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新论文 | 复杂地形下场地-城市效应的振动台试验和数值模拟

地震那些事

1年前浏览974

DOI：https://doi.org/10.1080/13632469.2022.2074921

什么是“场地-城市效应”

场地-城市效应 (Site-City Interaction effect, 简称SCI effect) 主要指城市建筑群与所在场地在地震作用下产生的相互作用，可以不严谨地理解为土体-结构相互作用 (SSI) 的超大版。

场地-城市效应不只包含了土体-结构相互作用，还要考虑建筑之间通过土体的相互作用 (SSSI)，还有地形效应 (SE) 等因素。

地震下晃动的高层建筑会在周围土体中引起辐射范围数百米的应力波

地震下山体的晃动和变形会显著影响局部的地面运动

为什么要“场地-城市效应”

先说说传统的方法如何进行城市尺度的震害分析，概括起来分为两大类：

(1) 数据驱动方法

易损性方法是其中的杰出代表。这类方法基于历史震害数据，显然已经充分考虑了周遭环境的影响。但是，这类方法是基于过往经验的推测，一旦环境和结构发生较大变化，或震害资料不足，这类方法的可靠性将受到挑战。

几十年间发生巨变的上海

(2) 物理驱动方法

这类方法一般采用模拟或监测的地面运动，对建筑物理模型开展时程分析，更适应现代社会的需求。但其所采用的地面运动一般是不考虑建筑影响的。

然而，在现代化的城市里，放眼望去，高楼林立，根据牛顿第三定律，作用力等于反作用力。既然地面晃动的力量如此强大，可以引起这些数百米的高层建筑剧烈晃动。那这些巨大的建筑也一定会返回给地面一个同样强大的动力作用。因此，地震一旦发生，大规模的建筑群会显著改变地震波在场地中的传播。也就是说，传统的方法所采用的地震动输入还是存在一定的问题。

“场地-城市效应”的显著影响，无论是在历史地震事件（1985墨西哥城地震等），还是在相关研究中，都已得到了确认。感兴趣的读者可以查阅相关文献，这里不再赘述。

高楼林立的现代化城市，要说这些密集建筑群对地震动传播没影响...

模拟方法与振动台试验

课题组于2018年与香港科技大学王刚教授团队合作，合作提出了“场地-城市效应”的耦合数值模拟方法。详见：发了那么多SCI，有兴趣了解一下“SCI效应”么？| 新论文：考虑“场地-城市效应”的区域建筑震害数值模拟方法。

并且进行了代码的开源，详见：开源 |“场地-城市效应”模拟程序＆建筑抗震韧性评价程序。

尽管如此，想要验证城市尺度的模拟方法并非易事。不过还是有学者想出了科研小妙招 (Schwan et al, 2016. https://doi.org/10.1093/gji/ggw049; Aldaikh et al, 2016, https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2016.08.012)。他们用聚氨酯泡沫（可以简单的理解为海绵）模拟场地，铝片加配重模拟建筑，采用ADXL-335传感器测量加速度(又轻又便宜，亲测有用)，开展了相关的振动台试验。但是在他们的研究中，试验的还只是平整场地，并未充分考虑地形的影响。

而我们想看看带上地形的振动台试验会变成什么样子。于是，分别考虑不同地形、不同建筑分布、不同建筑周期，设计了7组振动台试验，并在中国地震局工程力学研究所的振动台开展了试验，试验大概长这样：

详细的试验现象、参数与案例分析在这里就不过多赘述了，感兴趣的读者可以阅读原文。

我们这里只放上一组耦合数值模拟方法的验证情况，效果还不错。大量建筑的存在显著影响了地面运动加速度时程，且计算程序可以较好地模拟试验结果。

小结

由于问题涉及的尺度很大，所以振动台试验过小的缩尺比例难免为人所诟病，不过我们觉得它还是能为相关研究提供一些参考和数据支撑。我们也欢迎有兴趣的读者与我们进行进一步的交流和探讨。

福利

传感器接线方案

ADXL-335传感器便宜实惠，但是数据采集和接线就得自己动手咯~

致谢

感谢中国地震局工程力学研究所林旭川研究员、李海洋老师及各位实验室的工作人员在振动台试验期间提供的至关重要的支持与帮助。感谢北京东方振动和噪声技术研究所王超、姚俊全在数据采集方面提供的大力支持，为试验的顺利完成提供了重要保障。感谢各位研究生同学在试验准备与开展期间提供的帮助。

课题组在“场地-城市效应”方面的相关论文：

[1] Lu XZ, Tian Y, Wang G, Huang DR. A numerical coupling scheme for nonlinear time history analysis of buildings on a regional scale considering site-city interaction effects. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 2018, 47(13): 2708-2725. DOI: 10.1002/eqe.3108.

[2] Tian Y, Sun CJ, Lu XZ, Huang YL. Quantitative analysis of site-city interaction effects on regional seismic damage of buildings. Journal of Earthquake Engineering, 2020. DOI: 10.1080/13632469.2020.1828199.

[3] Tian Y, Lu XZ, Huang DR, Wang T. Site-city interaction effects under complex terrains: shaking table tests and numerical simulation. Journal of Earthquake Engineering, 2022. DOI: 10.1080/13632469.2022.2074921.

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