（岩土工程专业论文）大型工程土与结构动力相互作用的理论和试验研究.pdf

河海走学博士学位论文：大型工程土与结构动力相互作用的理论和试验研究 摘要 本文首先采用大型振动台模型试验对考虑土与结构动力相互作用的高层建筑结构t m d 控制性能开展研究，并对该试验进行了数值试验及其对比研究。其次，考虑地震的随机性 和强度、频率非平稳性，提出一般随机地震动模型，建立完全非平稳随机地震反应的整体 有限元法，从确定性分析和随机分析两方面对土石坝、特大型桥梁结构中的土一结构动力 相互作用开展研究，主要工作如下： 1 设计并完成了土与结构动力相互作用的大型振动台模型试验。将刚性地基和软土地基 上结构体系进行对比试验，探讨了土与结构相互作用对结构地震反应的影响。比较结构顶 部调谐质量阻尼器( t m d ) 在剐性和软土地基条件下的控制性能，探讨了土一结构动力相 互作用对t m d 控制性能的影响。指出了按刚性地基条件对t m d 控制系统参数进行设计将使 其在软土地基条件下可能达不到预期的设计目的，甚至可能产生负面效应； 2 在振动台模型试验的基础上，采用分析土与结构动力相互作用的有限元软件s a s s l 2 0 0 0 对试验的各个工况进行数值模拟，并与振动台试验的结果进行对比研究。结果表明，数值 模拟结果与大型振动台试验结果具有很好的一致性，这彼此验证了数值模拟与大型振动台 模型试验方法的合理性和结果的可靠性； 3 考虑地震荷载的随机性和频率与强度非平稳性，通过理论分析，提出一种随机地震动 模型，并给出了确定模型参数的原则和方法。该模型适用于平稳随机过程、强度非平稳随 机过程以及强度和频率完全非平稳随机过程。在此基础上，结合虚拟激励原理，采用复反 应分析技术，建立一种分析土与结构动力相互作用的完全非平稳随机地震反应接体有限元 法； 4 以某一实际建于深厚覆盖层上的高土石坝为研究背景，采用时程积分法探讨了深厚覆 盖层与高土石坝在地震过程中的动力相互作用效应，结果表明，深厚覆盖层对提高强震区 内的高土坝抗震性能具有一定的积极作用。通过完全非平稳随机地震激励下的土石坝一坝 基动力相互作用的研究，指出地震频率非平稳性对坝体地震反应具有一定的影响； 5 分别采用二维整体有限元法和三维予结构法对特大型群桩一土一桥墩结构体系进行数 值模拟分析，探讨了群桩一土一桥墩结构体系地震反应特性及群桩一士一桥墩结构动力相 互作用效应对特大型桥梁结构地震反应的影响。采用本文提出的基于一般随机地震动模型 的整体有限元法开展平稳和非平稳随机地震激励下的群桩一土一桥墩结构动力相互作用 研究，对特大型群桩一土一桥墩结构体系的动力可靠性进行了探讨，初步揭示了地震反应 地震频率非平稳性对土与结构动力相互作用体系地震反应的影响规律。 关键词：土与结构动力相互作用，大型工程，振动台模型试验，随机过程，随机地震动模 型，非平稳性 摘要 a b s t r a c t t h et h e o r ya n dt e s ts t u d i e so nd y n a m i cs o i l s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ( s s i ) o fs o m e l a r g e - s c a l e dp r o j e c t si n c l u d i n gt h eb u i l d i n g ，e a r t h r o c kd a ma n db r i d g ea r ec a r r i e d o u ti nt h ep a p e nf i r s t l y , s h a k i n gt a b l em o d e lt e s t sa r ec a r r i e do u tt oa n a l y z et h e c o n t r o lp e r f o r m a n c eo ft u n e dm a s sd a m p e ro nb u i l d i n gi n c l u d i n gs o i l s t r u c t u r e i n t e r a c t i o n ( s s i ) s e c o n d l y ，av e r s a t i l e ，s t o c h a s t i ce a r t h q u a k eg r o u n dm o t i o n m o d e la c c o u n t i n gf o rt h et i m ev a r i a t i o no f b o t hi n t e n s i t ya n df r e q u e n c yc o n t e n ti s f o r m u l a t e da n dv a l i d a t e d b a s e do nt h i sm o d e l a na n a l y t i c a lm e t h o do ff u l l y n o n s t a t i o n a r ys t o c h a s t i ce a r t h q u a k er e s p o n s ei sa d v a n c e d s s ie f f e c t so fe a r t h r o c k d a r na n db d d g es t r u c t u r ea r ed i s c u s s e dt h r o u g hd e t e r m i n i s t i ca n ds t o c h a s t i c s e i s m i ca n a l y s i s ，r e s p e c t i v e l y t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n so ft h es t u d ya r e d e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 l a r g e s c a l es h a k i n gt a b l em o d e lt e s t so fd v n a m i cs o i l s t r u c t u r ei n t e r a c t i o na r e d e s i g n e da n dc a r r i e do u t t h es t r u c t u r em o d e li sac o m p l e t e5 - r o o f f r u s s ，2 s p a n 10 一s t o r i e d f r a m es t r u c t u r e t h r o u g ht h ec o n t r a s tt e s t so ft h es t r u c t u r eo nr i g i da n d s o f ts o i l ，t h ee f f e c t so fs s io ne a r t h q u a k er e s p o n s eo fs t r u c t u r ea r ed i s c u s s e d b y c o m p a r i n gt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c e so ft h et u n e dm a s sd a m p e r ( t m d ) l o c a t e do n t h et o po fs t r u c t u r e t h ee f f e c t so fs s io nt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo ft m da r e s t u d i e d r e s u i t sd e d i c a t et h e s u p p r e s s i n g v i b r a t i o nc o n t r o le f f e c t so ft m d d e s i g n e db a s e do nt h ec o n d i t i o no fr i g i db a s ea r en o ts a t i s f i e d ，e v e na r en e g a t i v e w h e nt h es t r u c t u r ei sb u i l do ns o f ts o i l 2 s a s s l 2 0 0 0p r o g r a mf o r3 df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fs o i l s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n a r eu s e dt os i m u l a t et h es h a k i n gt a b l et e s t sm e n t i o n e da b o v e c o m p a r i s o n s b e t w e e nt e s tr e s u l t sa n dc a l c u l a t e dr e s u l t sd e d i c a t et h ea n a l y s i sm o d e li sg o o dt o s i m u l a t et h ep e r f o r m a n c eo fs s is y s t e mu n d e rs e i s m i ce x c i t a t i o n s t h et e s tr e s u l t s a n dc a l c u l a t e dr e s u l t sa r ec o i n c i d e n ta p p r o x i m a t e l y t h er a t i o n a l i t yo fn u m e r i c a l m o d e la n dr e l i a b i l i t yo f t h et e s ta r ev e r i f i e ds i m u l t a n e o u s l y 3 av e r s a t i l e 。s t o c h a s t i c e a r t h q u a k eg r o u n dm o t i o nm o d e ln a m e dg e n e r a l s t o c h a s t i cs e i s m i cm o t i o n ( g s s m ) a c c o u n t i n gf o ru n c e r t a i n t ya n dt i m ev a r i a t i o no f f r e q u e n c yc o n t e n to fr e a ls e i s m i ce x c i t a t i o n si sf o r m u l a t e da n dv a l i d a t e d g s s m m o d e li sa p p r o p r i a t et os i m u l a t et h es t a t i o n a r y , i n t e n s i t yn o n s t a t i o n a r ya n df u l l y n o n s a t i o n a r yp r o c e s s t h e n ，b a s e do np s e d o e x c i t a t i o np r i n c i p l e ，a na n a l y t i c a l m e t h o do ff u l l yn o n s t a t i o n a r ys t o c h a s t i ce a r t h q u a k er e s p o n s ei sa d v a n c e d 河海大学博士学位论文：大型工程土与结构动力相互作用的理论和试验研究 4 b a s e do nah i g he a r t hd a mb u i l to nt h ed e e po v e r l y i n gs t r a t u m ，t h et i m e s t e p _ b v s t e pi n t e g r a t i o nm e t h o di su s e dt oa n a l y z ed y n a m i ci n t e r a c t i o nb e t w e e n o v e r l y i n gs t r a t u ma n dd a m t h er e s u l t sd e d i c a t et 1 1 a ts s ih a ss o m ea c t i v ee f f e c t s o ni n c r e a s i n gt h ee a r t h q u a k e r e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo ft h ee a r t hd a m t h ee f f e c t s o ff r e q u e n c yn o n s t a i o n a r i t yo ns e i s m i cr e s p o n s eo fe a r t hd a ma r ei l l u m i n a t e d t h r o u g hi n t e r a c t i o na n a l y s i su n d e rn o n s t a t i o n a r ys t o c h a s t i ce x c i t a t i o n s 5 2 di n t e g e rf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n d3 ds u b s t r u c t u r ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d a r ea d o p t e dr e s p e c t i v e l yt oa n a l y z et h ee a r t h q u a k er e s p o n s eo fg r o u pp i l e s s o i l p i e ri n t e r a c t i o ns y s t e m s e i s m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i ca n dd y n a m i ci n t e r a c t i o n o fg r o u pp i l e s s o i l d i e rs y s t e ma r ed i s c u s s e d t h ef u l l yn o n s t a t i o n a r ys t o c h a s t i c e a r t h q u a k er e s p o n s em e t h o da d v a n c e di nt h i sp a p e ri su s e dt oa n a l y z es s ie f f e c t s o fg r o u pp i l e s - s o i l - p i e rs y s t e mf o rs t a t i o n a r ya n dn o n s t a t i o n a r ye x c i t a t i o np r o c e s s t h ed y n a m i cr e l i a b i l i t vo fi n t e r a c t i o ns y s t e mi sd i s c u s s e dp r e l i m i n a r y a n d i ti s c e r t i f i e dt h a tf r e q u e n c yn o n s t a t i o n a r i t yo fs e i s m i ce x c i t a t i o ns h o u l db ec o n s i d e r e d k e y w o r d s ：d y n a m i cs o i l - s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ，l a r g e - s i z e dp r o j e c t ，s h a k i n gt a b l e m o d e lt e s t ，s t o c h a s t i cp r o c e s s ，s t o c h a s t i cs e i s m i cm o t i o nm o d e l ， n o n s t a t i o n a r i t y 河海大学博士学位论文：大型工程土与结构动力相互作用的理论和试验研究 刖吾 地震发生时，对于绝大部分工程结构而言，土与结构动力相互作用是客观存在的，这 己被研究者和工程师们所认识和接受。但是，现阶段，人们在土与结构动力相互作用对工 程结构抗震性能的影响及其作用机制等方面的认识仍然不能满足实际工程建设的需要。正 因为此，该课题一直以来都是岩土地震工程领域研究的热点问题。然而，以往的研究大多 局限于确定性的数值分析，且研究对象较为简单，缺乏必要的试验验证，其结论或规律在 复杂的大型工程中是否仍然有效有待进一步论证。 本文首先采用大型振动台模型试验对考虑土与结构动力相互作用的建筑结构地震反 应及t m d 减震控制性能进行了深入地研究：其次，考虑地震的随机性和强度、频率非平稳 性，通过理论研究，提出一般随机地震动模型，建立完全非平稳随机地震反应分析方法。 通过一系列的确定性分析和随机分析，对高士石坝和特大型桥梁桩基础的土与结构动力相 互作用进行数值试验，对土与结构动力相互作用的影响规律及其影响因素进行了深入探 讨。主要创新成果有： ( 1 ) 提出以完整框架结构为研究对象进行考虑土与结构动力相互作用的t m d 控制性能研 究的大型振动台模型试验方法，建立了基于振动台模型试验的数值模型和计算方法。将振 动台模型试验结果与数值仿真模拟分析结果进行对比研究，结果表明数值模拟结果与试验 结果有很好的一致性； ( 2 ) 指出软土地基上t m d 控制效果是土与结构动力相互作用( s s i ) 效应、t m d 减震效 应以及s s i 和t m d 耦合效应三者共同作用的结果。按刚性地基条件对t m d 进行设计将 使得t m d 系统在软土地基上可能达不到预期的效果，甚至可能导致负面效应。得出了土 与结构动力相互作用下地震波强度和频谱成分变化的规律； ( 3 ) 提出了能考虑地震荷载的随机性和频率与强度非平稳性的一般随机地震动模型，给 出了确定模型参数的原则和方法。通过与常用功率谱模型的比较，验证了该模型的合理性。 ( 4 ) 基于所提出的一般随机地震动模型，结合虚拟激励原理，利用复反应技术，建立了 完全非平稳随机地震反应整体有限元法，将其分别应用于土石坝和特大型桥梁基础地震反 应分析，初步揭示了频率非平稳对工程结构地震反应特性的影响规律。 伴随着经济建设的蓬勃发展，包括超高层建筑、特大型桥梁工程、( 超) 高土石坝、 城市地铁等在内的一大批大型工程建设得到很大的发展。这些大型工程的投入使用对促进 我国国民经济和提高人民生活水平起到了重要的作用。我国是一个地震多发国家，这些已 建或拟建的大型工程结构抗震性能则成为关系到国计民生的大事。因此，开展大型工程土 与结构动力相互作用的理论和试验研究无论从经济效益还是社会效益考虑都具有重要的 现实意义，对于提高工程结构抗震性能具有一定的指导意义，为今后相关抗震设计规范的 修订提供一定的参考和借鉴。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，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。与我一同工作的同事对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全 部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 0 0 5 年1 0 月7 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 5 年1 0 月7 日 河海土学博士学位论文? 土趔工程土与结构勘力相王作用曲理论和试验研究 绪论 1 土一结构动力相互作用的基本概念 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 ，简称s s i ) 问题按荷载性质的不同， 可以分为静力相互作用和动力相互作用问题。例如，在复合桩基中考虑桩周土通过摩擦力 分担上部结构荷载等问题属于静力相互作用。而在冲击荷载等动荷载或地震荷载作用下， 由于地基土的柔性造成结构底部与地震地面运动的差异问题即属于动力相互作用 ( d y n a m i cs o i l s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ) 。本文的研究仅限于地震荷载作用下的土一结构动力 相互作用。 实际工程中，绝大部分结构物都是通过基础与地基相连。因此，地震荷载作用下，土 一结构动力相互作用是客观存在的。当上部结构的刚度大而地基的刚度相对较小时，这种 相互作用显得尤为突出。而当上部结构直接建立在基岩上，上部结构的地震反应近似取决 于上部结构的自身振动特性，此时相互作用影响可以忽略。然而，这种情况在现实生活中 极为少见。 从表现形式来看，土一结构动力相互作用可分为运动相互作用和惯性相互作用。惯性 相互作用主要表现为上部结构振动惯性力对基础产生剪力和弯距，并导致结构与基础间的 相对位移以及土体的变形。基础与周边土体刚度差异、入射波瞬时作用于基础以及场地地 震动的相关性都将导致结构、基础与周边土体的运动相互作用。地震地面运动与结构基底 地震动的差异即是运动相互作用的一个重要表现。图1 i 示出了土一结构动力相互作用机 制。图( a ) 假定地基为刚性，结构物的振动性能取决于上部结构，此时无相互作用。图( b ) 表示结构物建立在一定柔性的地基上。当在基岩处输入地震动工g l ，通过地基土传递到基 础底部时，地震动的运动幅值及频谱成分已经发生了变化，结构动力性能也发生了变化， 作用于结构底部的地震动已成为x 。2 ，如图( c ) 所示。 靠 磁 ；。翠 柏一w 扫 矗矗 矗矗 享x 扣9 2o 王l_a弼需 x g i i “扣 伪)( c ) 图1 1 土一结构动力相互作用图示 楮悔 考虑s s i 效应的结构抗震分析可先求得在工。1 作用下，经过土与结构相互作用后传至 地表的j 。2 ，继而用j g2 作为结构基底的地震动输入，分析e 部结构的地震反应。但这种 分析未充分考虑土一结构动力相互作用的影响。 2 土结构动力相互作用的研究历史及现状 早在2 0 世纪3 0 年代，研究人员已经认识到上部结构与地基是一个相互藕连的复杂体 系，在对上部结构进行动力反应分析时，应充分考虑地基土一结构动力相互作用的影响。 r e i s s n e r ( 1 9 3 6 ) 对于弹性半空间表面刚性圆形基础振动闯题的研究奠定了土与结构动力 相互作用问题研究的基础。j a c o b s o ( 1 9 3 8 ) 首先提出了端部嵌固于弹性地基上的伸臂粱模 型，以弹性恢复力矩模拟地基对高层建筑地震反应的影响。b y c r o f t ( 1 9 5 6 ) 求出了刚性圆 盘在半无限地基上发生平移和转动的稳态振动解。p a r m e l o e ( 1 9 6 7 ) 据此建立基本方程， 初步探讨了土一结构动力相互作用的一些基本规律。一般认为，在此之前对土与结构动力 相互作用的研究处于初级阶段。自2 0 世纪7 0 年代以后，随着计算机技术的发展以及工程 建设的实际需要，土与结构动力相互作用研究进入了一个新的阶段，主要表现在研究对象 的扩展、分析模型和计算方法的改进、研究手段的多样化等方面。 2 1 土一结构动力相互作用研究对象 早期土一结构动力相互作用研究主要以机械基础为研究对象。一些大型工程的建设以 及对抗震的需求使得土一结构动力相互作用研究逐步扩展到核电站工程结构、高层建筑结 构、海洋石油平台结构、道路桥梁结构、水工结构等复杂的地上结构以及地下管线、地下 隧洞、地铁车站等地下工程领域。此外，研究对象越来越复杂。地基土从均匀土体发展到 非均匀土体，继而含有可能产生地基失效( 软土软化、砂土液化等) 的深软场地复杂土 体；基础形式多种多样。就桩基础而言，已从单桩扩展到群桩，继而到大直径超长群桩基 础。 2 2 土一结构动力相互作用分析模型与计算方法 分析模型方面，根据模拟对象的不同，分析模型可分为地基土模型、基础模型以及上 部结构模型三个部分。早期地基土模型均采用水平成层均质土体假设，沿深度方向划分为 若干层，沿水平方向划分为若干单元，土层单元采用文克尔弹性地基梁代替。一般认为 均质半无限地基计算模型不能充分反映地基特性对相互作用的影响。因此，诸如水平成层 地基模型，地基剪切模最随深度不断增加的计算模型得到了发展。此外，为了考虑土的动 力非线性，各种粘弹性和弹塑性动本构模型相继被提出闭，如双直线模型、h a r d i n - d m e v i c h ( 1 9 7 2 ) 模型、r a m b e r g - o s g o o d ( 1 9 7 3 ) 模型、屈服面模型、边界面模型等。此外，为分 析土体失效对结构地震反应的影响，研究者提出了一些有效应力分析模型。如应力模型、 应变模型、内时模型和瞬态模型等。在桩一土一结构相互作用分析中，目前主要有两种地 基土模型，分别是动力非线性文克尔地基粱模型p 5 1 和连续介质模型【6 1 。非线性文克尔 地基粱模型分别采用非线性的p ，y 单元( 桩侧力一位移关系) 和t - z 单元( 桩端力一位移 关系) 模拟桩周土对桩身的约束作用，可以考虑土体动力非线性性能以及土性的差异删， 关系) 模拟桩周土对桩身的约束作用，可以考虑土体动力非线性性能以及土性的差异i b 】， 河埠土学博士学位话文j 太埋工程土与结构动力相王作甩的理论和试齄研究 在基础和上部结构的抗震性能分析上具有降低计算难度、节省计算时间等优势，但该模型 仅以弹簧和阻尼器代替土体对桩的约束作用，不能模拟地基土地震反应性状，不能用于分 析由于土体失效造成的基础和上部结构破坏问题。连续介质模型将半无限地基土体视为具 有一定边界条件的连续介质，可采用上述土体动本构关系模拟土体的动力非线性性能。该 模型能够模拟结构、基础以及地基土各部分的地震反应性状，能够考虑土一结构运动相互 作用和惯性相互作用。但是，该模型在土与基础接触关系和半无限地基土介质的模拟方面 仍存在较多的问题。土一结构动力相互作用分析中的基础通常采用平面、空间杆系模型或 块体单元模拟。上部结构通常被简化为多质点体系，采用集中质量模型。 土与结构动力相互作用研究的计算方法按求解域的不同可分为频域分柝法和时域分 析法两类。若依地基土模型划分，计算方法可分为动力非线性文克尔地基梁法和有限元法 其中有限元法又可分为直接法和子结构法。动力非线性文克尔地基梁法需要将场地土体自 由场反应与结构地震反应单独处理，先求出自由场反应，然后将计算得到的土层各点处的 加速度反应( 速度反应、位移反应) 作为分析上部结构地震反应的输入”。该方法应用于 桩一土一结构动力相互作用研究存在以下缺陷：自由场反应结果与结构脱离，忽略了结 构对场地地面运动的影响；采用的p - y 单元与t - z 单元没有考虑土层性质的影响；忽 略了轴向和侧向阻力的耦合效应，忽略了两个水平分量的耦合效应；忽略了桩桩之间 的相互作用影响；分析结果对桩土接触关系中的参数取值较为敏感。有限元法中的直接 法是将地基、基础和上部结构作为一个完整的系统进行有限元离散，并引入一定的人工边 界，可以同时得到地基与结构的反应【1 0 l 。当采用时域逐步积分进行求解时，可以考虑地基 土的动力非线性性能。该法自由度多，计算量大，且较难处理几何非线性问题。子结构法 是将地基土、基础和上部结构分成若干子系统，先分别求出各子系统的单体反应，然后再 联系各单体的反应，使其满足相互作用的条件，从而得到整个体系的反应。由于子结构法 在频域内求解，因此该法不能直接进行非线性土一结构动力相互作用分析。l y s m e 一”】 ( 1 9 9 9 ) 在其开发的通用软件s a s s i 中提供了一种可进行非线性土一结构动力相互作用分 析的予结构方法。即在进行土一结构动力相互作用分析之前，采用s h a k e 程序进行自由 场反应分析，通过迭代计算得到等效的土体模量与阻尼，将其代之于相互作用分析以近似 考虑土体动力非线性性能。应该指出的是，l y s m c r 提出的子结构法尽管也需要先进行一次 自由场反应分析，但其与动力非线性文克尔地基梁法中的自由场反应分析存在本质的不 同。若按数值分析方法分类，则土与结构动力相互作用计算方法又可分为有限元法、边界 元法、无限元法以及混合元法等。有限元法的关键在于如何将地基无限边界的动力问题处 理成有限边界的动力问题，这一处理方法的好坏直接影响计算精度。目前在有限元法中采 用的人工边界有l y s m e r l l 2 】( 1 9 6 9 ) 提出的粘滞阻尼边界、s m i t h ! ”( 1 9 7 4 ) 提出的迭加边 界以及廖振鹏【1 4 1 ( 1 9 8 4 ) 提出的透射边界等。此外有限元法为土一结构非线性动力相互 作用研究提供了很好的分析手段。在物理非线性方面，有限元法可通过采用适当的非线性 模型来模拟，在几何非线性方面，有限元法可通过在土一结构交界面处加设具有可反映滑 移、脱开和重新结合以及非线性特性的界面单元来得到非线性有限元分析结果i “1 。边界元 法是在有限元法的基础上，将有限元方法中的边界看作是边界元而得名。边界元法自动满 1 绪论 足远场的辐射条件，无需引入人工边界，在结构地基动力相互作用分析中得到广泛应用。 这一应用包括：求解地基动力阻抗与基础反应，地形对地震波的散射效应以及地下结构的 动力响应等方面。b a n e r j e ea n dd a v i e s t l q ( 1 9 7 8 ) 和b a n e r j e ea n ds e n t l 7 】( 1 9 8 7 ) 较早采用 边界元对单桩和群桩在轴向和侧向荷载作用下的反应进行了分析。桩体为线性结构单元， 土体考虑了均质和非均质两种情况，边界元刚度一致或随深度递增。他们的研究为边界元 在土一结构动力相互作用问题中的分析奠定了基础。k a r a b a l i s 与b e s k o s t l q ( 1 9 8 4 ) 、 s p y r a k o s i ”l ( 1 9 8 6 ) 分别用时域边界元法求解二维与三维地基( 明置基础与埋置基础) 的 动力阻抗与波动反应并考虑了基础板的柔度。w o l fa n dd a r v e 。1 ( 1 9 8 6 ) 为了分析埋深基 础非线性土一结构动力相互作用，发展了一种用边界元模拟弹性成层的远场土域，结构和 近场土域采用非线性模型的时域分析方法。无限元法是在有限元的基础上，将计算域外边 界处的单元沿外法线无限延伸，沿无限方向引入解析函数进行求解【2 ”。无限元法一般只能 在频域内求解。c h a n g a n d d o o k i e 2 1 ( 2 0 0 0 ) 等采用与频率相关的无限元对二维介质上土 与结构相互作用问题进行了分析。无限元用来模拟半平面无限体上计算边界以外的土体， 单元质量矩阵和刚度矩阵均与频率相关，公式中的系数矩阵反映了较远区域处波的传播特 性。通过变换可将频域内的运动方程转化到时域内求解。与其他方法的计算结果相比较， 采用无限元法能够得到更为精确的解。由于有限元、边界元以及无限元均有其一定的局限 性。因此，为了佼计算模型更合理，研究者发展了混合元法。混合元法是将有限元、边界 元和无限元组合应用的计算方法。k e i l y ( 1 9 7 9 ) 等用有限元和边界元耦合的混合元法研 究了均质弹性半空间介质中波的传播问题。姜忻良t z q ( 1 9 9 7 ) 等采用有限元和无限元耦合 的混合元法分析了圆板一弹性层状地基。结果表明，在一般荷载作用下圆心处的应力应变 不再有奇异点；由于采用了无限元，分析中考虑了无限域地基的情况，避免了人为划定计 算边界，大大减小了计算量。 2 3 土一结构动力相互作用的试验研究 土与结构动力相互作用研究最大的困难是缺乏必要的实测数据，这使相互作用的分析 存在着许多不确定性，限制了其在实际工程设计中的应用。因此，对土一结构动力相互作 用问题研究的一个重要方面则是通过各种试验手段获得一些必要的实测数据，并与数值分 析结果进行对比研究。目前，在土一结构动力相互作用问题的研究中，离心机 2 5 1 振动台 1 2 6 , 2 7 , 2 8 , ”等室内物理模型试验和现场试验、3 “以及强震观测数据的整理和分析【3 2 3 3 3 4 。 等为主要的试验研究手段。离心机模型试验早期主要用于砂土或粘性土中各种基础的侧向 荷载作用下的反应分析研究“1 3 7 3 8 、3 9 1 0 近年来。离心机模型试验也经常作为数值分析的 辅助手段在土体动力有效应力、砂土液化和软土软化、场地失效以及土一结构动力相互作 用等方面的研究工作中得到广泛的应用。t h a v a r a j t ”j ( 2 0 0 0 ) 在其论文中完成了一组2 2 和3 3 群桩基础模型的离心试验研究，探讨了试验中的孔压增长模型，采用有效应力方 法对该试验进行了数值模拟，并与试验结果进行了对比研究。c h a c k 0 1 4 0 ( 1 9 9 5 ) 对正常固 结粘土中的单桩进行了一系列的离心模型试验，并采用s r a n g 和n o n s p s 程序分别对自 由场和桩一土一上部结构体系进行了数值模拟对比研究。振动台模型试验在场地液化、土 4 河喀上学博士学位论文? 大型工程土与结构动力相王作用的理论和试磐研究 一结构动力相互作用以及场地效应等方面应用较为广泛。t a m u r a ( 2 0 0 0 ) 在其最大的振动 台上完成了液化场地一钢筋混凝土双柱墩大比例尺地震破损和失效机理试验。指出在场地 液化前结构破损由惯性力控制，液化后结构破损与场地液化密切相关，结构整个破坏过程 由液化控制。随后。f u n a h a r a ( 2 0 0 0 ) 利用有效应力分析技术对该试验过程进行了数值分 析，结果较吻合( 见文献【4 1 】) 。总体来看，早期室内模型试验研究主要针对小比例尺模型 进行，2 0 世纪9 0 年代中后期至今，国外一些大比例尺甚至足尺模型试验陆续展开。模型 试验研究能够获得土一结构动力相互作用地震反应的实测资料，能够直观地看到相互作用 体系不同部位上的震害，且是验证数值分析模型合理性和数值计算结果准确性的有效手 段。但是，受试验设备和试验技术等条件的制约，无论是离心机试验和振动台模型试验均 存在一定的缺陷。离心机试验的边界条件、科利奥利效应等问题无法解决；振动台试验至 今不能解决地基土的重力相似问题。此外。由于试验机尺寸、承重能力以及相似关系的限 制，研究对象大多局限于中、小型结构的模拟，而对于大型结构，例如深厚场地上的特大 型群桩基础则存在很大困难。 现场试验包括现场激振试验和强震观测两方面。强震观测不仅可以获得真实的地震记 录，而且可以通过埋设在建筑物内的测振仪得到地震时建筑物的真实的地震反应，这是检 验设计规范和抗震理论合理性的一个重要手段。因此，土一结构动力相互作用的现场试验 受到研究者和工程师们的广泛重视。日本原子力工学研究中心对建在富岛第一原子力发电 所的l ，5 1 ，5 4 大比例尺b w r 型和p w r 型核反应堆建筑物模型进行了一系列的现场相互 作用研究试验，历时8 年。我国台湾罗东建有1 4 和1 1 2 大比例尺的核反应堆混凝土安全 壳模型建筑物，对其进行了地震观测和激振试验【4 2 】。日本还有一些单位进行了5 层钢结构 建筑、7 层钢筋混凝土建筑、2 4 层高楼桩基础和大型钢筋混凝土块体的相互作用试验。松 谷辉雄等对1 9 9 5 年1 月1 7 日发生在日本关西兵库县南部的7 2 级强烈地震中的一幢超 高层钢筋混凝土建筑中的地震记录以及震害情况作了详细的报告。此外，美国对h a m 湾 的核电站模型也作了动力相互作用的研究。 日本富岛大比例尺核电站一系列模型试验研究内容包括：不同基础形式的相互作用体 系的振动特性；基础埋深对相互作用体系的地震反应影响；不同大小的激振力对土的非线 性变位的影响以及邻近建筑物对相互作用体系反应的影响等。这些研究得出了许多有意义 的结论。台湾罗东大比例尺核电站模型试验不仅获得了大量宝贵的实测数据，而且许多研 究者从不同角度对核电站安全壳在土一结构动力相互作用下的地震反应进行了预测，分析 了影响土与结构相互作用的因素叫。 相对于国外的研究，国内在试验研究方面显得较为落后，现场试验较为少见。王松涛1 ( 1 9 9 8 ) 对现场一栋5 层钢结构基础进行了激振试验，并在此基础上分析比较了四十余栋 不同形式的钢结构在土与结构相互作用下的动力反应。结果表明：考虑土与结构相互作用 后，土结构体系的阻尼比远大于基础固定时的阻尼比，且上部结构基本固有周期越短，场 地越柔，体系阻尼比就越大；体系的结构基底剪力小于基础固定时的基底剪力，且结构固 有周期越短，基底剪力减小越多。当结构固有周期在0 5 秒时，基底剪力可折减2 5 以上。 从已发表的研究成果来看，国内进行土一结构动力相互作用的试验研究主要以室内振动台 甘论 模型试验为主。目前国内已有包括中国水利水电研究院、同济大学在内的多家单位建了振 动台，其中同济大学土木工程与防灾国家重点试验室m i s 型模拟地震振动台，台面尺寸为 4 0 m 4 0 m ，可以三向输入，其利用率较高。徐志英1 “j ( 1 9 9 3 ) 较早地利用振动台对土与 地下结构物动力相互作用问题进行了模型试验研究。试验以方形管道作为地下结构物，将 其预埋在大型刚性容器内的填砂中，而后将容器安装在振动台上进行试验。试验用简谐波 在垂直于结构轴线方向振动，测定了地下结构扬内的动应力以及砂与遣下结构物接触面上 的动士压力及加速度。结果显示：管道上的加速度、压力及动应力随着激振频率变化而变 化。在试验的基础上对地下结构物进行了计算。结果表明，当考虑土的静、动力非线性并 在两种介质中使用薄层单元时，计算结果与试验结果较为吻合。陈国兴“1 ( 2 0 0 1 2 0 0 2 ) 利用同济大学振动台针对地基土一高层建筑结构动力相互作用开展了一系列的试验研究。 高层建筑结构为一5 榀2 跨1 0 层框架结构，选择了三条具有代表性的地震波作为地震激 励，且考虑了地震动强度的影响。该项研究结果与实际震害现象基本相符。吕西林1 4 9 1 ( 2 0 0 0 ) 等对带桩基础的地基一结构相互作用体系进行了振动台模型试验。分析了软土地基与只4 性 地基条件下结构体系的振动特性，结果表明：软土地基下相互作用体系的频率远小于刚性 地基下的结构频率，而阻尼比则远大于结构材料阻尼比。软土地基上上部结构柱顶加速度 主要由基础转动引起的摆动分量组成，其次为平动分量。桩身应变幅值呈桩顶大、桩尖小 的例三角形分布，桩土接触面压力幅值是桩顶小、桩失大的三角形分布。范立础和韦晓m ( 1 9 9 9 ) 进行了桩- ：k - 桥梁结构动力相互作用振动台模型试验，并用s h a k e 程序对自 由场试验结果进行了比较。试验结果与理论分析在反应谱谱值、峰值上有很好的吻合，并 由此得到了一些有益的结论。楼梦麟p 1 i ( 2 0 0 1 ) 开展了土一桩一结构相互作用体系振动台 模型试验研究，探讨了土一结 句动力相互作用对结构振动特性和结构地震反应的影响。试 验结果表明，土一结构动力相互作用使结构体系的自振频率降低，阻尼大大增加，结构顶 部的加速度反应和结构底部的应变反应减小。此外，陈跃庆【5 2 】( 2 0 0 1 ) 、富必宁f 5 3 】( 2 0 0 0 ) 刘军 5 4 1 ( 2 0 0 2 ) 、王建华哪! ( 2 0 0 4 ) 均采用振动台模型试验从不同角度探讨了土一结构动 力相互作用问题。表1 1 列出了国内几个土一结构动力相互作用振动台试验研究情况。 表1 1 国内土一结构动力相互作用振动台试验研究比较 凌贤长”1 ( 2 0 0 2 ) 对国内外液化场地上桩一土桥梁结构动力相互作用体系振动台试 6 阿谆上学博士学位论文j 土型工程土与结构付力相王作用峙理论和试齄研究 验及其相关领域研究成果进行了很好的归纳与总结。 总体来看，国内土一结构动力相互作用振动台模型试验涉及到桥梁结构、高层建筑结 构、地下管线与地下结构以及仓储结构等多方面。这些试验可为土一结构动力相互作用分 析提供大量的实测数据。但是，由于试验设备的限制，模型结构一般都较为简单，比尺较 小，这可能成为振动台模型试验发展的一个主要障碍。 3 土一结构动力相互作用随机地震反应分析 3 1 随机地震反应分析的必要性 现行的土一结构动力相互作用研究( 数值模拟和试验研究) 可以分为两大类：一类为 “确定性”分析，另一类为“随机性”分析。“确定性”的含义包括三个方面：作用于 土结构动力相互作用体系上的地震荷载是确定性的；土一结构动力相互作用体系的模 型及材料参数是确定性的；土一结构动力相互作用体系的地震反应是确定性的。此时， 是和的必然结果。“随机性”分析应满足以下两个条件：作用于土一结构动力相 互作用体系上的地震荷载是随机的，或者土一结构动力相互作用体系具有一定的“随机” 特征；土一结构动力相互作用体系的地震反应以反应统计量表示。此时，是的必然 结果。 目前，土一结构动力相互作用