新论文：考虑“场地-城市效应”的区域建筑震害数值模拟方法
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,
https://doi.org/10.1002/eqe.3108
说明：“SCI效应”即“Site-City Interaction效应”，也就是“场地-城市效应”
一、研究背景
近几年我们课题组开展了不少“城市抗震弹塑性分析”的研究，可以得到一些典型城市区域建筑物在地震下的运动规律（图1）。
图1 城市抗震弹塑性分析得到城市区域建筑地震响应
可是，当我们向非专业人事介绍我们的研究工作时，常常收到的反馈是：“你们不是研究地震的么？为什么只看到房子在晃，没有看到地在动啊？”
当然，我们可以答复，根据D'Alembert's principle，在一个惯性系里面，可以把动力作用等效成一个惯性力施加在研究对象上，于是……，但是我们收到的反馈往往是
事实上，我们在辩解的时候，存在着一个重要的原则问题：我们目前地震计算，都是把“自由”场地上得到的地震动，直接施加到建筑物上去做计算的。这个过程中，完全忽视了地上建筑物对地面运动的影响。而我们都知道，在风工程中，城市密集建筑物会对风速剖面产生显著影响（图2）。而在地震工程中，这个影响是完全忽略的，无论是对于存在密集建筑物的城市，还是对于空旷的山野，我们都是用“自由场”地震输入来进行抗震计算。作为一个既讲风工程也讲地震工程的教师(qiang po zheng)来说，我每次上课讲到这里都觉得特别地不(fan)顺(bing)。
图2 城市密集建筑群会对风场造成显著影响，那对地震是否会有影响呢？
事实上，这个问题也不是我们第一个发现的。之前已有很多研究者指出，地面以上密集的城市建筑会对地震动产生显著影响，即存在“场地-城市效应”（Site-City Interaction，简称SCI）。
图3 地面以上密集的城市建筑会对地震动产生显著影响
例如，Guidotti et al (2015) 的研究表明，复杂“场地-城市效应”会导致地震动输入相差1/3以上。所以，不搞清楚“场地-城市效应”的影响，我们很多城市地震模拟输入的地震动可能就会存在很大误差，计算结果的准确度也就值得怀疑（“Garbage in, garbage out”）。
“Garbage in, garbage out”
虽然从道理上说“城市-场地效应”非常重要，但实际研究的难度很大：“场地-城市效应”不但需要模拟地下若干平方公里范围内土体的非线性响应，还要模拟地上几百栋建筑的非线性响应，更要考虑场地-城市之间的相互作用。因此，现有的研究要么把地上的建筑或地下土体简化成一些线性质量块，要么不考虑地上建筑对地下土体振动的影响，同时考虑地上、地下非线性行为和耦合效应的模拟还没有见到。
二、研究方法
因此，本文通过与香港科技大学王刚教授、黄杜若博士等合作，基于我们课题组开发的城市建筑群非线性MDOF模型和Mazzieri 等开发的地下波动分析开源程序SPEED，编制了“场地-城市效应”模拟程序，程序的执行思路如图4所示。
图4 场地-城市效应计算程序流程
首先从基岩输入地震动，进行场地波动模拟，将场地波动模拟得到的地面加速度输入地上建筑，得到地上建筑的地震响应。再把计算得到的建筑基地反力输入地下土体，得到建筑对地震动传播的影响。重复上述过程，直到完成一次地震运动。
三、案例分析
那“场地-城市效应”到底会给地面建筑的地震破坏带来哪些影响呢？我们以清华校园遭受1679年三河-平谷8级地震场景为例开展研究。我们建立了清华校园619栋建筑，以及清华校园周围3km x 3km x 350m范围内的土体模型（图5），然后输入三河-平谷8级地震的模拟基岩地震动输入。
图5 清华校园计算案例
计算得到的清华校园建筑地震响应如图6所示。
图6 场地-城市效应下建筑地震响应
我们将考虑“场地-城市效应”和不考虑“场地-城市效应”的计算结果进行对比，如图7所示。大概71.73%的建筑物顶点位移降低了0-25%，20.03%的建筑物顶点位移增加了0-25%。也就是说，对于大概90%的建筑物，地震响应变化不超过1/4。由于清华校园建筑物的高度和密度相对不是很大，所以这个结果是符合预期的。
图7 顶点位移变化量对比
但是，有大概3%的建筑物，顶点位移增大了25%以上，部分建筑甚至超过50%。分析表明，这些建筑物都是非设防砌体建筑，在地震下已经进入了严重的非线性阶段。因此少量的地面运动加速度变化就可能会导致非常严重的后果。以其中一栋典型非设防砌体结构为例，其底层层间力-变形关系、是否考虑“场地-城市效应”的地面运动输入反应谱以及底层的层间位移角响应如图8所示。由于考虑城市-场地效应后，部分频段上地震动输入的反应谱值略有增大，而这个增大的地震动输入会导致砌体结构进入下降段，进而使得最大层间位移角增大了100%以上。
图8 典型破坏非设防砌体结构响应分析
T1、T2分别是不考虑和考虑SCI效应的结果
四、结论
本文建议了一个可以考虑地下波动行为和地上建筑物非线性响应耦合分析的方法，从而可以更好考虑复杂城市建筑群中“城市-场地效应”的影响。案例分析结果表明，“城市-场地效应”会改变建筑物的地震输入，进而影响最终震害分析的结果。
五、展望
以上案例研究只分析了建筑高度和密度都不算大的清华校园园区，已经表明SCI效应会带来一定影响。但是如果是更加密集的高层建筑区，其结果会是怎样呢？欢迎大家一起讨论。
这么多的密集高层建筑物，我们还能用“自由场地”地震动输入么？
田源
相关研究
相关文章，在仿真秀官网搜索：
场地-城市耦合弹塑性分析+神威太湖之光+无人机 | 三项黑科技助力新北川县城震害预测
全部开源！美国国家科学基金多灾害模拟中心SimCenter发布四款新软件
美国NSF SimCenter+清华城市弹塑性分析=旧金山184万建筑地震模拟
新论文：受折纸启发的可更换承载-耗能双功能耗能器
新综述论文：21世纪建筑结构连续倒塌和鲁棒性的研究和实践
新论文：中柱失效后板柱结构连续倒塌传力机理研究
新论文：一根钢筋混凝土梁，承载力你能算对么？| 梁的压拱效应计算方法
新论文：无人机+机器学习+城市弹塑性分析=震后近实时损失预测
新论文：这个混凝土框架能抗震，能防连续倒塌，还功能可恢复，您不进来看看么？
新论文：一个好汉三个帮|带端部阻尼器伸臂桁架的抗震性能试验研究
新论文：BIM+新一代性能化设计=喷淋系统破坏后的地震次生火灾模拟
新论文：村镇建筑群火灾蔓延模拟与案例
新论文：建设地震韧性城市所面临的挑战
新论文：烈焰焚城 | 地震次生火灾的精细化和高真实感模拟
新论文：城市韧性——基于“三度空间下系统的系统”的思考
新论文：防屈曲支撑伸臂桁架？几个“狗骨头”可少不了！
新论文：城市抗震弹塑性分析中如何确定高层建筑的损伤程度？
新论文：考虑楼板影响的钢筋混凝土框架边柱连续倒塌试验
新论文：提高地震荷载分项系数，抗震安全性提高了多少？
新论文：采用减振子结构来控制超高层建筑的地震楼面加速度
新论文：500m级超高层建筑简化模型及其在结构体系对比中的应用
美国国家科学基金地震工程领域近期项目规划
建筑抗震弹塑性分析的发展及程序开发 | 2012年第一届复杂建筑结构弹塑性分析技术研讨会报告
606m 超高层建筑OpenSees模型
