0.10m时，最大碰撞力发生于20.7s。-54- 第4章结构间距及输入地震动对结构碰撞反应影响140120100碰撞806040碰撞力(kN)200-200.000.020.040.060.080.100.120.140.16间距(m)图5-4碰撞后不同间距条件下的最大碰撞力表5-1不同间距条件下结构碰撞力情况不同结构间距（m）下的的碰撞力情况研究点0.010.020.030.040.050.060.070.080.090.10最大碰撞力（kN）11111312412794.564.869.750.929.610.6时间（s）26.79.49.49.49.49.59.520.720.720.7碰撞次数15141299764425.3地震动峰值加速度对结构碰撞反应影响上一节内容研究了两相邻不等高结构（图3-1）在ELCentro地震动作用下，2不同间距情况下的结构碰撞响应，地震动调幅后峰值加速度为4m/s。本节将EL22Centro地震动峰值加速度分别调幅到5.1m/s和6.2m/s，比较这三种不同的峰值加速度作用下相邻结构（图3-1）的碰撞响应。根据第三章研究内容可知，对于右侧较高的结构，812节点反应受碰撞作用的影响比2025节点更明显，因此，在本节的研究中，左侧较矮结构选取419节点作为研究点，右侧较高结构选取812节点作为研究点。-55- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表5-2不同峰值地震动输入条件下相邻结构研究节点不同间距下的峰值加速度2不同峰值地震动输入条件下结构研究节点峰值加速度（m/s）结构间距地震动峰值加速度地震动峰值加速度地震动峰值加速度(m)4m/s25.1m/s26.2m/s2419节点812节点419节点812节点419节点812节点0.0147.810357.08107.85371.19116.70584.000.0260.073297.9192.840350.1123.670147.340.0331.76272.680151.80179.00129.44272.580.0434.712678.13919.02351.4650.819322.870.0550.259335.7372.711651.2532.880314.000.0656.085170.6326.505353.9552.936226.490.0727.10755.67663.967344.2753.68567.8750.0836.068153.06258.48229.65314.96359.900.095.765027.19631.796112.6666.004451.690.114.15239.21566.18393.117206.45545.830.114.87743.776019.410355.9043.753228.380.124.87743.776021.31969.592276.05989.570.134.87743.776010.60322.862167.99390.920.144.87743.77606.20804.781016.96673.3020.154.87743.77606.25004.436011.13237.369未碰撞4.87743.77606.25004.43607.59145.3746222表5-2给出了地震动输入峰值加速度分别为4m/s、5.1m/s、6.2m/s时，419节点与812节点在不同间距条件下的峰值加速度。图5-5是419节点在三种情况下不同间距时的最大加速度曲线，由图中可以看出，当间距大于0.07m时，随着输入地震动峰值加速度增大，相应间距的最大节点加速度也相应增大；同样，在图5-6中，当间距大于0.07m时节点812的峰值加速度也可以观察到类似现象。另外，图5-5和图5-6都可以观察到，对于不同峰值加速度的输入地震动，图中曲线都会出现一个最大的峰值，并且随着地震动输入峰值加速度的增大，曲线峰2值出现的时间会越来越晚。对于左侧结构419节点，当地震动输入加速度为4m/s-56- 第4章结构间距及输入地震动对结构碰撞反应影响22时，曲线较平稳，说明加速度受距离影响不大，当地震动为5.1m/s、6.2m/s时，曲线振荡较明显，加速度受距离影响较大。对于右侧结构812节点，三种情况下曲线振荡相对左侧结构更加剧烈。100080024.0m/s25.1m/s2)6006.2m/s2400加速度(m/s20000.000.020.040.060.080.100.120.140.16间距(m)图5-5左侧框架419节点在不同地震动输入条件下相应间距的峰值加速度210004.0m/s25.1m/s26.2m/s800)2600400加速度(m/s20000.000.020.040.060.080.100.120.140.16间距(m)图5-6右侧框架812节点在不同地震动输入条件下相应间距的峰值加速度222表5-3给出了地震动输入峰值加速度分别为4m/s、5.1m/s、6.2m/s时，419节点与812节点在不同间距条件下的峰值位移。图5-7、5-8分别给出了419节点、812节点在三种情况下不同间距时的最大位移曲线，由图中可以明显的看出，随着输入地震动峰值加速度的增大，不同间距下的节点峰值位移也基本呈现-57- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文增大的趋势。419节点峰值位移曲线表明，节点峰值位移最小值不是出现在间距最大时也不是出现在间距最小时，而是出现在某一中间间距处。812节点峰值位移曲线表明碰撞对较高结构节点位移的放大或抑制作用与结构间距有关。表5-3不同峰值地震动输入条件下相邻结构研究节点不同间距下的峰值位移不同峰值地震动输入条件下结构研究节点峰值位移（m）结构间距地震动峰值加速度地震动峰值加速度地震动峰值加速度(m)4m/s25.1m/s26.2m/s2419节点812节点419节点812节点419节点812节点0.010.02390.14130.02730.18280.03280.22760.020.02440.12110.03250.15050.03330.20970.030.02460.11320.02660.1530.03350.19580.040.02370.11410.02620.14770.03460.17960.050.02230.11580.02860.15190.03740.18300.060.02060.11590.02860.14780.03110.18490.070.02070.11500.02600.14710.03390.18010.080.02180.11050.02620.14770.02620.14770.090.02190.10320.03250.15050.02590.14990.10.02280.09900.02980.13460.03460.17960.110.02340.10530.02700.13840.02740.13840.120.02340.10530.02810.12920.03270.17940.130.02340.10530.02920.12850.03180.17070.140.02340.10530.02980.13450.03380.16280.150.02340.10530.02980.13460.03460.1546未碰撞0.02340.10530.02980.13460.03620.1636-58- 第4章结构间距及输入地震动对结构碰撞反应影响24.0m/s0.04025.1m/s26.2m/s0.0360.032位移(m)0.0280.0240.0200.000.020.040.060.080.100.120.140.16间距(m)图5-7左侧框架419节点在不同地震动输入条件下相应间距的峰值位移0.2424.0m/s0.2225.1m/s26.2m/s0.200.180.16位移(m)0.140.120.100.000.020.040.060.080.100.120.140.16间距(m)图5-8右侧框架812节点在不同地震动输入条件下相应间距的峰值位移222表5-4给出了地震动输入峰值加速度分别为4m/s、5.1m/s、6.2m/s时，419节点与812节点在不同间距条件下的峰值速度。图5-9、5-10分别给出了419节点、812节点在三种情况下不同间距时的最大速度曲线，由图中可以明显的看出，不管是左侧结构还是右侧结构，在不同的地震动输入峰值加速度条件下，节点在不同间距下的峰值速度曲线走势是一致的，并且峰值速度随着输入地震动峰值加速度的增大而增大，也就是说，输入地震动的峰值加速度越大，碰撞后结构的速度反应越强烈。对于左侧高度较矮刚度较大的结构，曲线呈平缓上升趋势，说明碰撞对于结构位移反应具有抑制作用，当相邻结构间距超过0.05m的时候，-59- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文峰值速度曲线就趋向于与x轴平行，说明此时间距对于碰撞后的峰值速度响应基本没有影响；对于右侧高度较高刚度较小的结构，曲线基本上呈振荡趋势，碰撞对于结构速度反应具有放大作用还是抑制作用与结构间距有关，在0.01m至0.15m的间距范围内，曲线一直有明显的振动，说明间距对于右侧结构的峰值速度反应影响较大。表5-4不同峰值地震动输入条件下相邻结构研究节点不同间距下的峰值速度不同峰值地震动输入条件下结构研究节点峰值速度（m/s）结构间距地震动峰值加速度地震动峰值加速度地震动峰值加速度(m)4m/s25.1m/s26.2m/s2419节点812节点419节点812节点419节点812节点0.010.230.7090.2930.9060.361.130.020.2720.5770.3350.8090.3691.040.030.2850.60980.3530.7280.4090.9290.040.2880.650.3660.7770.4370.8940.050.2880.6730.3670.8350.4450.960.060.2880.7060.3670.8950.4461.010.070.28780.6830.3670.9220.4461.060.080.28780.6540.3670.940.4461.10.090.28780.6290.3670.9380.4461.160.10.2880.6120.3670.9110.4461.110.110.2880.6120.3670.8860.4461.150.120.2880.6120.3670.830.4461.130.130.2880.6120.3670.8380.4461.050.140.2880.6120.3670.8380.4461.040.150.2880.6120.3670.8380.4461.01未碰撞0.2880.6120.3670.8380.4461.02-60- 第4章结构间距及输入地震动对结构碰撞反应影响0.450.400.3524.0m/s25.1m/s速度(m/s)20.306.2m/s0.250.000.020.040.060.080.100.120.140.16间距(m)图5-9左侧框架419节点在不同地震动输入条件下相应间距的峰值速度1.424.0m/s1.325.1m/s21.26.2m/s1.11.00.9速度(m/s)0.80.70.60.000.020.040.060.080.100.120.140.16间距(m)图5-10右侧框架812节点在不同地震动输入条件下相应间距的峰值速度222表5-5给出了地震动输入峰值加速度分别为4m/s、5.1m/s、6.2m/s时，相邻结构碰撞的最大碰撞力数值，最大碰撞力发生时间以及碰撞发生次数。由图5-11可以看出，随着输入地震动峰值加速度的增大，相应间距条件下的最大碰撞力值也增大，随着间距的增大，最大碰撞力值先增大后减小，碰撞次数也逐渐减222小。4m/s、5.1m/s、6.2m/s时，最大峰值碰撞力分别出现在间距0.04m、0.05m、0.06m。另外由表5-5可以看出，最大碰撞力发生时刻很有规律，当间距为0.01m时，最大碰撞力发生于26.7s，中间间距最大碰撞力多发生于9.4s和9.5s，当间距比较大的时候，最大碰撞力发生于20.7s。-61- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表5-5不同峰值地震动输入条件下相邻结构不同间距下的最大碰撞力不同峰值地震动输入条件下结构最大碰撞力（N）地震动峰值加速度地震动峰值加速度地震动峰值加速度间距2224m/s5.1m/s6.2m/s(m)最大碰发生时碰撞最大碰发生时碰撞最大碰发生时碰撞撞力(N)间(s)次数撞力(N)间(s)次数撞力(N)间(s)次数0.011.11E+0526.7151.48E+0526.7161.85E+0526.7180.021.13E+059.4141.38E+059.4151.58E+059.4150.031.24E+059.4121.58E+059.4131.82E+059.4140.041.27E+059.491.68E+059.4101.94E+059.4120.059.45E+049.491.68E+059.492.05E+059.4100.066.48E+049.571.43E+059.492.10E+059.490.076.97E+049.561.00E+059.481.82E+059.490.085.09E+0420.749.57E+049.571.50E+059.490.092.96E+0420.749.93E+049.559.98E+049.570.11.06E+0420.729.01E+049.551.19E+059.570.110005.03E+049.541.22E+059.560.120002.48E+0420.741.16E+059.550.130001.12E+0420.727.57E+049.540.140004.72E+0220.814.39E+0420.740.150000002.54E+0420.74-62- 第4章结构间距及输入地震动对结构碰撞反应影响24024.0m/s25.1m/s20026.2m/s160120碰撞力(kN)804000.000.020.040.060.080.100.120.140.16间距(m)图5-11不同地震动输入条件下相应间距结构最大碰撞力5.4近场地震动对结构碰撞反应影响本节选取图3-1所示模型，研究其在近场脉冲型地震动和远场地震动作用下碰撞响应的不同。模型参数见表3-1。由前面的研究可知，右侧结构812节点与2025节点的碰撞反应趋势基本一致，因此本节研究中选取左侧结构419节点以及右侧结构2025节点作为研究点，如图3-3所示。5.4.1地震动选取本节研究采用1999年台湾集集地震（M=7.7）时记录到的两条近场脉冲型w记录作为输入地震动，这两条记录分别来自台站TCU068和台站TCU0102，两条记录的地面运动参数见表5-6。为了便于比较，又分别取用了这两个台站在其它地震事件中记录到的两条远场地震记录，远场地震记录的地面运动参数见表5-7。表5-6研究选取的近场脉冲型地震动参数场脉冲断层距震级PGAPGVPGV/PGA地台站持时2（km）（Mw）（cm/s）（cm/s）（s）类（s）型TCU068N3.017.7501.9280.20.5583.85CTCU0102N1.197.7298.686.50.2907.69C-63- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表5-7研究选取的远场地震动参数断层距震级PGAPGVPGV/PGA场地台站2（km）（Mw）（cm/s）（cm/s）（s）类型TCU068F1157.85.8316.11.310.081CTCU068F293.95.7713.91.860.134CTCU102F1103.96.5022.11.920.087CTCU102F2112.45.567.70.370.048C从表5-6和表5-7看出，两条脉冲型近场地震记录的PGV/PGA比值均比远场地震记录的PGV/PGA比值高。地震记录时程如图5-12所示。文中TCU068N代表TCU068台站的近场记录，TCU068F1、TCU068F2分别代表TCU068台站的两条远场地震动记录。TCU102台站近远场地震动的标示与此相同。图5-12给出了这两条近场记录东西分量的加速度时程、速度时程及位移时程曲线，从时程曲线可以看出，速度时程和位移时程中含有的脉冲较明显，而加速度时程中的脉冲与其速度时程、位移时程中的脉冲相比则不明显。从图5-13近场脉冲型地震记录加速度时程与远场地震记录加速度时程比较可以看出近场加速度记录的脉冲波形比较明显。)22)400200加速度加速度00-200-400Acc.(cm/sAcc.(cm/s020406080100020406080100200100速度速度00Vel.(cm/s)-100Vel.(cm/s)-200020406080100020406080100100300位移位移00Dis.(cm)Dis.(cm)-300-100020406080100020406080100Time(s)Time(s)a）TCU068台站的近场地震动记录时程d）TCU102台站的近场地震动记录时程图5-12近场记录的加速度、速度和位移时程-64- 第4章结构间距及输入地震动对结构碰撞反应影响600300400TCU068N200TCU102N20010000-100-200-200-400-300-600)162)8280TCU068F1TCU102F10-8-8-16-16-24加速度(m/s12加速度(m/s88440TCU068F20TCU102F2-4-4-8-12-8-16-1001020304050607080901000102030405060708090100时间(s)时间(s)a）TCU068台站的近远场加速度时程b）TCU102台站的近远场加速度时程图5-13近场加速度时程与远场加速度时程的比较输入的近场脉冲型地震动记录和一般远场地震动记录的峰值均调整为25.1m/s。本节为仅考虑了水平向的地震作用，而没有考虑竖向地震作用以及地震作用的空间组合。用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件分析方法计算了该结构模型分别在近场地震动和远场地震动输入情况下的碰撞反应。5.4.2碰撞反应分析图5-13和图5-14分别给出了tcu068台站的地震动记录和tcu102台站的地震动记录作用下两结构加速度反应时程和速度反应时程曲线。由图中可以看出，在近场脉冲型地震动作用下，结构加速度反应会产生明显的加速度脉冲，并且峰值加速度要远远大于在远场地震动作用下的加速度反应值；速度反应也有明显脉冲，速度峰值大于远场地震动作用时的速度值。表5-8给出了在研究选取的近远场地震动作用下，结构发生碰撞作用时产生的最大碰撞力值。由表中数据可以看出，与远场地震动相比，在近场脉冲型地震动作用下，结构的碰撞力要大很多。根据近远场地震动作用下结构碰撞后的加速度反应、速度反应和最大碰撞力反应可知，近场脉冲型地震动作用下，结构的碰撞反应更加强烈，结构产生较大的撞击力，并有加速度脉冲和速度脉冲出现，使结构更容易发生柱中碰撞，产生局部破坏，严重时甚至会引起结构倒塌。-65- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表5-8研究选取的地震动作用下结构的最大碰撞力（kN）输入地震动Tcu068Tcu068f1Tcu068f2Tcu102Tcu102f1Tcu102f2最大碰撞力24115.316519175.137.3205000-50)-20)22-100-40-150-60tcu068tcu068tcu068f1tcu068f1加速度(m/s加速度(m/s-200-80tcu068f2tcu068f2-250-100-300-120-35001020304050600102030405060时间(s)时间(s)a)419节点加速度b)2025节点加速度1.010.500.0m/s)-1速度(m/s)-0.5速度(tcu068-2tcu068f1tcu068-1.0tcu068f2tcu068f1tcu068f2-3-1.501020304050600102030405060时间(s)时间(s)a)419节点速度b)2025节点速度图5-13tcu068台站地震动作用下结构加速度和速度反应时程曲线-66- 第4章结构间距及输入地震动对结构碰撞反应影响2525020tcu102200tcu10215tcu102f1tcu102f1)2)2tcu102f2150tcu102f2105100加速度(m/s0加速度(m/s50-50-10-50-1501020304050600102030405060时间(s)时间(s)a)419节点加速度b)2025节点加速度tcu1021.51.5tcu102tcu102f1tcu102f2tcu102f11.01.0tcu102f20.50.5m/s)0.0m/s)速度(0.0-0.5速度(-0.5-1.0-1.5-1.001020304050600102030405060时间(s)时间(s)a)419节点速度b)2025节点速度图5-14tcu102台站地震动作用下结构加速度和速度反应时程曲线5.5本章小节本章研究选取模型a研究不同的结构间距对结构碰撞响应的影响，选用EL222Centro地震动作为输入地震动，峰值加速度分别调幅到4m/s、5.1m/s、6.2m/s，研究不同的输入地震动峰值加速度对于结构碰撞响应的影响。最后选取两个台站的近场和远场地震动记录作为输入地震动，研究近场脉冲型地震动对结构碰撞响应的影响。现将所得结论总结如下：1．随着间距的增大，两结构的峰值加速度有波动下降的趋势，碰撞力先增大后减小，碰撞次数逐渐减少。碰撞对于结构位移反应、速度反应具有放大作用还是抑制作用与结构间距有关。-67- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2．随着间距增大，最大峰值加速度、最小峰值位移均不发生在间距最小时，而是出现在中间某一间距情况下。3．随着输入地震动峰值加速度增大，相应间距的峰值节点加速度、位移、速度也相应增大。地震动峰值加速度越大，结构峰值加速度、位移、速度反应受间距影响越大。4．随着输入地震动峰值加速度增大，相应间距条件下的最大碰撞力值增大，最大碰撞力发生时间很有规律。5．与远场地震动相比，近场脉冲型地震动作用下，结构的碰撞反应更强烈，更容易引起结构破坏。-68- 结论与展望结论与展望本文针对相邻不等高单层框架结构在强烈地震作用下的碰撞问题，通过显式非线性有限元分析和简化分析相结合的方法，研究了结构的碰撞反应，以及结构参数和地震动参数对碰撞的影响。本文研究得到的结论概括如下：1．相邻结构碰撞作用会产生明显的加速度脉冲和较大的碰撞力，结构梁体中间单元出现明显应力脉冲。2．碰撞作用对结构的放大作用和抑制作用与结构间距有关，对于同一结构，当间距改变时，碰撞作用对结构反应的放大作用抑或抑制作用也会发生变化。3．相邻不等高结构位置的变化对于结构碰撞响应有一定的影响。当结构位置发生变化时，结构的碰撞响应也会改变。4．不同间距条件下，碰撞时最大峰值加速度及最小峰值位移并不发生在间距最小时，而出现在中间某一间距处。随着间距增大，碰撞力呈现先增大后减小的趋势。5．与远场地震动相比，近场脉冲型地震动作用下，结构的碰撞反应更强烈，更容易引起结构破坏。结构碰撞问题是复杂的非线性问题，除了理论和方法上的研究外，仅基于本文的工作，笔者认为还需要进一步研究的问题有：1．碰撞接触区域混凝土本构关系的选取和参数的选择的合理性，对于分析结果的正确性有至关重要的作用。在罕遇地震下结构发生碰撞时，结构大多处于非弹性阶段，本文采用线弹性材料模型，不能完全反映混凝土的碰撞应力状态，因此应该选用更为精确的非弹性结构模型，今后的研究中，对于上述问题应进行进一步研究。2．在乡村和城镇大量的临街建筑中，一排多个单层以及多高层层高不等的建筑比比皆是，发生强震时，极可能发生柱中碰撞或最外侧建筑碰撞破坏，这类碰撞对结构的破坏作用更大，可能直接引起建筑物的倒塌，而国内外对此研究很少，值得更深一步的研究。-69- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文参考文献1杨永强.地震落梁与结构碰撞的数值模拟研究.中国地震局工程力学研究所硕士学位论文.2007:1~22邹宏德,蓝宗建.相邻建筑结构碰撞问题的探讨.工业建筑.2002,32(4):49~523V.Jeng,W.L.Tzeng.Assessmentofseismicpoundinghazardfortaipeicity.EngineeringStructures.2000,22:459~4714C.Arnold.ArchitecturalConsiderations.Theseismicdesignhandbook.NewYork,1989:142~1705K.Takeyama.Earthquakeresponseofabuildingcollidedwithaneighbouringbuilding.Proc.5thworldconf.earthquakeeng.Rome,1973:2211~22146G.V.Berg,H.J.Degenkolb.EngineeringlessonsfromtheManaguaearthquake.TheManagua,NicaraguaEarthquakeDecember23.NewYork,1973:5~217M.A.Sozen,J.Rousset.Structuraldamagecausedbythe1976Guatemalaearthquake.CivilEngr.Studies,1976th8S.A.Anagnostopoulos.Earthquakeinducedpounding:stateoftheart.10EuropeanConferenceonEarthquakeEngineering.Rotterdam,1995:897~9059E.Rosenblueth,R.Meli.The1985earthquake:causesandeffectsinMexicoCity.ConcreteIntnl.1986,5:23~3610S.Muthukumar,R.DesRoches.AHertzcontactmodelwithnon-lineardampingforpoundingsimulation.EarthquakeEngineeringandStructuralDynamics.2006,35:811~82811K.Kasai,B.F.Maison.Buildingpoundingdamageduringthe1989LomaPrietaearthquake.EngineeringStructures.1997,19(3):195~20712S.Muthukumar.Acontactelementapproachwithhysteresisdampingfortheanalysisanddesignofpoundinginbridges.GeorgiaInstituteofTechnology,200313J.P.Wolf,P.E.Skrikerud.Mutualpoundingofadjacentstructuresduringearthquakes,Nucl.eng.des.1980,57:253~27514R.O.Davis.Poundingofbuildingsmodeledbyanimpactoscillator.Earthquakeengineeringandstructuraldynamics.1992,21:253~27415K.T.Chao,X.X.Wei.Poundingofstructuresmodeledasnon-linearimpactsoftwooscillators.EarthquakeEngineeringandStructuralDynamics.2001,30:633~651-70- 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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文30R.DesRoches,S.Muthukumar.EffectofPoundingandRestrainersonSeismicResponseofMultiple-frameBridges.JournalofStructuralEngineering.2002,(128):860~86131C.P.Pantelides,X.Ma.LinearandNonlinearPoundingofStructuralSystems.ComputeandStructure,1998,66(1):79~8032G.Zanardq,H.Haq,C.Modern.Seismicresponseofmulti-spansimplysupportedbridgestoaspatiallyvaryingearthquakegroundmotions.EarthquakeEngineeringandStructuralDynamics.2002,(31):1325~134533N.Chouw,H.Hao.Reductionofpoundingresponsesofbridgesgirderswithsoil-structureinteractioneffectstospatialnearsourcegroundmotions.Procofth13WorldConferenceonEarthquakeEngineering.Canada,200434胡庆昌.考虑房屋撞击的抗震设计若干概念.建筑结构学报.1995,1:49~5235杨永强.地震落梁与结构碰撞的数值模拟研究.中国地震局工程力学研究所硕士学位论文.2007:8~1536R.Jankowski.Non-linearviscoelasticmodellingofearthquake-inducedstructuralpounding.EarthquakeEngineeringandStructuralDynamics.2005,34:595~61137卓秋林.公路简支斜梁桥地震反应分析.福州大学硕士学位论文.2004:92~9538S.Muthukumar,R.DesRoches.Ahertzcontactmodelwithnon-lineardampingforpoundingsimulation.EarthquakeEngng.Struct.Dyn.2006,35:816~81939A.R.Khoei,H.DorMohammadi,A.R.Azami.Athree-invariantcapplasticitymodelwithkinematichardeningruleforpowdermaterials.JournalofMaterialsProcessingTechnology.2007,188:680~68440尚晓江,苏建宇,王化峰.ANSYS/LS-DYNA动力分析方法与工程实例.中国水利水电出版社.2008:2~1241李裕春,时党勇,赵远.LS-DYNA基础理论与工程实践.中国水利水电出版社.2006:72~8842刘欣.弹性碰撞理论在齿轮线外啮合冲击力及冲击动应力计算中的应用研究.中南大学硕士学位论文.2007:18~24-72- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《地震作用下相邻不等高单层框架结构碰撞反应分析》，是本人在导师指导下，在哈尔滨工业大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字：日期：2010年7月8日哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书《地震作用下相邻不等高单层框架结构碰撞反应分析》系本人在哈尔滨工业大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨工业大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨工业大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将论文加入《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》和编入《中国知识资源总库》。本人授权哈尔滨工业大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于（请在以下相应方框内打“√”）：保密□，在年解密后适用本授权书不保密□作者签名：日期：2010年7月8日导师签名：日期：2010年7月8日-73- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文致谢时间荏苒，两年的研究生学习即将结束。在本论文完成之际，首先对我的导师谢礼立院士表示由衷的感谢和最诚挚的敬意。先生严谨的治学态度，渊博的知识，敏锐的科学洞察力深深的影响着我。不仅如此，先生教会我做人的道理和做学问的态度，使我一生受益。特别感谢我的副导师翟长海副教授两年来对我学习和生活上的关心和帮助。在本课题完成过程中，翟老师对我的指导细致入微，在宏观方向和细节问题方面给予反复指点，本论文的完成包含着翟老师大量的心血和精力。再次对翟老师表示深深的感谢。特别感谢李爽博士，本论文的完成过程中，为我提供了大量的资料文献和指导建议，并对我在研究过程遇到的问题，悉心的解答，耐心的指导，使得在两年内能够完成本论文。特别感谢同教研室的王洪涛博士、刘洪波博士、卢书楠博士、李宁博士、武刚博士、王晓敏博士，师兄师姐们对我学习上和生活悉心指导和照顾，使我感到我们这个团队像大家庭般的温暖，使我度过了快乐充实的一年。感谢常志旺硕士、孙扬硕士、左占宣硕士、林世镔硕士，两年来给我带来的欢乐，学习上的相互探讨交流，都带给我难忘的记忆。感谢同宿舍的段景玉硕士、侯文景硕士、胡志敏硕士，两年来对我的照顾和结下的姐妹情谊，我们一生铭记这一起面对的日子。感谢我的父母以及所有亲人，在十九年的求学生涯中，坚定不移的对我的支持、帮助、鼓励，使我顺利完成学业。感谢哈尔滨工业大学对我的培养，给我创造了良好的学习环境，也给了我提供了很好的锻炼机会。最后，感谢关心关注我的同学、朋友们，在此一并向你们表示感谢！蒋姗2010年6月于哈尔滨工业大学-74-'