地基-桩(箱)基-上部结构动力相互作用研究

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目前的结构抗震设计一般采用地面刚性假定,以邻近自由场地面运动作为地震动输入。对于建立在基岩或坚实场地上的结构,这种刚性地基假定是合理的。然而,在实际地震过程中,上部结构与地基之间存在相互作用,当地基较为软弱时,相互作用将使结构动力反应发生相当大的变化。在这种情况下基于刚性基底假定的结构抗震设计将导致不合理的结果。 当采用子结构法分析土.结构动力相互作用问题时,基础阻抗的研究是一个关键问题。有限元法适用于解决各种复杂边界条件下的基础动力阻抗问题,并可以为一些近似方法提供校准和验证的依据。为解决有限元动力分析时,波向无穷远处的辐射条件,本文提出一种简化粘弹性边界,它可以解决粘性边界的低频稳定性问题。由于该边界非常简单,只需要设置一层普通单元,通过合理确定材料常数便可容易在现有的有限元软件上实现,因此将有广泛的工程应用前景。 建于较软弱场地的高层建筑多采用桩.箱(地下室)基础形式,因此,群桩基础和桩.箱基础的动力阻抗研究是本文的一个重点。本文采用动力Winkler地基梁模型研究桩基动力阻抗,通过与有限元结果的对比,研究了不同场地条件下(弹性半空间、分层土、土模量随深度线性增大),静力和动力Winkler模量的取值,并提出了一种计算桩基水平动力阻抗的等效化法。采用单桩动力阻抗结合动力相互作用因子计算群桩动力阻抗,推导了分层土中计算竖向和水平向动力相互作用因子的计算公式,并指出计算竖向动力相互作用因子时也应该考虑被动桩的振动,并给出均匀土中竖向动力相互作用因子的解析式。 有限元分析结果表明,桩.土.箱动力相互作用在工程抗震所关心的低频段与频率的相关性并不明显,因此可以近似采用桩-箱的静力相互作用关系代替动力相互作用关系来计算桩.箱基础动力阻抗。本文给出了考虑桩.土.承台(箱基)相互作用的桩.承台(箱基)体系水平、摇摆和水平.摇摆耦合动力阻抗的简化计算方法。 运动相互作用也是土.结构动力相互作用研究的一个重要方面。本文采用有限元法研究了埋深比较小的埋置基础在垂直入射SH波作用下的基础输入运动,并提出简化计算公式。 本文建立多维地震动输入下考虑土一结构动力相互作用的刚性基础一上部结构动力平衡方程,并以一个实际工程为算例,分别研究了运动相互作用和惯性相互作用对高层建筑结构动力反应的影响。采用等效线性化法研究了场地土非线性的影响及土一结构动力相互作用对较规则结构平一扭耦联反应的影响。研究结果表明,考虑土-结构动力相互作用并不总是减小结构动力反应,这与上部结构自身动力特 性(自振频率、振型和阻尼比)、阻抗函数以及输入地震动频谱特性等诸多因素有关,因此采用刚性基底假定的结构设计并不总是偏安全;考虑土体非线性一般可以减小上部结构动力反应;土-结构动力相互作用一般可以减小较规则结构的平-扭耦联反应。
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