《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Seismic pounding between adjacent base-isolated buildings considering soil-structure interaction and structural system
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本研究评估了两种相邻20层软土地基结构体系的抗震性能与碰撞风险：传统钢框架（MF）与增设钢板剪力墙的复合体系（MF+SPSW）。通过考虑土壤-结构相互作用（SSI）及柔性（FBI）与刚性（SBI）隔震器的影响，非线性时程分析表明，MF+SPSW因侧向刚度显著提高，顶层加速度和高层模态效应更优；FBI隔震器有效抑制绝对位移差，但700mm间隙在多数地震情景下仍不足以防止碰撞，尤其是SBI系统与SSI共同作用时风险加剧。
Mehdi Ebadi-Jamkhaneh
伊朗达姆甘大学工程学院土木工程系，邮政信箱36716-45667，达姆甘
摘要
本研究评估了两种相邻的20层建筑在软土基础上的抗震性能和碰撞风险：一种是传统的钢框架结构（MF），另一种是结合了钢板剪力墙的双重系统（MF + SPSW）。这些建筑之间相隔700毫米。通过使用八份不同的地震记录进行非线性动态时程分析，以评估结构行为，并考虑了土-结构相互作用（SSI）的关键影响以及两种类型隔震器（柔性隔震器（FBI）和刚性隔震器（SBI）的适用效果。结果表明，由于MF + SPSW系统的侧向刚度显著更高，其响应更为有利，能够降低顶层的加速度并抑制高阶模式的影响。此外，隔震器的应用显著改变了结构的动态响应；FBI系统在控制两栋建筑之间的绝对位移和相对位移方面表现更优。相对位移的分析显示，在多种地震情况下，700毫米的间隙不足以防止碰撞，尤其是在SSI效应与SBI系统共同作用时，这种情况最为严重。相反，FBI系统通过大幅减少侧向位移有效降低了碰撞风险。当两栋MF + SPSW系统相邻时，由于它们的动态响应同步且侧向位移均匀减小，碰撞风险较低。相反，当两栋MF结构或MF与MF + SPSW的组合结构相邻时，碰撞风险会显著增加，因为它们之间的刚度差异会导致不同步的振动和较大的相对位移。
引言
隔震（BI）是一种众所周知的抗震保护方法，旨在大幅提高建筑物在地震中的性能。其有效性源于两种主要机制：延长周期和增加阻尼，这两种机制共同减少了传递给上部结构的地震荷载和加速度[1,2]。该技术特别有助于减少基础剪切力，并促进结构呈现接近刚体行为的变形[3]。虽然最初主要用于地基坚实的低层建筑，但其应用范围正在不断扩大，包括中层建筑和建在可变形土壤上的建筑。基于Farghaly和Kontoni[4,5]的研究，高层建筑中的抗震风险缓解是一个关键研究领域，特别是在考虑土-结构相互作用的情况下。他们在2019年的研究中比较了隔震和调谐质量阻尼器（TMD）在不同土壤类型上的效果，发现这两种系统的混合使用最为有效。在2022年的研究中，他们重点关注了液化易发土壤上相邻双子高层建筑之间的地震碰撞风险，并发现连接两栋建筑的碰撞调谐质量阻尼器（PTMD）方法在降低碰撞风险方面比隔震或传统TMD更有效。
进一步的研究强调了SSI的重要性以及创新控制和改造系统的发展。Gholizadeh等人（2023年）表明，在考虑SSI的情况下优化钢制抗弯框架可以使得结构更重但更安全，尽管地震安全性略有下降。Saadatfar等人[6]通过设计自适应滑动扇区控制器（ASSC）来改进主动调谐质量阻尼器（ATMD），有效管理结构不确定性和SSI效应，性能优于传统的PID和LQR控制器。Adane等人[7]提出了一种实用的抗震改造方案，使用易于组装的钢框架，实验和理论证明该方案能够提高现有框架结构的抗震性能，即使在SSI对软土产生负面影响的情况下也是如此。
然而，隔震技术的有效性会受到土-结构相互作用（SSI）的显著影响，尤其是在软土基础上[2,8]。研究表明，基础土壤的变形会减弱隔震的效果，在某些参数条件下，隔震甚至可能变得有害[2]。SSI对系统模态特性的影响尤为明显，特别是对于低矮和刚性隔震结构[9]。此外，较软的土壤条件会降低隔震效果，尤其是在近场地震中，尽管隔震器的位移仍然有效[10]。振动台试验还表明，SSI效应会显著削弱隔震性能并增加基础的旋转响应，这种影响会因隔震层而加剧[11]。
鉴于SSI可能导致的隔震效果降低，准确评估SSI与结构之间的相互作用对于合理的结构设计至关重要。先进的数值模拟可以提供详细的分析，但通常耗时较长[1,2]。因此，需要更快速的方法，例如提出的三维（3D）自由度系统用于初步评估。针对墨西哥城等地的软土研究显示，当土壤的固有周期超过上部结构的固定基础周期时，隔震仍能有效控制有害的SSI效应[3]。在非常坚硬的土壤上，SSI对地震响应的影响很小（小于5%），但在较软的土壤上，SSI可能会意外地提高隔震系统的有效性，从而导致较低的响应[12]。这些发现强调了在设计过程中考虑SSI的重要性，特别是对于建在软土上的隔震结构，以选择合适的隔震器[8]。
当隔震建筑靠近邻近建筑或挡土墙时，还会出现另一个复杂问题，即地震碰撞风险。Mahmoud和Gutub[13]专门研究了隔震建筑在受到相邻挡土墙碰撞作用下的地震响应，并考虑了土壤的变形性。利用非线性冲击模型和离散元土壤模型，他们的研究结果表明，碰撞和土壤变形性的综合效应显著增加了隔震建筑的动态响应。在此基础上，Ghandil和Aldaikh[14]研究了相邻对称建筑之间的地震碰撞，明确考虑了非弹性结构-土壤-结构相互作用（SSSI）。他们的有限元（FE）模型考虑了非弹性结构行为和非线性土壤特性，发现碰撞会导致楼层剪力显著增加和结构损坏。重要的是，他们确定国际建筑规范[15]规定的最小间距不足以防止严重的碰撞效应，建议至少使用三倍于该间距的间隙。
尽管隔震技术有许多优点，但在软土基础上或近震激励下，其主要挑战之一是隔震器可能产生过大的位移。为了解决这个问题，最近的研究引入了创新的辅助控制装置。例如，基于惯性器的系统（如夹紧惯性器）已被证明可以通过利用质量放大效应有效限制隔震结构的地震响应。这些装置可以在保持最佳楼层加速度的同时显著减少隔震器位移[16]。同样，受生物启发的辅助装置（BIDs）作为一种韧性解决方案出现，利用非线性力-变形特性提供额外的刚度和阻尼。这类系统在控制隔震层需求方面表现出强大的适应性，即使在具有挑战性的近震运动条件下也是如此（Jangid 2024）。结合这些先进的阻尼机制代表着向更具韧性的隔震结构发展的战略转变，为缓解高层建筑在可变形土壤上的位移问题提供了潜在途径。
本研究重点关注建在软粘土基础上并配备了隔震系统的高层（20层）建筑的抗震性能这一关键而复杂的问题。分析中使用了两种结构系统：钢框架结构（MF）和结合了钢板剪力墙的钢框架结构（MF + SPSW）。虽然隔震技术已广泛应用于低层至中层建筑，但在软土上的高层建筑中的应用带来了独特挑战，因为柔性基础会显著改变结构与隔震层之间的相互作用（SSI）。本研究的创新之处在于它关注了隔震和SSI在各种地震情景下对20层建筑的相互影响，直接解决了关于高层建筑在复杂软土场地上的最佳设计和隔震效果的知识空白。
方法论
本研究对两栋相邻的20层高层建筑的动态地震响应进行了建模和调查，每种建筑代表一种不同的抗侧向荷载系统。第一栋建筑使用传统的钢抗弯框架，第二栋建筑采用了结合了钢板剪力墙的双重系统（MF + SPSW）。这两栋高度均为66米的建筑有意相隔700毫米的地震间隙，以专门评估接近效应和在不同地震地面运动下的碰撞潜力。
有限元建模方法
本研究在ABAQUS软件中进行了比较数值分析，以评估两种20层钢结构建筑的抗震性能：一种是传统的钢抗弯框架（MF），另一种是结合了钢板剪力墙的双重系统（MF + SPSW）。研究方法系统地涵盖了动态特性（第3.1节）、地震特征（第3.2节）、结构、基础和土壤的建模（第3.3节）以及材料本构模型（第3.4节）。
数值模型的验证
验证过程中使用了两个模型。第一步，利用Lubell等人2000年进行的实验室试验来验证SPSW的正确建模和行为[24]。第二步，使用了Fatahi等人2014年进行的实验室试验。在Lubell的试验中，SPSW2试验模型是一个单层、按25%比例缩放的SPSW模型，柱间距为900毫米，填充板的纵横比为1:1。
结构的峰值响应
图7和图8展示了在没有SSI的情况下，两种结构（MF和MF + SPSW）在八份地震记录下的基础剪力、基础层加速度、顶层加速度和最大内部力。图9和图10展示了在软土条件下两种结构的最大响应值变化，这些值相对于非隔震（固定基础）条件进行了归一化（即取值为1）。
结论
本研究全面评估了MF结构和MF + SPSW系统的抗震性能，考虑了SSI的关键影响以及柔性（FBI）和刚性（SBI）隔震器的应用效果。分析明确表明，添加SPSW显著改变了结构的动态特性和地震响应。MF + SPSW系统的固定基础周期缩短了21.8%（1.56秒对比1.97秒），这是由于其侧向刚度显著提高所致。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
