（岩土工程专业论文）桩—土—结构动力相互作用的数值分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 桩基是一种历史悠久而又被广泛采用的基础型式。历次世界大地震中，均 出现了各类桩基础的严重破坏现象。由于破坏的隐蔽性，使得己破坏桩基的修 复极为困难而且耗资巨大。在现有桩基抗震设计规范中提出了一些桩基抗震的 构造措施，但缺乏系统性和针对性。试验表明，在地震作用下，地基与结构之 间存在很强的动力相互作用。对地震作用下土一桩一结构动力相互作用进行数 值模拟研究具有重要的学术意义和工程实用价值。 作者对桩的震害特点、破坏形式、桩一土一结构动力相互作用的分析方法 等几个方面进行了系统地总结。地震作用下桩一土一结构动力相互作用是一个 多学科交叉，多部门关注的复杂课题。针对不同的具体问题，一方面要改进与 发展理论严密的精细分析方法，同时也要发展计算摸型简单、参数便于确定的 实用性较强的简化分析方法，以满足不同工程的抗震设计要求。本文采用动力 有限元分析方法，将研究体系简化为平面模型，重点研究了桩一士一结构动力 相互作用体系的动力特性和基桩的抗震性能等，主要开展了如下工作： ( 1 ) 选择适合桩一土一结构动力相互作用分析的材料本构关系，研究了桩 一土一结构动力相互作用体系二维有限元分析的一种实用方法。上部结构采用 线弹性的本掏模型，下部土体采用等效非线性本构关系或基于d r u c k e r p r a g e r 屈服准则的弹塑性模型，确定了相应模型的矩阵及模型所需的相关参数。探讨 了非线性动力方程的求解方法，单元的选取，土体边界的模拟方法，网格大小 的划分，重力的考虑等。 ( 2 ) 进行了不同输入地震动、不同场地条件下桩士体系的地震反应分析及地 震作用下桩土体系的参数敏感性分析；探讨了在地震作用下考虑士体弹塑性时 桩土体体系的动力相互作用。既使在相同地质条件、相同地震动加速度峰值的 条件下，如果输入地震波的波形不同，得到的桩土体系的地震反应也不同，并 对放大倍数或高频过滤产生影响。桩土体系上部土体的剐度越大，桩身的水平 位移、加速度越小，但对较深处桩的位移和加速度的影响较小。调整相应的模 型参数进行多因素敏感性分析，得到桩土模量比对桩项水平位移及桩身最大弯 矩的影响最大，地震动的输入水平次之、桩的长径比影响较小。在土体基本弹 性参数不变时，考虑土体弹塑性后，桩身的水平相对位移、加速度和剪力均可 能减小：在水平地震作用下，单层土体的破坏表现为剪切型特性，而多层土体 武汉理_ 大学硕士学位论文 中多呈现弯剪型特性；桩身的存在一般会大大减小桩周土的位移和加速度。 ( 3 ) 在桩一土一结构动力相互作用分析中，重点研究了土体液化前后对基桩 动力响应的影响。随着土体液化深度的加深，体系的自振周期随之增大，桩的 最大水平位移相应增大，桩顶处的剪力和弯矩也增大；而且士体液化可能会引 起第一个软硬土层分界面处的剪力和弯矩的很大的增幅。同时研究了桩周土及 桩间距对桩基地震反应的影响。桩身的最大水平位移发生在桩顶处：当软土厚 度较小时，桩顶的内力较大；当软土厚度较大时，软硬土层分界面处的内力较 大；桩间距( 或桩数) 的变化会引起软硬土层分界处内力的较明显变化。同时探讨 了上部结构刚度的改变对基桩抗震性能的影响；随着上部结构刚度的增大，体 系的自振周期减小桩的最大水平位移相应增大，桩顶处的最大剪力和最大弯 矩增大，同时也引起第一个软硬土层分界面处桩身最大剪力和最大弯矩的较明 显的增大。调整桩一土一结构体系的模型参数进行了多因素敏感性分析，得到三 个凶素动力敏感性的次序依次为：b ( 桩土模量比) 、c ( 地震动的输入水平) 、a ( 桩 的长径比) 。还研究了双向地震作用下并考虑土体弹塑性情形时桩一土一结构的 动力相互作用。发现不同楼层的层问位移、柱的剪力和轴力等的折减系数并不 相同，沿楼层的变化也没有规律，有时甚至对有的楼层不是折减面是放大。规 范中只采用单一的折减系数是不太合理的。 在抗震结构设计中，不仅应注意桩顶与筏板的锚固及构造上的配筋，而且 还应特别注意在土层第一个软硬交界面处对基桩截面的抗弯和抗剪钢筋的配置 进行加强，以防此处在地震时受弯剪破坏。 关键词：桩一士一结构；动力相互作用；数值模拟：时程分析；地震响应； 弹塑性 i i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t p i l ef o u n d a t i o nh a sb e e nu s e dt oc o n s o l i d a t es o f tg r o u n df o ral o n gh i s t o r y ，a n di t i sa l s oo n ep o p u l a rm e a n st ob eu s e dt oi m p r o v ef o u n d a t i o nt o d a y m a n yp i l e f o u n d a t i o n sw e r ed a m a g e ds e r i o u s l yd u r i n gt h ep a s tm a j o re a r t h q u a k e s l a r g e a m o u n to fc o s th a v e b e e n p a i d f o rt h e r e m e d y o f p i l e f o u n d a t i o na f t e r e a r t h q u a k e s t h ec o d ef o rs e i s m i cd e s i g no fp i l eo n l ym a d es o m ed e t a i l so fs e i s m i c d e s i g n ，t h el a c ko fg e n d e r s i g n i f i c a n tt e s t i n ga n da n a l y s i sf o u n di nt h er o l eo ft h e e a r t h q u a k e ，t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ef o u n d a t i o na n ds t r u c t u r eo c c u r s oi t i sa s i g n i f i c a n tv a l u ef o rb o t ha c a d e m i ca n dc o n c r e t ep r o j e c tt os t u d yt h es u b j e c to f n u m e r i c a lm o d e l i n go fp i l e - s o i l - s u p e r s t r u c t u r ed y n a m i ci n t e r a c t i o nu n d e rs e i s m i c l o a d i n g b a s e do nt h er e v i e wo fp a s tr e s e a r c hw o r k , as t a t e o f - a r tw i t hr e s p e c tt o p i l e s o i l - s u p e r s t r u c t u r ed y n a m i ci n t e r a c t i o n , w h i c hi n c l u d e sp i l e se a r t h q u a k ed i s a s t e r c h a r a c t e r i s t i c sa n dd a m a g ef o r m s ，p i l e s o i l s t r u c t u r ei n t e r a c t i o na n a l y s i sm e t h o d s ，i s p r e s e n t e df i r s t l y r e s e a r c hf i e l do fp i l e - s o i l - s u p e r s t r u c t u r ed y n a m i ci n t e r a c t i o nu n d e r s e i s m i cl o a d i n gi sac o m p l i c a t e dp r o g r a mi n v o l v i n gm a n ys u b j e c t s ，a n da l s o c o n c e m e db ym a n yd e p a r t m e n m t om e e tt h ed i f f e r e n tr e q u i r e m e n t so fs t r u c t u r e a n t i s e i s m i cd e s i g n ，i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pb o t hr i g o r o u sm o d e la n ds i m p l i f i e d m o d e l b e c a u s eo ft h i s ，w i t ht h em e t h o do fw h o l ed y n a m i cf i n i t ee l e m e n t ，t h es t u d y w i l ls i m p l i f yt h es y s t e mf o rt h eh o r i z o n t a lm o d e l ，t h r o u g hac o m p a r a t i v ea n a l y s i s ， a n de x a m i n e dt h ep i l e s o i l - s t r u c t u r ei n t e r a c t i o ns y s t e mf o rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s a n dl a w sf o rt h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) t h es u i t a b l ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o nf o rp i l e - s o f t - s t r u c t u r ei ss e l e c t e d ，a n dt h e p r a c t i c a la n a l y s i sm o d e lo ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di sa d o p t e di nt h es t u d yo f p i l e s o i l - s t r u c t u r ed y n a m i ci n t e r a c t i o n n ee l a s t i cc o n s t i t u t i v em o d e l i su s e df o rt h e s u p e r s t r u c t u r e ，a n dt h ee l a s t i c - p l a s t i cc o n s t i t u t i v em o d e lb a s e do ud r u c k e r - p r a g e r y i e l dc r i t e r i o ni su s e df o rt h es o i l ，t h e nt h ep a r a m e t e r sf o rt h e s ec o n s t i t u t i v em o d e l s a r ec o m p u t e d t h es o l u t i o no fm o t i o ne q u a t i o n , t h ef i n i t ee l e m e n t ，t h eb o u n d a r yo f s o i l ，t h ed i m e n s i o no fm e s ha n dt h eg r a v i t yl o a do fs y s t e ma r cd i s c u s s e di nt h i sp a p e r ( 2 ) p i l e - s o i ld y n a m i ci n t e r a c t i o nu n d e rt h ed i f f e r e n ts e i s m i cw a v ea n ds i t e c o n d i t i o n s ，m u l t i p l ef a c t o r sa n dl e v e l sp a r a m e t r i cs e n s i t i v i t ya n a l y s i so fp i l e - s o i l s y s t e m ，p i l e s o i ld y n a m i ci n t e r a c t i o n u n d e rs e i s m i c d y n a m i c l o a da n dt h e e l a s t i c p l a s t i cp r o p e r t yo fs o i lh a v e b e e nd i s c u s s e d t h e nu n d e rt h es a m es i t e u l 武汉理工大学硕士学位论文 c o n d i t i o n sa n dt h es a m ep e a kv a l u eo fs e i s m i ca c c e l e r a t e ds p e e d ，t h es e i s m i c r e s p o n s eo ft h ep i l e s o i ld y n a m i ci n t e r a c t i o ni sd i f f e r e n ti ft h es h a p eo ft h es e i s m i c w a v ed i f f e r s t h eh a r d e rt l l eu p p e rs o i li s t h em o r et h ed i s p l a c e m e n ta n da c c e l e r a t e d s p e e do ft h ep i l ea r ed e c r e a s e d b u ti ta f f e c t sl e s st ot h ed e e pp i l e a m o n gt h e s e f a c t o r s ，p i l es o i ls t i f f n e s sr a t i o , p i l es l e n d e r n e s sr a t i oa n de a r t h q u a k ed e s i g nl e v e la r e t a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep i l es o i ls t i f f n e s s r a t i oi st h em o s ts e n s i t i v eo n ea m o n gt h r e ef a c t o r s i nt h es a n l ee l a s t i cp a r a m e t e r so f s o i l ，w h e nt h ee l a s t i c - p l a s t i cp r o p e r t yo fs o i lh a sb e e nc o n s i d e r e d , t h ed i s p l a c e m e n t ， a c c e l e r a t e ds p e e da n dt h es h e a ro ft h ep i l ea r ed e c r e a s e dp r o b a b l y u n d e rt h e h o r i z o n t a ls e i s m i ca c t i o n ，t h es i n g l e - d e c ks o i ld a m a g e dt u r n st ob es h e a r e d ； m u l t i - l a y e r s o i lt l i r n st ob ec u r v e ds c i s s o r s b e c a u s eo fp i l ee x i s t e n c e ，t h e d i s p l a c e m e n t ，a c c e l e r a t e ds p e e do fp i l e s u r r o u n d i n gs o i lw o u l db eg r e a t l yr e d u c e d ( 3 ) i nt h ep i l e - s o i l s u p e r s t r u c t u r ed y n a m i ci n t e r a c t i o na n a l y s i s ，j te m p h a s i z e st h e s e i s m i cr e s p o n s eo nt h ep i l ei nl i q u e f i a b l es i t e w i t ht h ed e e p e n i n go ft h el i q u e f i a b l e s o i l ，t h ei n h e r e n tv i b r a t i o np e r i o d i ct i m e ，p e a kv a l u eo fh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ti nt h e p i l ea n dt h ep e a kv a l u eo fm o m e n ta n ds h e a ro nt h et o po fp i l ea r ei n c r e a s i n g a tt h e m e a n t i m e ，i n f l u e n c eo fs e i s m i cr e s p o n s eo np i l e sd u et op i l e - s u r r o u n d i n gs o i la n d s p a c i n gb e t w e e na d j a c e n tp i l e s w a ss t u d i e d t h e p e a k v a l u eo f h o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n ti nt h ep i l ea p p e a r st ot h et o po fp i l e w h e nt h et h i c k n e s so ft h eu p p e r s o f t s o i ll a y e ri sl i t t l e ，t h ei n t e r n a lf o r c eo ft h ep i l eb o d ya tt h et o po fp i l es e c t i o n w o u l dr e a c ht h em a x i m u mv a l u e w h e nt h et h i c k n e s so ft h eu p p e rs o f ts o i ll a y e r r e a c hac e r t a i n t yv a l u e ，t h ei n t e r n a lf o r c eo ft h ep i l eb o d ya ts o i l - h a r dd e m a r c a t i o n s e c t i o nw o u l dr e a c ht h em a x i m u mv a l u e t h ei n t e m a lf o r c ep e a kv a l u eo fp i l eb o d y w o u l db ed e c r e a s e dw i t hr e d u c i n gs p a c i n go ft h ep i l e a tt h es a m et i m e ，t h e s ei n f e r f o r c eo nt h ep i l es e c t i o na tt h ef i r s tm o v e m e n to ft h es o f ts o i la n dh a r ds o i li sl a r g e l y i n c r e a s i n g w i t hi n c r e a s i n go fs t i f f n e s so fs u p e r s t r u c t u r e 。t h ei n h e r e n t v i b r a t i o n p e r i o d i ct i m ei sd e c r e a s e d , a n dt h ep e a l 【v a l u eo fh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ti nt h ep i l e a n dt h ep e a kv a l u eo fm o m e n ta n ds h e a r0 nt h et o po fp i l ea l ei n c r e a s i n g p i l es o i l s t i f f n e s sr a t i o p i l es l e n d e r n e s sr a t i oa n de a r t h q u a k ed e s i g nl e v e la r ct h et h r e ef a c t o r s o ft h e s e n s i t i v i t y a tl a s t ，t w o d i m e n s i o ns e i s m i ca n dt h ei n t e r a c t i o n h a v eb e e n d i s c u s s e d i ti sd i s c o v e r e dt h a tt h ev a l u eo fd e c r e a s ef o rt h es t o r yd r i f t ，r e l a t i v e d i s p l a c e m e n t ，t h es h e a rf o r c ea n da x i a lf o r c eo fc o l u m na t ed i f f e r e n t s ot h es a m e d e c r e a s eo ft h ev a l u ef o rd i f f e r e n tt h o s ep a r a m e t e r si nt h ec o d ef o rs e i s m i cd e s i g no f b u i l d i n g si sn o tr e a s o n a b l e 武汉理工大学硕士学位论文 i nt h ea n t i s e i s m i cd e s i g no fb u i l d i n g s ，n o to n l ys h o u l dp i l e r a f tf o u n d a t i o n s a n c h o r i n ga n dd e t a i l so fs e i s m i cd e s i g nb en o t i c e d ，b u ta l s os p e c i a la t t e n t i o ns h o u l d b ep a i dt ot h ep i l es e c t i o n sm o m e n to fr e s i s t a n c es t e e la n ds h e a ro fr e s i s t a n c es t e e la t t h ef i r s tm o v e m e n to ft h es o f ts o i la n dh a f ds o i li no r d e rt op r e v e n ti tf r o mc u r v e d s c i s s o r sd a m a g i n g k e y w o r d ：p i l e s o i l - s u p e r s t r u c t u r e ，d y n a m i ci n t e r a c t i o n ，n u m e r i c a lm o d e l i n g ，t i m e h i s t o r ya n a l y s i s ，s e i s m i cr e s p o n s e ，e l a s t i c - p l a s t i c v 武汉理工大学硕士学位论文 第l 章绪论 桩基础是一种历史悠久的基础形式，有关文献资料表明，在人类有历史记 载以前，就已经在地基土条件不良的河谷及洪积地区采用桩基础来建造房屋； 在许多不同文化时期的初期，都可以找到桩基础的房屋。上世纪八十年代初在 智利发掘的文化遗址中所见到的桩，距今大约有1 2 0 0 0 1 4 0 0 0 年。根据历史文 物遗址的发掘揭示，我国最早的桩基础距今大约有7 0 0 0 多年，是在浙江宁波附 近的河姆渡，作为古代干阑式木结构建筑的基础是有圆木桩、方木桩和板桩组 成的桩基础。圆木桩童径在6 8 e m 之间，板桩厚2 4 4 o c m ，宽l o 5 0 c r a ， 木桩均系下部削尖，入土深度最深达1 1 5 e m ，这是最早的桩的雏形。桩基础用于 桥梁，历史也极为悠久。据水经注记载，公元前5 3 2 年在今山西汾水上建 成的三十墩柱木桂粱桥，即为桩柱式桥墩。我国秦代的渭桥、隋朝的郑州超化 寺、五代的杭州湾大海堤、南京的石头城和上海的龙华塔等，都是我国古代桩 基础的典范。十九世纪末，出现了混凝土这种建筑材料，随后大量的钢筋混凝 土桩取代了木桩。随着备种高、大、羹、深建筑物的不断涌现，对地基基础提 出了更高的要求，桩基础以其承载力大、稳定性好、抗震性能优良、适应地基 及荷载类型范围广等特点而得到广泛采用。 工程实践表明：桩基础不仅对建筑物的沉降有明显的改善，而且还可以在 很大程度上提高建筑物的抗倾覆能力。桩基础具有良好的抗震性能，地震作用 下，桩一土的相互作用使建筑物的白振周期延长，从而降低了结构的水平地震 反应。此外，由于桩基础与地基间的摩擦作用瑶j 刍l 吸收一部分地震能量，从而 减轻地震对上郝结构的敲环力，起到一定的隅震棒用。 对桩基础的理论研究可以追溯割一百多年前韵十九饿纪束期，然丽，直到 1 9 7 0 年开始，桩结构的动力特性才被广泛她分析鞠磷究。在过去，人们普遍认 为桩基础是将上部结构的荷载传递给下卧岩屡，但是当结构在受到诸如地震、 大风、波浪等动力荷载作用时，桩基础受到的短期水平荷载也会产生相当大的 影响，个别情况可能成为基础设计的控制因素。在桩一土一结构体系中，最常 见的动力相互作用是桩帽上的机械振动或地震，其中地震作用具有极大的破坏 力。历次世界大地震中，均出现了各类桩基础的严重破坏现象。由于破坏出现 在隐蔽工程中，往往造成对破坏桩基的修复工作非常困难且耗资巨大，有的甚 武汉理工大学硕士学位论文 至4 i 可能修复。 1 1 桩基震害的特点及研究意义 1 1 1 桩基震窖的特点 近几十年的强震观测表明：结构采用桩基础远比无桩基础具有更好的抗震 性能，尽管如此，在历次大地震中仍经常出现桩基础的破坏现象。例如，日本 1 9 4 8 年的福井地震，1 9 5 2 年的十胜冲地震，1 9 6 4 年新泻地震，1 9 6 4 年美国a l a s k a 地震，1 9 7 6 年中国唐山大地震，1 9 8 5 年m e x i c o c i t y 地震，1 9 9 5 年的k o b e 地震， 2 0 0 4 年新泻地震等强震中均出现了桩基础的严重破坏情况。典型的桩基础震害 参考图l l 图卜4 0 1 。 ( a ) 1 9 6 4 年a l a s k a 地震 ( b ) 1 9 9 1 年c o s t ar i c a n 地震 图l 一1 地基液化导致桩基和桥梁的损坏 ( a ) 震后楼房( 1 9 8 5 年m e x i c oc i t y 地震) 图卜2 地基液化导致楼房整体倒塌 图卜31 9 9 5 年k o b e 地震中桩帽脱落 2 武汉理工大学硕士学位论文 图l _ 4 群桩基础的水平剪切破坏( 1 9 6 4 年n i l g a t a 地震) 通过对震害的观察与调查表明，桩基破坏主要是由于地基大幅度运动导致 作用在桩上巨大的运动和惯性力或土体的液化所引起的。地下砂层液化是桩基 础破坏的重要原因之一，地基液化可能导致整体位移过大或倾覆，液化砂层界 面是出现较大弯矩与剪力的危险部位，液化层在中部则弯曲破坏的危险较大。 场地软弱土层交界处刚度突变也容易引起桩身的水平剪切破坏。群桩与桩帽的 连接处也是群桩基础的薄弱处，桩帽脱落或在连接处被剪坏也是常见的桩基震 害现象”1 。常见的桩基破坏形式见图卜5 。 ( a ) 桩头从桩帽处脱落 ( b ) 桩头处剪断( c ) 软硬土分界面处剪断 ( d ) 整体倾斜 ( e ) 横向变形过大( f ) 桩帽破坏 图卜5 地震作用下桩基的破坏形式 j 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 研究背景及意义 新世纪以来，伊朗地震、日本地震、印度洋海啸、台湾地震等地震频繁发 生，在大型重要结构的设计与分析中，地震作为一种特殊的动力作用予以足够 的重视。在结构的抗震设计中，基本的要求是在经济合理的前提下，既不发生 结构的振动破坏，也不产生因地基失效而引起的破坏，并使结构和地基的安全 度大致接近。目前，在建筑物的抗震设计中，对桩基础和上部结构仍然采用分 离设计的方法，即对上部结构和桩基础分别进行设计，上部结构设计中一般不 计入由于桩一土一结构动力相互作用引起地震作用减小的影响。而桩基础设计 一般较少进行抗震计算，仅对较差地基或存在液化士层的低承台桩基进行抗震 验算，验算亦不考虑相互作用。可以看出设计中考虑相互作用的范围很小。这 种设计比较脱离实际，或造成浪费，或由于盲目保守有时并不能保证结构的安 全性，这一点被实际地震中桩基础结构的震害现象所证实。此外，现代土木工 程学科的发展已经由个别构件的分析扩展到对整体结构及其耦联系统的综合控 制。尽管地面结构的计算方法已经研究得很多，但将地面结构与基础介质的条件 综合考虑时，可能会发现整体稳定将成为更加突出的问题。对于桩一土一结构这 一耦联体系的动力相互作用，由于涉及到上部结构、群桩、下覆无限地基等多种 因素，使得这一课题成为结构动力学和土动力学中最为复杂的课题之一，一直引 起结构工程师和岩土工程师的极大兴趣。 在地震作用下，由震源出发、通过场地土传播的地震波输入结构体系使其 振动；同时，结构体系产生的惯性力如同新的震源反过来作用于场地，引起新 的地震动再作用于结构体系，这种现象称之为结构一地基豹动力相互作用 ( s o l 卜s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ，缩写为s s i ) o “”。结构一地基相互作用是一个 结构与地基的运动通过界面发生耦合的复杂动力相互作用问题。通常，结构一 地基相互作用有两方面的含义，一是惯性力引起的相互作用，结构物基础运动 在垂直入射的地震波作用下，是由自由场的地运动和上部结构的惯性力引起的 附加地运动产生：二是运动相互作用，地震动斜向入射时，由于场地的位移受 到约束，在基础与地基交界面上产生约束力，从而影响场地运动，形成运动相 互作用。一般说来可不考虑斜向输入问题，认为结构地基的运动是由自由场的 地运动和惯性力相互作用组成的。 在地震作用下，由于桩和上部结构的存在，地基的运动明显区别于自由场 4 武汉理工大学硕士学位论文 地运动，同时，地基的刚度和阻尼也会影响桩基础和上部结构的受力和变形状 态。研究表明，地震作用下结构一地基相互作用效果( 与刚性地基上的结构相比) 可归结为“”：结构动力特性改变一一自振周期延长，阻尼改变( 一般为增加) ， 振型改变；结构地震反应变化一一内力及弹性位移反应改变；地基运动特性变 化一一接近结构自振频率的分量加强，加速度幅值减少。具体地说来就是：( 1 ) 如果基础尺寸增加，考虑相互作用的基频将会减小，结构的自振周期延长，阻 尼增加；如果基础尺寸减小，那么振幅增加，阻尼减小，响应峰值降低；如果 基础埋置加深，相互作用体系的基频增加，振幅减小，阻尼增加，当埋置到达 一定深度时，阻尼会显著增加。( 2 ) 上部结构的刚度越小，基础的扭转越大，但 是基础扭转相对上部结构的刚度而言仍旧很小，当上部结构刚度较大时，相互 作用体系的频率和阻尼将改变很大，反之则变化很小。( 3 ) 当结构和基础刚度大 时，与邻近结构或基础的相互作用明显。这是一个复杂的动力相互作用过程， 只有运用桩一士一结构动力相互作用的理论，才能比较真实地反映实际工作状 态，也才可能使设计的结构经济合理。 近年来，基于结构功能设计的理论发展很快。在建筑抗震设计中，功能设 计的实质就是要控制结构在未来可能发生的地震作用下其抗震功能不丧失。对 桩一土一结构体系而言，可根据不同的地震设防水准针对建筑结构不同的功能 要求，确定建筑结构设计的功能指标，如延性设计的层间位移指标等。以功能 指标作为设计的目标函数，通过调整桩基与上部结构的刚度分配，改变体系的 自振特性( 周期、阻尼) 和幅频响应特征，控制上部结构所承受的地震作用， 以期合理确定桩基础与结构设计参数，从而优化设计方案，获得最大的经济效 益。 因此，研究桩一土一结构动力相互作用的规律性，提高桩基结构设计的安 全性和可靠性，探求桩基与上部结构联合设计的新方法是当前工程界与学术界 亟待解决的问题。 1 2 桩一土一结构动力相互作用豹研究现状 1 2 1 国外理论研究的现状 早在上世纪初人们就意识到弹性地基振动时对其上部结构所产生的波动影 响，而土一结构相互作用作为一研究课题的成形应始于r e i s s n e r ( 1 9 3 6 ) 通过l a m b 5 武汉理工大学硕士学位论文 解积分而进行的关于刚性圆形基础板在竖向荷载作用下的振动研究“。 j a c o b s o n ( 1 9 3 8 ) 则首先提出了端部嵌固于弹性地基上的伸臂梁模型，并以弹性 恢复力矩来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 ) 对置于半 无限弹性地基上的刚性圆盘稳态振动问题进行了较全面的研究“”“。而在1 9 6 7 年p a r m e l e e 等提出了一种比较合理的土一结构动力相互作用的计算模型，并利 用b y c r o f t 的成果建立了基本运动方程。初步揭示了动力相互作用现象的一些 基本规律，第一次将结构和地基作为互相耦联的体系来研究其在地震作用下的 动力反应“”“。随后，土一结构动力相互作用引起了更多学者的关注，这一时期 的研究主要集中于明嚣或埋置的各种类型的剐性基础板在不厨方向上的振动反 应。值得一提的是，l y s m e r 等“”( 1 9 6 6 ) 通过对基础的竖向谐振分析提出了集中 参数法的概念，由于该法的工程适用方便性，直至现在都还是一种实用的分析 手段，并在实践中不断地得到发展。h a l l 、t h o m s o n 、l u e o 等人对这一方法进行 了推广，小理查得著的 v i b r a t i o no fs o i i sa n df o u n d a t i o n 1 一书是这一 时期该课题的代表作之一。c a r r i e r 和w d “”( 1 9 7 3 ) 则较早地研究了刚性板在非 均质弹性半空间上的动力特性；w o l f 等( 1 9 8 6 ) 则将其发展应用到层状地基的时 域分析中“，这一阶段奠定了土一结构动力相互作用的理论研究基础。进入二十 世纪7 0 年代以后，随着计算机技术的迅速发展为土一结构动力分析的研究提供 了有力的计算工具和手段：同时，由于工程建设的实际需要，也极大地推动了 对动力相互作用问题研究的发展，其研究范围已从最初的核电站反应堆、塔建 筑物扩展到包括高层建筑、海洋石油平台、桥粱、水坝以及特种结构等大型土 木工程中来，动力相互作用的计算模型及分析方法也逐步得到完善，取得了很 多重要的成果。其目的也由开始的着重上部结构地震性能反应的单控研究，发 展到对土、基础和上部结构三位一体的多控性能研究。f a e 1 l a 和n o v a k “”( 1 9 8 0 ) 在考察了置有旋转涡轮的桩承空间框架结构的动力特性。并通过实例计算表明， 尽管在高频段的土一结构相互作用效应不明显，但却显著地增大了低频共振区的 反应幅值；因此，一般从静态承载能力的角度来确定桩基型式并在充分理解 其静态行为的基础上，还应对桩一承台一动力机器的接体动力行为有足够的评估。 6 u p t a 和p e n z i e n 1 ( 1 9 8 2 ) 在综合了基于频域阻抗分析的子结构法和有限单元法 在对模拟半无限介质的各自优势的基础上，以求解近域与远域半球接触面的离 散阻抗函数为切入点，建立了可进行动力非线性分析的混合时频法。基于 b y c r o f t 给出的初步解答，l u c o 和w o n g “”( 1 9 8 7 ) 通过边界积分方法得到了以不 6 武汉理工大学硕士学位论文 同入射波情形下层状粘弹性半空间中基础的输入运动向量，并与均质弹性半空 间中的埋置刚性半球和柱体基础动力反应解进行了数值比较。m i t a “( 1 9 8 9 ) 利 用混合边界元法求解了弹性半空间上的方形块体埋置基础的三维动力阻抗，基 于埋深比的影响给出了其与圆柱实体基础阻抗之间等效应用的范围。此后，其 与l u c o 等1 ( 1 9 8 9 ) 在此基础上给出了埋深半宽比为l 3 3 2 的刚性方形基础， 在具有不同泊松比定义的土介质中的阻抗数值结果的图表型式；同时还考察了 竖直入射p 、s h 波以及水平入射s h 波对埋置基础的有效输入，其得出的在低频 下基础输入与无基础时的自由场运动几乎是吻合的，这与k ef a n 等人的关于无 质量带桩刚性承台的地震输入可以简化视为同位置处的自由域运动的结论是 一致的。t z o n g o ”( 1 9 8 6 ) 基于p e n z i e n 的边界混合子结构法研究了均质半空间上 覆单层近域土与实体基础的动力作用问题，采用频域内的虚功原理导出了远域 阻抗函数，并以此来反映体系在二维分布动力荷载下的动力特性，通过数值计 算表明阻抗函数与交界面两侧的波速比有较大相关性，丽与假定近域半球径与 基础半宽比相关较小；该法除了能有效模拟土体中能量辐射和反射，还能推广 应用到远场及近域层状土的情形，相比有限元法而言，划分单元数目大为减少。 在h a ll 等o ”人的基础上，g z a d e h 和f c h a p e l 等1 ( 1 9 8 3 ) 提出了通过估计土一 结构体系基频来计算与频率无关的动阻抗思想，认为基于均匀半空间圆盘基础 的s w a y in g r o c k i n g 反应模型应用时程法求解时。应扩大动力参数范围来寻求 考虑结构参与作用后的合理常阻抗值以消除误差。j e a n 和l i n 等汹3 ( 1 9 9 0 ) 利用 复形无约束极值优化方法得到两质点的l o 参数等效模型来简化描述了频率无关 的半空间介质对基础的阻抗作用，在实践中可应用于时域中的线性以及非线 性体系的共同作用。w h w u 和h a s m i t h 等( ( 1 9 9 5 ) 提出模态s s i 修正因子 的概念，有效地将模态叠加法应用于士一结构动力相互作用的频域分析中，计算 表明，该法具有相当的糟度且计算工作量明显较直接积分法少。常觏的桩一土一 结构相互作用分析大多采用刚体和惯性共同作用的多步迭代来处理，但这种纯 有限元方法是比较耗时的，j g u i n 和p k b a n e r j e e t 等。”( 1 9 9 8 ) 利用有限元一 边界元混合方法，对基础面以上运用频域内的动力子结构法，而采用等效线性 方法来计算自由场地震反应，该法既可计算整体式桩筏基础、也可用于分离式 桥墩基础的动力反应分析，从而进一步显示了边界元法在该领域的广阔前景。 为了克服弹簧一阻尼的文克尔假定在模拟土性态的不合理性，y x c a i 等。”( 2 0 0 0 ) 基于h i s s 模拟了循环荷载下土的弹塑性性质，并将其引入到桩一土一结构的三维 武汉理t 大学硕士学位论文 动力有限元领域，从而第一次从岩土工程和结构工程的双重重要性角度考察了 结构和桩一土系统的抗震性能。而在实际工程设计方面，也有不少有价值的研究 应用：s t e w a r t 等。“嘲( 1 9 9 9 ) 利用系统验证方法对包含有不同结构类型和地质条 件的5 7 种建筑场地进行了多达7 7 个强震记录情形下的土一结构体系分析，认为 进行相互作用分析与否主要受第一模态的周期比率和基础的阻尼因子两个因素 控制，其结构体型高宽比、基础的形状、埋深以及剐度为次要影响，并根据大 量实测数据给出了上下限值，该成果对于a t c 一3 中的规定给予了实践上的补充， 但由于其理论分析中忽略了结构与土的剐体动力相互作用效应，而仅考虑了上 下部的惯性相互效应，故结果对于具有较大刚性的深埋基础的适用性有待商榷。 a h n 和g o u l d 。”“( 1 9 9 2 ) 运用有限单元法分析了考虑基底较层对桩承结构隔震效 果的共同作用，认为埋置于非