（岩土工程专业论文）支盘桩土框架结构体系动力相互作用的振动台试验研究.pdf

支盘桩一土一框架结构体系动力相互作用的振动台试验研究 摘要 本文设计并实现了挤扩支盘桩一土一框架结构动力相互作用体系的振动台模 型试验( 支盘桩试验) 。试验中考虑并解决了模型相似设计和土体边界条件模拟 这两个公认的难题，采用三层分层土作为地基土、基础形式采用挤扩支盘桩、 以1 2 层钢筋混凝土框架结构模拟上部结构。在同济大学土木工程防灾国家重点 实验室完成了缩尺比例为1 ：1 0 的支盘桩一土一框架结构体系动力相互作用的振 动台模型试验。再现了桩基及框架结构的震害现象。为了揭示地震作用下液化 场地结构一地基动力相互作用的规律，同期进行了液化场地直杆桩一土一框架结构 相互作用体系的振动台模型试验( 直杆桩试验) 。 通过对动力相互作用体系的试验现象、基频、阻尼比、振型、位移反应和 上部结构顶层加速度反应进行计算和分析，研究了相互作用体系的地震动反应、 支盘桩对结构体系的阻抗作用、地基液化对结构震害的影响和单、双跨框架结 构抗震性能的差异。得出了一些主要结论： 支盘桩试验方面，上部结构在y 方向( 单跨) 的摆动幅度明显大于x 方向 ( 双跨) ：在整个试验过程中，桩基承台面基本保持水平，结构基本没有沉降和 倾斜；平行于x 方向框架上的裂缝要明显多于平行于y 方向上；支盘桩的裂缝 集中在第一个支盘以上部分，而且平行于x 方向桩身裂缝比平行于y 方向上多。 随着输入加速度峰值的增加，体系的频率逐渐降低、阻尼比逐渐增大，且x 方 向上框架结构顶层测点的阻尼比明显大于y 方向上；由最大位移反应曲线可得， 该体系上部结构位移较小，且随着振次的增加，上部结构的最大位移反应增大。 上部结构顶层加速度主要由上部结构变形加速度分量组成；随着输入加速度峰 值的增大，各加速度分量的频谱组成向低频移动，其中以上部结构变形加速度 分量最为明显。 直杆桩试验方面，由于受到地基液化的影响，在整个试验过程中，桩基承 台发生了明显的沉降；上部框架结构没有发现明显的裂缝；直杆桩裂缝在上覆 粘土层与下伏粉土层分界处开展最为严重。随着输入地震波加速度峰值的增大， 各加速度分量中摆动加速度和平动加速度向低频移动最为明显；结构摆动幅度 有所加强，这与实际地震中砂土液化导致大部分建( 构) 筑物倾倒的现象一致。 试验结果表明，相互作用对结构的动力特性和地震反应均有较大的影响， 支盘桩具有较好的抗压、抗拔、抗扭曲作用，双跨框架结构的抗震性能明显好 于单跨，地基液化对结构震害产生了较大的影响。 关键词：桩一土一结构；挤扩支盘桩；动力相互作用；振动台试验；抗震性能； 频谱组成；液化场地 s t u d yo nt h ed y n a m i c i n t e r a c t i o no fb r a n c hp i l e - - s o i l - f r a m e s t r u c t u r es y s t e mb ys h a k i n gt a b l et e s t a b s t r a c t s h a k i n g t a b l em o d e lt e s to fd y n a m i c i n t e r a c t i o no fs q u e e z e d b r a n c h p i l e s o i l f r a m es t r u c t u r es y s t e m ( s q u e e z e db r a n c hp i l et e s t ) w a s d e s i g n e da n d c a r r i e do u ti nt h i sd i s s e r t a t i o n ，c o n s i d e r i n ga n ds o l v i n gt w ow e l l - k n o w np u z z l e s ： m o d e is i m i l i t u d ed e s i g na n ds o i lb o u n d a r ys i m u l a t i o n t h et e s ta d o p t e dt h r e e l a y e r s o i la sf o u n d a t i o ns o i l ，s q u e e z e db r a n c hp i l e s a sf o u n d a t i o n ，a n d12 - s t o r e y r e i n f o r c e dc o n c r e t ef r a m ea ss u p e r s t r u c t u r e s h a k i n gt a b l em o d e lt e s to fd y n a m i c i n t e r a c t i o no fs q u e e z e db r a n c hp i l e - s o i l f r a m es t r u c t u r es y s t e mh a v eb e e nd o n ei n s t a t ek e vl a b o r a t o r y f o rd i s a s t e rp r e v e n t i o ni nc i v i le n g i n e e r i n g ，t o n g j i u n i v e r s i t y t h es c a l i n gf a c t i o no fm o d e li s 1 ：10 t h ee a r t h q u a k ed a m a g et op i l e f o u n d a t i o na n df l a m es t r u c t u r ew a sr e p r o d u c e d i no r d e rt or e v e a lt h el a w sa b o u t t h ed y n a m i ci n t e r a c t i o no fs o i l s t r u c t u r ei nl i q u e f i a b l es o i l su n d e re a r t h q u a k e ，t h e s h a k i n gt a b l em o d e lt e s to fs t r a i g h tp i l e - s o i l f r a m e s t r u c t u r ei n t e r a c t i o ns y s t e mi n l i q u e f i a b l es o i l s ( s t r a i g h tp i l et e s t ) w a sc a r r i e do u ts u b s e q u e n t l y t h r o u g hc a l c u l a t i n ga n da n a l y z i n gt h et e s tp h e n o m e n o n ，n a t u r a lf r e q u e n c y , d a m p i n gr a t i o ，m o d es h a p e ，d i s p l a c e m e n tr e s p o n s e ，a c c e l e r a t i o nr e s p o n s e a tt n et o p o fs u p e r s t r u c t u r eo ft h ed y n a m i ci n t e r a c t i o ns y s t e m ，t h es e i s m i cr e s p o n s eo ft h e i n t e r a c t i o ns y s t e m ，t h er e s i s t a n tc a p a b i l i t yo fs q u e e z e db r a n c hp i l e ，t h ee f f e c t so f s o i ll i q u e f a c t i o no nt h ee a r t h q u a k ed a m a g eo fs t r u c t u r e a n dt h ed i f f e r e n c eo f a n t i s e i s m i cp e r f o r m a n c eb e t w e e ns i n g l e s p a n a n dd o u b l e - s p a nf l a m es t r u c t u r e w e r es t u d i e d s o m eo ft h em a i nc o n c l u s i o n sw e r ed r a w e d ： i nt e r m so fs q u e e z e db r a n c hp i l et e s t ，t h es w i n gr a n g eo fs u p e r s t r u c t u r ei ny d i r e c t i o n ( s i n g l e s p a n ) w a s o b v i o u s l yl a r g e r t h a nxd i r e c t i o n ( d o u b l e - s p a n ) ； t h r o u g h o u tt h et r i a lp r o c e s s ，t h ep i l ec a pr e m a i n e dl e v e l ，t h e r ew a s n os u b s i d e n c e a n ds l o p ea b o u ts t r u c t u r e ；t h ec r a c k so ff l a m ep a r a l l e l i n gt o xd i r e c t i o nw e r e s i g n i f i c a n t l ym o r et h a nt h ey d i r e c t i o n ；t h ec r a c k so fs q u e e z e db r a n c hp i l ef a s t e n e d o nt h ep i l ea b o v et h ef i r s tb r a n c h ，m o r e o v e r , t h ec r a c k so fp i l ep a r a l l e l i n gt o x d i r e c t i o nw e r em o r et h a nt h eyd i r e c t i o n w i t ht h ei n c r e a s eo fa c c e l e r a t i o n ，t h e f r e q u e n c yo fs y s t e mr e d u c e d ，w h e r e a st h ed a m p i n gr a t i or i s e dg r a d u a l l y ，w h i c hi nx d i r e c t i o na tt h et o po ff l a m ew a sl a r g e rt h a nyd i r e c t i o n ；b a s eo nt h ed i s p l a c e m e n t r e s p o n s ec u r v e ，w ef o u n dt h a tt h ed i s p l a c e m e n to fs u p e r s t r u c t u r ew a s s m a l l ，w h i c h b e c a m el a r g ew i t ht h ei n c r e a s eo fa c c e l e r a t i o n t h ea c c e l e r a t i o na t t h et o po f s u p e r s t r u c t u r ew a sm o s t l yc o m p o s e do ft h ed e f o r m a t i o nc o m p o n e n t ；w i t ht h e i n c r e a s eo fa c c e l e r a t i o n ，e a c hs p e c t r a lc o m p o n e n tm o v e dt ol o w - f r e q u e n c y , o f w h i c ht h ed e f o r m a t i o nc o m p o n e n tw a sm o s to b v i o u s i nt e r m so fs t r a i g h tp i l et e s t ，b yt h ee f f e c to fs o i ll i q u e f a c t i o n ，t h r o u g h o u tt h e t r i a lp r o c e s s ，t h ep i l e c a ps u b s i d e do b v i o u s l y ；t h ec r a c k so ff r a m e s t r u c t u r e a p p e a r e dt ob ef e wa n df i n e ；t h ec r a c k so fs t r a i g h tp i l ep r o p a g a t e ds e v e r e l ya tt h e b o u n d a r yb e t w e e nt h eo v e r l y i n gc l a yl a y e ra n dt h eu n d e r l y i n gs i l tl a y e r w i t ht h e i n c r e a s eo fa c c e l e r a t i o n ，t h e s w i n g a n dt r a n s l a t i o na c c e l e r a t i o nm o v e dt o l o w - f r e q u e n c ym o s tn o t a b l ya m o n ge v e r ya c c e l e r a t i o nc o m p o n e n t ：s t r u c t u r e s w i n g w a ss t r e n g t h e n e d ，t h i si sc o n s i s t e n tw i t ht h ep h e n o m e n o nt h a tl i q u e f a c t i o nl e a d st o m o s to ft h eb u i l d i n gd u m p i n gi nt h ea c t u a le a r t h q u a k e t h et e s tr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ee f f e e t so fi n t e r a c t i o no ns t r u c t u r a l d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n ds e i s m i cr e s p o n s ea r el a r g e ，t h er e s i s t a n tc a p a b i l i t yo f c o m p r e s s i o n ，t e n s i o na n dt o r s i o no fs q u e e z e db r a n c hp i l ei sf i n e ，t h ea n t i - s e i s m i c p e r f o r m a n c eo fd o u b l e s p a nf r a m es t r u c t u r ei ss u p e r i o rt os i n g l e - s p a ns t r u c t u r e ，t h e e f f e c to fs o i ll i q u e f a c t i o no nt h ee a r t h q u a k ed a m a g eo fs t r u c t u r ei si n t e n s e k e yw o r d s ：p i l e - s o i l s t r u c t u r e ；s q u e e z e db r a n c hp i l e ；d y n a m i ci n t e r a c t i o n ；s h a k i n g t a b l et e s t ：a n t i s e i s m i cp e r f o r m a n c e ；s p e c t r a lc o m p o n e n t ：l i q u e f i a b l e s o i l s 图2 一l 图2 - 2 图2 - 3 图2 - 4 图2 - 5 图2 - 6 图2 - 7 图2 - 8 图2 - 9 图2 1 0 图2 一“ 图2 一1 2 图2 1 3 图2 1 4 图3 - 1 图3 - 2 图3 3 图3 - 4 图3 - 5 图3 - 6 图3 - 7 图3 - 8 图3 - 9 图3 - 1 0 图3 - 1l 图3 一1 2 图3 - 1 3 图4 - 1 图4 - 2 图4 - 3 图4 - 4 图4 - 5 图4 - 6 图4 - 7 插图清单 汶川地震中地表开裂、滑坡等地质灾害1 6 汶川地震中地质灾害摧毁房屋和阻断交通：1 6 汶川地震灾区堰塞湖及其分布情况1 6 汶川地震中砌体结构主要震害表现1 7 汶川地震中框架结构主要震害表现1 8 汶川i 地震中桥梁主要震害表现1 9 唐山地震中房屋震害情况2 0 唐山地震中工业厂房震害情况2 0 唐山地震中生命线工程震害情况2 1 日本阪神地震震害情况2 2 日本阪神地震中地基震害情况2 2 日本阪神地震引发的火灾2 3 桩基础震害情况2 4 支盘桩的外形图及现场照片2 5 s 3 、s 5 测点在e l i 工况下的加速度时程曲线2 9 s 3 、s 5 测点在s h i 工况下的加速度时程曲线2 9 试验用土箱示意图3 0 桩基构造及与上部结构连接图3 l 模型的结构布置及配筋图3 3 改装前后的加速度计3 4 土压力计和孔隙水压力计3 4 试验应变计和土压力计测点布置图3 4 试验加速度计测点布置图3 5 试验位移计和孔隙水压力计测点布置图3 5 e lc e n t r o 波加速度时程曲线及傅氏谱3 6 k o b e 波加速度时程曲线及傅氏谱3 7 上海人工波加速度时程曲线及傅氏谱3 7 自由场试验模型4 0 不同工况激励下测点s 3 的加速度时程曲线4 2 不同工况激励下测点s 3 的加速度傅氏谱4 2 工况e l 2 激励下土中不同高度测点的加速度时程曲线4 3 试验模型结构布置图及照片4 4 上部框架结构裂缝开展情况4 5 支盘桩桩身裂缝开展情况4 5 图4 - 8 图4 - 9 图4 一1 0 图4 - 1l 图4 - 1 2 图4 - 1 3 图5 - 1 图5 - 2 图5 - 3 图5 - 4 图5 - 5 图5 6 图5 - 7 模型的振型曲线( x 方向) 4 7 上部结构最大位移反应( x 方向) 4 8 e l 4 工况下测点s l 、s 3 的加速度时程曲线4 8 s h 4 工况下测点s 1 、s 3 的加速度时程曲线4 9 柱顶加速度反应组成分析4 9 不同工况作用下上部结构顶层加速度各分量的时程曲线和傅氏谱5 0 直杆桩试验模型结构布置图5 3 直杆桩试验中地基土发生液化现象5 4 直杆桩桩身开裂情况5 5 直杆桩试验中x 方向上部结构最大位移反应5 6 直杆桩试验中上部结构x 、y 向最大位移反应5 7 直杆桩试验中相互作用体系x 向振型曲线5 7 直杆桩试验中工况s h 2 作用下各加速度分量的时程曲线和傅氏谱5 8 表3 - 1 表3 - 2 表3 - 3 表3 - 4 表3 - 5 表3 - 6 表4 1 表4 - 2 表5 - 1 表5 - 2 表格清单 振动台性能参数2 7 模型主要物理量的相似关系式及相似系数3 0 原型与模型的尺寸对比情况3 2 原型与模型结构参数的对比情况3 2 自由场试验加载制度：3 8 相互作用试验加载制度3 9 模型土体的频率和阻尼比4 1 支盘桩一土一框架结构体系的基频和阻尼比4 6 直杆桩试验中土体中心测点的基频和阻尼比5 5 直杆桩试验中上部结构顶层测点的基频和阻尼比5 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金罡_ 王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：雾i 签字日期：。7 砗辱月2 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金e 曼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金目巴王些太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：趸未 签字日期：2 口。年幸月2 z 日 导师繇钱；嘶 签字日期：2 。p 年月2 2 b 慨! - 邮编： q勺o，76d772j：o f 吲 小仫殿 赢秀 j l -甓坦 aw多 石殇 u 卜 殳讧射稻 毒廷。币执堋嘲刷黜梵 靴锨，幌 利穆臼 文位址论单地 i，f 、t学工通 致谢 本论文是在导师钱德玲教授的悉心指导下完成的，论文的选题直接来源于 钱德玲教授主持的国家自然科学基金项目( n o 4 0 7 7 2 17 1 ，5 0 2 7 8 0 3 0 ) 和安徽省 自然科学基金项目( n o 0 5 0 4 5 0 4 0 2 ) 。 在近三年的研究生学习阶段，钱老师在学习和生活上都给予了我们很大的 帮助：在研一阶段她多次督促我们认真学习专业课；研二进入课题以后，她带 领我们到同济大学做试验，并精心指导我们完成相关的学术论文和学位论文； 在学习之余，经常和我们联欢，并帮助我们解决生活上所遇到的困难。钱老师 渊博的学识、严谨的治学态度、一丝不苟的科研工作精神鼓舞着我，将使我终 生受益匪浅。借此机会，谨向钱老师表示诚挚的敬意和由衷的感谢! 感谢合肥工业大学研究生院及土木与水利工程学院的各位领导和老师，他 们在学习和生活上给我提供了极大的帮助。 感谢王东坡、赵元一、张文彦、刘华、涂芬芬、程嫒嫒、赵洪波、韩松、 李金俸、徐雁飞、李健全、李辉、周伟等师兄弟，感谢其他为本文工作提供帮 助的老师、同学和朋友。 另外，感谢我的父母多年来对我的养育和教导，他们辛勤的劳动和默默的 支持是我前进的动力，他们毕身的心血都凝聚在我身上，看我成才成人，我将 用我的实际行动报答他们。 最后，感谢评阅老师、答辩专家和答辩秘书在百忙之中抽出宝贵的时间对 本论文进行评阅与指导。你们的审核与评定是对我研究生阶段学习的最好检验。 作者：夏京 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 1 1 引言 2 0 0 8 年5 月1 2 日1 4 时2 8 分，四川汶川县发生了8 0 级特大地震，这起 历史罕见的地震灾害所造成的巨大破坏，举国震惊、举世关注。纵观历史，骇 人听闻的唐山地震、日本阪神地震、土耳其地震等，均造成了惨重的损失，使 人类的心灵受到了严重的创伤。经调查表明，历次地震所造成的灾害绝大部分 是由于建筑物倒塌所造成的，因此，对建筑物抗震设计的研究就显得十分迫切 和必要，并且在防震减灾方面具有重大的实际意义。 目前，国内外建筑抗震设计规范瞳1 所采用的方法均基于刚性地基假定，即 把上部结构与地基基础作为两个独立系统分别考虑，而忽略了结构一地基动力相 互作用的影响。这样的假定只有当结构支承于理想刚性地基时才是正确的。在 实际工程中，当结构支承于一般地基上，特别是软土地基上时，则应考虑结构一 地基相互作用的影响。 上世纪五六十年代，国内外进行了大量关于结构一地基动力相互作用的理论 研究和计算分析。进入九十年代以来，美国、日本等国家率先进行了现场振动 台试验和室内振动台模型试验，在一定程度上推动了理论研究的深入发展。但 是由于费用昂贵及技术不成熟等原因，试验研究并没有像理论研究及计算分析 那样广泛深入。然而理论的正确性及其在工程实践中的应用和推广都需要在试 验中得到验证，开展结构一地基相互作用体系的振动台模型试验研究，不仅可以 为理论研究提供必要的参数，而且可以验证计算分析的力学模型和计算方法的 合理性，从而丰富和发展结构一地基动力相互作用理论，推动理论在工程实践中 的应用，因此发展振动台模型试验就显得非常迫切和必要口3 。 1 2 结构一地基动力相互作用 发生地震时，结构和地基作为一个整体发生振动，相互影响、相互制约。 从震源发出的地震波，经过场地土传播输入结构体系使其振动，同时，结构体系 产生的惯性力如同新的震源又反过来作用于地基，引起新的地振动再次作用于 结构体系，这种结构与地基间循环的振动作用称为结构一地基动力相互作用。( 简 称土一结构相互作用，s o i l s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ，缩写成s s i ) h 1 。结构一地基动力 相互作用通常有两层含义，一是地基基础对上部结构体系振动特性的影响；二 是上部结构对底部输入地震波的反馈作用，即上部结构对地基基础的影响。 1 2 1 结构一地基动力相互作用的规律 研究表明，地震作用下结构一地基动力相互作用的规律( 与刚性地基上的结 构相比) 一般可归纳为：结构动力特性改变一自振周期延长，阻尼比改变( 一 般为增加) ，振型改变；结构地震反应改变一内力和弹性位移反应改变：地基运 动特性改变一接近结构自振频率的分量加强，加速度幅值减少。 1 结构动力特性的改变 ( 1 ) 自振周期的延长。严士超吲根据由弹性半空间理论导出的影响系数法， 针对影响相互作用效应的关键系数( 相对高度h r ，相对埋深d r ) 进行了大量 的计算分析，结果表明建筑物相对高度h r 越大，上部结构相对地基的刚度越 大，结构一地基相互作用导致体系固有周期延长的效果愈明显。w o l f n l 推导了结 构一地基相互作用使结构体系周期延长的理论公式。 ( 2 ) 阻尼比的改变。地震作用下，柔性地基上结构振动能量的损耗包括上 部结构和地基土两部分。严士超等阳1 基于能量比准则推导出结构一地基相互作用 体系阻尼比的计算公式，即结构一地基相互作用体系阻尼由上部结构阻尼和地基 土阻尼两部分组成。研究结果表明，考虑结构一地基相互作用时，结构阻尼有所 减少，但地基土的阻尼补偿了结构阻尼的减少，使结构一地基相互作用体系的阻 尼较刚性地基上结构的阻尼有所增大。 ( 3 ) 振型的改变。f q c a i 等凹1 将考虑相互作用时结构的振型曲线与刚性 地基上结构的振型曲线相比较，发现彼此振型曲线的形状差异不大，但考虑相 互作用时结构各振型曲线的拐点位置均较不考虑相互作用时有所降低，有的振 型曲线的最下部出现了转角，振型曲线形状受地基刚度、基础埋深和土层性质 等因数影响。 2 结构地震反应的改变 由于结构一地基相互作用的影响，结构基础处加速度最大峰值较其邻近自由 场地面加速度峰值有所减小，所以在地震波作用下考虑相互作用时上部结构的 弯矩和剪力通常比不考虑相互作用时小。考虑结构一地基相互作用时上部结构位 移通常比刚性地基时大，这是因为相互作用体系中上部结构位移由基础平移、 转动和上部结构本身变形三部分组成。 3 地基运动特性改变 由于结构一地基相互作用，上部结构的振动反馈于地基，改变了地基运动的 频谱组成，使接近结构自振频率的分量获得加强。而且，受结构地基相互作用 的影响，地基土的加速度幅值也比邻近自由场地面加速度幅值小。 1 2 2 结构一地基动力相互作用的研究历程 结构一地基动力相互作用问题在近十几年得到了广泛的关注。一个世纪以 来，众多学者对其进行了深入的研究，并取得了一系列的研究成果。有关结构一 地基相互作用的研究大致可以分为以下四个阶段n 叫： 第一阶段是理论研究萌芽阶段( 二十世纪初叶) 。最早进行的结构一地基相 互作用问题研究可以追溯到1 9 0 4 年l a m b 对弹性地基振动问题的分析，l a m b 研 2 究了在动荷载作用下弹性半平面与半空间的波动问题。到1 9 3 6 年，r e is s n e r 通过对l a m b 解进行积分，研究了在竖向荷载作用下刚性圆形基础板的振动问 题，为结构一地基相互作用问题的后期研究奠定了基础n 。 第二阶段是理论研究初级阶段( 上世纪五、六十年代) 。在萌芽阶段研究的 基础上，许多学者对各种类型的刚性基础板在不同方向上的振动问题进行了更 加深入的研究，代表性人物有b y c r o f t 、p a r m e l e e 3 租l y s m e r n 2 3 等。其中l y s m e r 提出了集总参数法，此法在工程中应用非常方便，使理论研究与工程实践紧密 地结合起来。后来w o l f t l 3 等又将这一方法应用到层状地基上，进一步推动了理 论在工程实践中的应用。这一阶段初步揭示了结构一地基动力相互作用的一些基 本规律。 第三阶段是理论研究发展阶段( 上世纪七、八十年代) 。由于计算机技术的 发展，有限元、无限元、边界元等数值计算方法进入结构一地基相互作用研究中， 使得结构一地基动力相互作用问题在理论研究和计算分析方面取得了快速发展。 随着一些高层建筑、地下结构、核电站、大型桥涵、水库大坝和海洋结构等大 型重要结构的兴建，再一次推动了结构一地基动力相互作用问题研究的迅速发 展。这一阶段研究的主要内容包括：上部结构方面主要研究了地震时结构某些 部位可能出现塑性变形等问题；基础方面包括基础形式、埋深以及基础与地基 脱离等问题；地基方面研究了分层地基、地基刚度以及场地土类型等因数的影 响。这一阶段主要理论研究集中在数值计算方面，由于结构一地基相互作用问题 的复杂性，不同计算方法在计算模型建立和参数选取上有所不同，最终导致计 算结果存在很大差异。所以开展结构一地基相互作用问题的试验研究显得非常迫 切必要。 第四阶段是理论研究深化阶段( 上世纪9 0 年代以后) 。由于研究问题的复 杂性，理论研究亟需试验的验证。日本、美国等国率先进行了模型试验和现场 振动试验，获得了重要的试验数据，检验各种计算模型的可靠性和理论研究的 正确性，从而丰富和发展了相互作用的理论研究。但是由于各种条件的限制， 动力相互作用试验研究远不及计算分析那样广泛深入，还有很多公认难题等待 各国学者进一步研究。 1 2 3 结构一地基动力相互作用的研究现状 1 2 3 1 结构一地基动力相互作用的理论分析方法 由于土的特性、地基与结构之间接触和地基土的边界条件等难题，使得结 构一地基动力相互作用问题成为公认复杂的研究课题之一。几十年来，涌现出了 各种分析方法，有早期的w i n k l e r 地基梁法，后期的解析法、数值分析法及两 者相结合的方法，如有限元法、无限元法、边界元法、离散元法等。总结前人 的研究成果，结构一地基动力相互作用的理论分析方法大体可分为整体分析法、 子结构分析法和集总参数法u 引。 1 整体分析法 整体分析法也称完全相互作用分析法，即将地基、基础与上部结构看成一 个整体一起计算，可同时得到地基反应和结构反应。整体分析法包括解析法和 数值分析法等。其中解析法的主要代表理论是弹性半空间理论和弹性波绕射理 论，由于解析法处理复杂边界条件问题时数学计算繁琐困难，所以只适用于简 单结构和均质地基。因此，目前结构一地基动力相互作用问题分析主要采用数值 法或半解析数值法求解，如有限元法、无限元法、边界元法、离散元法及杂交 混合法等。 有限元法是应用最广、效率最高的数值计算方法。在有限元计算中将上部 结构与地基基础视为一个整体，进行离散化、分析单元力学性质、组合单元等 一系列处理，最终计算出该体系的动力反应。有限元法适用于复杂的结构形式 和场地条件，也可以处理土的非线性问题，它是一种能考虑土的非均匀性和非 线性等各种复杂因素的较好方法。随着计算机技术的飞速发展，有限元方法将 得到更加广泛的应用。有限元法具有方便灵活、易于掌握、实用性强等优点， 已经有大量可供使用的有限元软件。但在实际计算过程中仍存在计算复杂、费 用较高等问题，这需要进一步研究有限元的求解方法、提高程序前后处理功能、 优化有限元程序结构等。 无限元法属于半解析半数值法，以形函数形式描述从近域到远域位移幅值 的衰减规律，以及不同波数的相位特征，无限元的形函数是用插值函数和一个 适当选取的衰减函数乘积来构造的。无限元法的基本思想是，在无限地基与结 构接触部分的有限区域划分为通常的有限单元网格，而无限地基的其余部分划 分为伸向无穷远的无限元。动力无限元由b e t t e s s 与z i e n k i e w i c z n 叫在静力无 限元基础上发展起来，首先应用于流体波动分析，m e d i n a n 6 1 等将这一方法用于 结构一地基动力相互作用分析中，开创了用无限元法研究结构一地基相互作用问 题的先河。 边界元法在本质上属于一种半解析的数值分析方法n ，它依赖于各种问题 的基本解或g r e e n 函数，通过基本解将支配物理现象的域内微分方程变为边界 上的积分方程，只需对边界进行离散化，使数值计算的维数降低一维，从而减 少了自由度和原始信息量。边界元法无需引入人工边界即能满足远场的辐射条 件，具有无限域和半无限域的特点，因此在结构一地基动力相互作用分析中得到 了广泛的应用。陈清军等n 明采用薄层内位移线性变化条件下的动力g r e e n 函数 形成桩一土一桩相互作用的土介质柔度矩阵，用振型分解法建立上部结构等效刚 度矩阵，建立了层状土介质中群桩及其上部结构体系对入射地震波响应的半解 析分析模型，研究了地基一桩一上部结构体系对不同角度入射s h 、s v 和p 波的动 力响应。 4 杂交混合法利用各种方法的优势，把两种或多种方法结合起来求解问题， 可以是解析法与数值方法的结合，也可以是在部分域( 例如近场) 使用一种数值 法( 例如有限元) ，而在其它域( 例如远场) 使用其它方法( 例如边界元、无限元等) 来模拟。在结构一地基动力相互作用问题中，采用较多的是后一种方法。 2 子结构分析法 子结构分析方法是将结构一地基相互作用体系分成结构和地基两部分分别 考虑。先计算地基与结构相接触边界的阻抗和散射特性，然后把这些特性作为 结构的边界条件，通过两者接触界面上的力和位移连续条件加到结构部分的动 力分析中去。 子结构法对上部结构、基础、地基局部可以独立地进行分析，对每个结构 可以采用最适合该局部的不同的或相同的数值模型，如有限元一无限元，有限元 一边界元，无限元一边界元等。其中将数值法与地基解析解结合起来的半解析一 数值法( 将地基视为弹性半空间用解析法求解，结构采用数值模型) 具有突出 优点，至今已被广泛应用于结构一地基相互作用问题的研究n 引。 子结构分析方法具有很大的灵活性，计算量较小，但是，由于子结构法利 用了迭加原理，故理论上仅限于考虑线性系统，应用范围受到了限制；若要分 析结构与地基的非线性相互作用，必需采用整体分析中的时域逐步积分方法。 另外，由于子结构法无法直接获得土体中位移与应力场的变化情况，因而无法 用于土一结构动力相互作用对地基稳定性影响的研究。 3 集总参数法 集总参数模型是将地基土效应用地基阻抗表征，将半无限地基简化为弹簧 一阻尼一质量系统，结构可看成剪切型或弯剪型多质点系。其模型具有物理概念 清晰、应用简便等优点，因而被广泛应用。但该方法有很多不足之处，使得其 在解决非均匀、非线性或地形变化较大的复杂地基时与实际相差较大。 1 2 3 2 结构一地基动力相互作用的试验研究 结构一地基动力相互作用的试验主要分为现场试验和室内模型试验，其中 室内模型试验又可分为离心机模型试验和振动台模型试验。由于费用昂贵等问 题，关于结构一地基相互作用的试验研究远不及理论研究广泛深入，但理论正确 性的验证及其在工程实践中的应用和推广都离不开试验研究，所以试验研究显 得非常必要。 1 地震观测和现场振动试验 在现场进行地震观测和大比例模型与原型的振动试验，能够直观的反映结 构在地震作用下的响应，因此能较好的验证理论研究与计算分析的正确与否， 近几年来受到各国学者广泛关注。 野外现场试验常采用强迫振动试验，强迫振动试验包括稳态激振试验和用 5 爆炸引起的模拟地震动激振试验两种方式。爆炸模拟方式非常接近自然地震， 理论上可以检验结构一地基相互作用的规律，但由于震源距离试验体很近，导致 波阵面和波的组成十分复杂，所以一般在试验中很少使用。 1 9 8 9 年，北京工业大学与美国国家地震工程研究中心( n c e e r ) 合作，联 合北京建筑设计研究院、北京勘察设计研究院，通过现场振动试验，广泛研究 了结构一地基的相互作用问题，美方则在纽约州立大学布法罗分校取实体尺寸的 1 2 5 进行相应的振动台模型试验比们。原型结构为五层单跨框架结构，层高为 3 m ，两方向跨度均为3 3 m ，梁为型钢1 2 5 a ，柱为组合截面，翼缘钢板为一2 5 0 x 1 4 ， 腹板为一2 8 0 x 8 ，楼板是8 0 m m 厚的现浇钢筋混凝土板，基础底板尺寸为5 3 m x 5 3 m ，厚2 0 0 m m 。总共进行了三个阶段的试验。试验结果表明：( 1 ) 现场足尺 试验与振动台模型试验所得固有频率基本一致，说明地基土对上部柔性结构的 固有频率影响不大；( 2 ) 在相同地基条件下，随上部结构刚度的增大( 上部结构 相对地基的刚度增大) ，土一结构体系动力相互作用导致固有周期延长的效果越 明显；( 3 ) 具有相互作用效应的现场足尺试验得到的阻尼比远大于刚性地基的振 动台模型试验所得的阻尼比，从试验结果得知，阻尼比增大5 6 3 3 倍；( 4 ) 考虑相互作用的结构振型与一般固有振型的规律不同。 为了验证美国核工业领域常用的结构一地基相互作用分析方法，美国和台湾 两家电力部门共同在台湾l o t u n g 进行了缩尺比例分别为1 2 和1 4 的有关核电 站钢筋混凝土安全壳的模型试验瞳乜射。进行了强迫振动试验，得到了2 0 多次 震级从4 5 至7 0 的地震记录，采用的计算模型有s - r 模型、有限元模型和杂 交模型。通过研究，得到以下几点认识：( 1 ) 在震动反应分析中对土一结构体系 的合理模拟可能比计算方法更加重要；( 2 ) 用地震波垂直向上传播的假设来描述 相互作用的波动场是合适的，试验效果很好；( 3 ) 用应变相容的等效线性法表示 非线性土性可以接受，与实际情况非常接近；( 4 ) 地震时地基土的刚度衰减具有 瞬态的特征，地震发生时地基土刚度随剪应变的增加而急剧衰减，地震结束后 会立即恢复；( 5 ) 回填材料的刚度对结构一地基相互作用地震反应影响很大，埋 深引起的地震波散射在结构一地基相互作用分析中起着重要的作用。 上述在罗东较软地基土上进行模型试验以后，为了进一步研究结构一地基相 互作用的规律，验证分析方法的合理性，从1 9 9 0 年起，国际合作组织又在台湾 花莲较硬地基土上进行类似的缩尺比例为1 4 的核电站钢筋混凝土安全壳模型 试验比引。进行了强迫振动试验，取得了包括台湾南投地震在内的多次地震记录。 通过对试验结果的分析，得到与罗东试验相类似的结论。因此，只要对地基土 的特性作出合理的模拟，都能得到非常近似有效的计算结果。 对实际建筑物进行地震观测，也能验证理论研究的正确性和计算方法的合 理性。t t o u s n e r 比4 1 根据a r v i n t e h a e h a p i 地震中一栋高层楼房的地震观测结果， 进行了桩一土一上部结构体系动力相互作用分析。开创了根据地震观测结果进行 6 桩一土一上部结构体系动力相互作用分析的先河。该相互作用体系上部结构为1 4 层钢筋混凝土结构，基础由长3 1 1 m 不等的桩基组成。该次地震中，在地下室 和自由场地表测得的水平加速度最大峰值分别为0 0 6 9 和0 0 4 9 。通过对南北 分量地震观测数据进行分析，表明基础和自由场地表加速度反应谱基本一致， 而东西向分量加速度反应谱在各个周期点基础处的值相对于自由场地表减少了 5 0 。 现场试验非常接近实际，但实际的边界条件与材料属性等问题很复杂，难 以分析各个因素对结构地震反应的影响，且现场试验费用昂贵、耗时很长。因 此，在实验室进行模型试验研究是必然的发展