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土-结相互作用Soil-structure（dynamic）interaction工程力学黄灿基本概念1简化模型2SSSI概述3土-结构动力相互作用的几个基本概念1上部结构输入土层基岩（a）原型结构在刚性地基假定下不存在地基土层与上部结构相互作用问题。地震时基岩运动通过地基土层传播到基底激起上部结构运动。如果地基土层较坚硬可作为刚体看待,则土层内各点地震动与基岩的相同,向上部结构输入的地震动与基岩地震动也相同。基岩输入土层上部结构（b）未考虑土-结相互作用一是土层内各点的地震反应的最大值与基岩相应量的最大值不同。输出由于土体是一种变形体,地震时土层内各点的地震反应的时程曲线与基岩地震运动的时程曲线有明显不同。另外土层内各点地震动所含的频率成分与基岩地震动的不同。基岩输入土层上部结构（b）未考虑土-结相互作用由于上部结构对地基土层的反作用没有包括进去,虽然地基土层作为变形体被考虑了,但是没有把地基土层与上部结构这两个事实上联结在一起的对象作为一个交联体系来考虑,它们之间的相互作用不能完全考虑。输出在刚性地基假定下将该地震动作为上部结构的基底输入,则这种处理方式的计算简图如图(b)所示。（c）考虑土-结相互作用输入基岩上部结构土层图(c)能够完全考虑地基土层与上部结构之间的相互作用。因为在这个体系中,将地基土层与上部结构作为一个整体来考虑了。由于地基的柔性和地基的无限性造成在相同的地震动输入条件下,按建筑物-地基系统计算出的建筑物反应与刚性地基上建筑物的反应之间的差异。如由上部结构-桩筏基-土构成的体系,考虑桩侧土的摩擦力、筏板底面土体的弹性支承力对抵抗竖向静荷载的贡献问题属静力相互作用问题。将建筑物及其基础假设为无质量时所得到的地震动输入与自由场的地震动输入的差别。土—结相互作用静力动力运动惯性动力相互作用土-结相互作用叠加原理土-结动力相互作用问题的研究内容自由场地地震反应分析问题建筑物基础的地震反应或地震动的散射问题土-结动力相互作用体系建模问题分析方法问题土-结动力相互作用体系地震动输入问题上部结构的地震反应分析问题土-结动力相互作用研究成果的工程应用问题土-结构动力相互作用研究的发展过程第一阶段：初级发展阶段第二阶段：理论与计算方法等发展、提高阶段第三阶段：深化发展阶段1904Lamb对弹性地基振动问题的分析。1936Reissn研究了刚性圆形基础板在竖向荷载作用下的振动问题（基础振动问题的Reissner理论）。奠定基础20世纪50年代获得了圆形和矩形基础在应力边值条件下的平移、摆动和扭转振动的瞬态和稳态解析解。1967Parmele提出了比较合理的土-结构动力相互作用的计算模型，将结构和基础作为互相耦连的体系来研究其在地震作用下的动力反应。第一阶段：初级发展阶段揭示规律第二阶段：理论与计算方法等发展、提高阶段从1972年在罗马召开的第五届世界地震工程会议开始，土-结构动力相互作用问题都作为历届会议的一个专题进行讨论，有关土-结构动力相互作用问题的研究论文也大量出，土-结构动力相互作用问题已成为一个异常活跃的研究领域。20世纪70年代以后，由于数值计算理论和计算机技术的发展为各种复杂工程结构物考虑土-结构动力相互作用的分析提供了手段。将有限元法、边界元法综合应用的混合元法使土-结构动力相互作用的求解范围得到进一步拓展。第三阶段：深化发展阶段近年来，非线性分析已经成为研究的主流方向，在继续进行各种理论分析方法研究的同时，模型试验研究和原型测试的分析研究也日益受到各国学者的关注，并有可能成为土-结构动力相互作用研究的新一轮热点。发展趋势(1)计算模型的深入研究(2)非线性土-结构动力相互作用(3)大比例尺模型的现场试验的强震观测(4)参数和地震激励的随机性对土-结构动相互作用的影响(5)土-结构动力相作用对地基稳定的影响(6)土-结动力相互作用对结构主、被动控制的影响简化模型SR模型(Swing-RockingModel)模型1为提高该模型高振型的分析精度,可将水平、转动弹簧刚度作为频率的函数,将部分地基土作为参振质量加到基础上予以考虑。该模型虽然应用了叠加原理,但场地土只能在线性范围内考虑。由于该模型简单、实用,仍不失为一种有效方法。SR模型SR模型在结构基础部位设置与基础水平位移和转动有关的水平弹簧和转动弹簧。主要用于了解土-结构动力相互作用对上部结构地震反应的影响。该模型基础处的输入地震动即为自由场地表面的加速度反应。有限元模型模型2地震动可在自由场地任一深度处输入。将土单元底部边界改用粘性边界(日本:奥田光男、T.K.Udaka、多田和美等)可减少土层计算深度,节省计算单元。该模型适用于复杂的结构形式和场地条件,有利于处理不规则的场问题及非线性问题,且有较好的解的稳定性和收敛性。但要求计算机的容量大,消耗机时多,输入数据准备工作量大。有限元模型上部结构为梁元组成的框架,质量集中在各个节点。结构下地基土部分采用平面应变单元,其左右两侧用能量传递边界反应地震能量向自由场地的逸散效果;面外用附加粘性边界模拟场地土的三次元效果,地面为刚性边界。子结构模型模型3子结构模型在频域可方便地用于阻抗函数法,处理线性地震反应分析;在时域可用于线性和非线性地震反应分析。该方法可节省一半的计算机内存空间,计算速度较前述有限元法明显提高。但其输入数据准备工作量仍较大。子结构模型该方法将上部结构与地基在基础面处分为两个子结构,分别研究其反应,利用边界连续条件将两个子结构在它们的接触面处联系起来。早期对土-结动力相互作用的研究大多采用此法,目前该方法已能应用于三维地震动输入下的结构地震反应分析。有限元模型集中质量模型模型4集中质量模型简化分析模型结构-土-结构相互作用structure-soil-structureinteraction=44楼梦麟（同济大学）IntroductionInsuchcircumstances,dynamicinteractionsamongbuildingstructuresexistviaradiationenergyemittedfromavibratingstructuretootherstructures.Hencethedynamicalcharacteristicsaswellastheearthquakeresponsecharacteristicsofastructureareunabletobeisolatedfromthoseofadjacentstructures.Thus,theinteractionsbetweenneighboringbuildingshavetobeinvestigated.Asinametropolis,likeKobeinJapan,buildingstructuresarebuiltclosetoeachotheronsoftsoildeposit.Whenthereismorethanonestructureinthemedium,becauseofinterferenceofthestructuralresponsesthroughsoil,thesoil-structureproblemevolvestoacross-interactionproblembetweenmultiplestructures.Investigationsofsoil-structureinteractionhaveshownthatthedynamicresponseofastructuresupportedonflexiblesoilmaydiffersignificantlyfromthatwhensupportedonarigidbase.Oneoftheimportantreasonsforthisdifferenceisthatpartofthevibrationalenergyofaflexiblymountedstructureisdissipatedbyradiationofstresswavesinthesupportingmediumandbyhysteresisofthemediumitself.Analyticalmethodstocalculatethedynamicsoil-structureinteractioneffectsarewellestablished.Structure-soil-structureinteraction(SSSI),putforwardinrecentdecades,referstothedynamicinteractionprobleminamulti-structuresystemthroughsoilhorizon.Itisalsocalleddynamiccrossinteraction(DCI),inliteratureaboutnuclearpowerplant(NPP).InNPPcalledDCIHistoryandstatusofSSSIThethrough-the-soilcouplingoffoundationswasfirstintroducedbyWhitmanin1969asanimportantproblemrequiringstudy.Theensuingperiodof1970sistheinitialphaseofstudyofSSSI.whereasthestartofSSSIstudyshouldbetheworkofRichardsonandhisco-workersbetween1969and1972.ThemarkofthebeginningofSSIstudyisthetheoryaboutvibrationalfoundationproposedbyReissnerin1936;recentdecadesRapidprogressofSSSIresearchinrecentdecadeswasjuststimulatedbytheneedsofthenuclearpower,whichwasgeneratedfromNPPwhereareactorbuildingwasalwaysadjacenttoaturbinebuildingandacontrolbuilding.TheSSSIeffectshouldbeconsideredasoneofthedynamiccharacteristicsofNPPbuildingsiftheeffectistoolargetoignore.Meanwhile,thedifferenceindynamiccharacteristicsofNPPbuildingsaffectsnotonlytheaseismicperformanceofthebuildingsthemselvesbutalsotheequipmentassociatedwithNPPsafety.Experimentationisanimportantmeanforscientistsandengineerstoimprovehumans'knowledgeaboutthenaturelaw.ThefirstexperimentaboutSSSIoccurredinFuchinobedistrict,KanagawaPrefectureonthewestofTokyo,inJapan.Toevaluatethiseffect,theNuclearPowerEngineeringCorporation(NUPEC)plannedandcarriedoutfieldandlaboratorytests,named“ModelTestonDynamicCrossInteractionEffectofAdjacentStructures”,underacomm