长期以来,建筑结构抗震设计中的地震反应分析多采用刚性地基假定,计算模型仅考虑上部结构,地震动输入采用自由场的地表地震动。当基础刚度很大而上部结构刚度很小时,这种假定在工程精度范围内是合理的,但当建筑物刚度与基础刚度较为接近或相差不大时,这种假定对上部结构的反应将产生较大的误差。超高层建筑结构体系复杂、体量庞大、重量巨大,若建造于软土或深厚土层地基之上,再沿用刚性地基假定,不考虑上下部的相互作用影响则不甚合理,会和实际情况有较大的出入。上部结构、基础和地基是一个统一的有机整体,三者相互联系、相互影响。近些年来,随着核电站、超高层建筑物、200m~300m高的水电站大坝、海洋平台等重大工程的设计和建设,上下部的动力相互作用问题已成为许多重大工程中一个关键的科学问题。本文对土-结构动力相互作用的研究背景、分析方法、历史现状及存在的一些问题进行了系统的归纳和总结。以实际工程项目—陕西省信息大厦为研究背景,建立了刚性地基和考虑相互作用两种情况下的有限元精细模型,并根据筒体结构受力特点,推导建立了与筒体结构等效的宏观简化模型。同时,基于ANSYS分别对信息大厦的精细模型和宏观简化模型在刚性基础和相互作用体系下进行了模态分析和时程分析,通过比较上部结构在内力、位移等地震反应上的差异,探讨了考虑相互作用后的影响。本文的主要内容和结论如下:(1)选择了适合本文进行土-结构动力相互作用研究的材料本构关系。上部结构采用线弹性本构模型,下部群桩基础引用了桩土等效复合体模型,分析了将桩土等效复合体视为横观各向同性体的本构关系,确定了相应的弹性常数。(2)针对土-结构动力相互作用研究中地基辐射阻尼的存在,在对无限地基进行有限域模拟时,引入人工边界。基于ANSYS对APDL语言二次开发,实现了三维粘弹性人工边界在有限元程序中的应用。(3)提出并建立了筒体结构的宏观简化模型。将信息大厦筒体结构整体上视为嵌固于基础上的竖向悬臂梁,按变刚度的Timoshenko梁处理。利用自编的有限元法专用程序,对筒体结构的3个综合参数进行了识别研究。通过识别的参数建立了与信息大厦筒体结构在质量和刚度上等效的悬臂梁宏观简化模型。(4)针对信息大厦有限元的精细模型和宏观简化模型,在刚性地基和考虑相互作用两种情况下进行模态分析。通过对比两个水平主轴方向X、Y的前三阶频率和相应振型图,从两者较好的吻合性上验证了宏观简化模型建立的合理性。同时,探讨了考虑相互作用后结构动力特性的变化,即自振周期延长,振型发生改变。(5)针对信息大厦有限元的精细模型和宏观简化模型,通过刚性地基假定下的时程分析,比较两者在位移、时程等方面的地震反应,说明两者具有一定的吻合性,证明利用本文所建立的宏观简化模型是可行的。(6)对信息大厦的土层进行自由场的地震反应分析,输入不同类型且不同加速度峰值的地震波,通过加速度时程及傅立叶谱图的比较,体现了土层对地震波的滤波和放大作用。(7)针对信息大厦有限元的宏观简化模型,选择经由自由场反演有限元模型边界“基底”处的地震动参数作为输入,进行其在考虑相互作用情况下的时程分析,并与刚性地基情况下的分析进行比较,发现考虑相互作用后,各楼层最大位移有所增大;层间最大位移有所减小;各层最大加速度减小明显,且峰值出现时刻普遍滞后;各楼层最大剪力和弯矩均有不同程度的减小。通过对比分析上述结构地震反应的差异,对结果的规律性作了总结和归纳,认为此类结构在地震作用下,相互作用的影响不容忽略,为工程设计提供了一定的参考。