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土—结构相互作用地震反应研究的文献综述（长春工程学院2012级硕士研究生结构工程李斌）内容提要：大量的研究结果表明：考虑土与结构的相互作用后，一般来说，结构的地震荷载将减少，但将增加结构的位移和由P-Derta效应产生的附加力。但土体的性质是复杂的，土与结构相互作用下，有时求得地震力反而会增大。按传统的刚性地基假定计算出的地震荷载进行抗震设计并非总是偏于安全。本文总结了部分研究者们对土—结构相互作用地震反应研究方面的内容，对学习结构设计有所帮助。一、概述由于地基的索性和无限性。使得按刚性地基假定计算出来的结构动力特性和动力反应与将地基和结构作为一个整体计算出来的结果有所不同；由于将地基与结构作为一个体系进行分析。使得输入地震动的特性与刚性地基假定的也有所不同。这些差别就是由土与结构动力相互作用引起的。地基土与结构相互作用表现在两个方面,即地基运动的改变和结构动力特性的改变[1]。中国地震局工程力学研究所的窦立军博士在研究土与结构相互作用时提出[2]：上部结构振动的反馈作用改变了地基运动的频谱组成,使接近建筑结构自振频率的分量获得加强。同时,地基的加速度幅值也较邻近自由场地小。而地基的柔性改变了上部结构物的动力特性:结构的基本周期得以延长,基本周期可延长10%—150%。由于地基的无限性，使结构的振动能量部分通过波传播向无限地基发生散射，形成了能量幅射，相当于结构体系的阻尼增大。同时，考虑土一结构动力相互作用的结构位移是由基础平移、基础转动和结构本身变形三部分组成的，与刚性地基假设计算结果相比，结构顶点位移一般都相应地增大。结构刚度越大，场地越软，结构顶点的位移增大得越多。影响土与结构相互作用效应的主要因素有：（1）入射地震波的特性和入射角度；（2）土的动力特性、土层的厚度及土层的排列顺序；（3）基础的形式及埋置深度；（4）基础的平面形状和抗弯刚度；（5）结构的动力特性和相对高度。二、土与结构相互作用的研究现况进入70年代后，由于数值计算理论和计算机技术的发展，以及一些重大工程的相继修建，推动了土与结构动力相互作用问题研究的迅速发展。这一阶段在理论计算上主要以数值方法为主，分析方法也从整体分析的直接法发展到将土、结构分别进行分析的子结构法。与结构共同作用，尽管已有一些比较成熟的计算方法，但不能说这一问题已圆满解决，特别是接触面的处理方法，随着近年来土工合成材料和锚碇加固技术的大量应用，这方面新出现和需要解决的问题很多。美国亚利桑那州大学Desai教授认为，两种材料接触面剪应力传递和剪切带的形成均发生在接触面附近的一薄层土体中，从而提出薄层单元的概念，用于模拟土与结构物接触面及岩石节理的粘接、滑动、张开和闭合等各种接触状态。清华大学水利水电工程系讲师胡黎明，进行了系统的土与结构物接触面的直剪试验，研究了接触面力学性质和变形机理，根据试验结果，建立了描述接触面应变软化和剪胀现象的损伤力学模型和一个能够反映接触面变形机理和力学特性的接触面损伤模型，验证和分析了土与结构相互作用问题的合理性和有效性。河海大学博导殷宗泽提出了接触面单元的变形由两部分组成，一部分是土体的基本变形，其变形特性与周围土体单元相同；另一部分是接触面上的破坏变形，包括滑动破坏和拉裂破坏，总的变形是两者的叠加。河海大学岩土工程研究所副所长卢廷浩提出了接触面薄层单元耦合本构模型，来反映剪切错动带的应力应变特征，更恰当地模拟土与结构的相互作用。国内也进行了粗粒土与结构接触面的单调和往返剪切试验，研究了接触面的剪胀特性，利用改进的直剪仪进行了砂土与结构物的接触面剪切试验，研究了不同接触面相对粗糙度对接触面物理力学性质的影响；并通过数字照相技术记录了接触面附近砂土颗粒的位移情况，分析了土与结构物接触面剪切破坏的变形机理。对于土与结构间接触面，将非线性弹性理论与弹塑性理论相结合，提出了一种非线性弹性—理想塑性模型，用于模拟土与结构相互作用体系的变形与破坏机理。另外，进行土—桩基—结构相互作用体系的计算分析，以结构—地基动力相互作用振动台模型试验为基础，结合通用有限元软件ANSYS，考虑土和结构物的动力相互作用，通过假定桩土接触面薄层单元本构关系特征，人为地在两种不同材料交界面上引入一种位移间断面，并采用有限元方法将其位移及刚度反应到桩土子结构中。计算中土体采用等效线性模型,利用面—面接触单元，考虑土体与结构交界面的状态非线性。三、土与结构相互作用的研究方法研究土与结构相互作用按不同的划分有着各种研究方法，本文只介绍按求解区划分的直接法与子结构法。直接法是在结构物下挖出足够大的地基，并将结构物和地基视为一个整体，地震波从地基下边界输入，然后直接计算结构和地基的地震反应。此法多用有限元法求解，其优点是可以真实地模拟结构和地基介质的力学性质、复杂的几何形状和荷载的任意性，使许多复杂的特殊问题得到合理的解决。缺点是占用计算机内存大、费机时，还需输人地下的地震波。此外，在实际运用时，往往由于难以给出既详细又精确的地基土参数值，从而形成计算方法精确与计算参数粗糙的矛盾，所得到的计算结果也貌似精确而实则粗糙。子结构法是将土与结构分为两个子结构，并分别列出它们的运动方程，然后通过结构和土交界面上力的平衡和位移相容条件将二者联系起来求解。可直接使用自由场地表地震波作为输人地震荷载。子结构法又分简单子结构法与一般子结构法。两种方法的基本概念和计算步骤一致，区别在于对基础以及基础与土接触面之间的位移假设不同,故其计算工作显和适用范围也不同。一般子结构法可以分析埋入式结构、相邻结构的影响及复杂地基情况等,基础不必假定为刚体,并可进行多点地震荷载输人。简单子结构法的数学模型是将上部结构离散化为由弹性杆联接的多个质点的悬臂结构,而土本身作为弹性半空间,基础则理想化为在弹性半空间表面上的一块无质量的刚性圆盘。简单子结构法对于在土质均匀、土层较厚的地基上建造的毯础埋深不大的建筑物与其相互作用的分析,无疑是一个便于工程技术人员掌握使用的简单有效方法。许多学者如Hadjian，Hall，Novak，Bielak，Veletsos等人的研究表明:在大多数情况下用弹性半空间的集中参数法(即简单子结构法)计算土与结构相互作用效应能获得足够精确的结果，地基土和结构动力参数的变化、分层地基土、覆盖层有限厚度及基础埋深的影响都能适当加以考虑。四、土与结构抗震分析五、研究展望利用土与结构动力相互作用振动台模型试验数据，通过各种试验情况下土层表面与基础表面加速度反应的比较，深入探讨土与结构动力相互作用效应对高层建筑结构基底地震动的影响。SSI（土与结构动力相互作用）效应，对高层建筑基底地震动的影响与输入地震波的动力特性有很大关系.在地震动的频谱成分方面，SSI效应对高层建筑基底地震动的影响主要体现为土层表面和基础表面在与输入地震动卓越频率相近处的频谱成分有较大差异；SSI效应对高层建筑基底地震动的影响程度随着输入加速度峰值水平的增加而减小；在某一特定地震波作用下,当上部结构的振动频率与地震地面运动的卓越频率相近时，SSI效应对高层建筑基底地震动的影响较为强烈。在室内软土动力试验和有限元有效应力动力分析方法的基础上，引进了可靠度理论，提出了考虑土—结构相互作用的软土地层中地下建筑物抗震稳定可靠性分析的方法，考虑地震烈度和不同软弱土层对地下建筑物抗震稳定的影响。涉及结构和周围土体的动应力,选用多条强震地震记录输入时程，周围土体的孔隙水压力、震陷及车站结构和周围土体的动力可靠度，引进可靠度理论提出考虑土—结构相互作用的软土地层中地下建筑物抗震稳定可靠性的分析方法，同时考虑不同软弱土层对地下建筑物抗震稳定的影响。进行了土—结构—TMD体系振动台模型试验与数值模拟对比研究，将地基土、上部结构和调谐质量阻尼器(TMD)组合成4种结构体系,在同一地震激励下，分别对其进行振动台试验。运用土与结构动力相互作用三维有限元分析软件SASSI2000对4种结构体系分别建立模型，并对各种试验情况下的结构地震反应进行了数值模拟计算。计算中,采用三维八结点实体单元模拟结构的基础部分,每个结点有3个自由度；上部结构采用集中质量模型;采用等效线性化模型考虑土的动力非线性影响。近来的大地震灾害以及国际研究动态表明，土一地基一结构系统的地震性态远没有认识充分,是许多工程上亟待解决的问题。一方面，土体做为建筑结构的地基，以及土坝、码头、岸堤、挡土墙等土工构筑物和天然边坡的材料，其大变形对结构的地震破坏影响非常大，在很多情况下甚至起决定作用；另一方面，场地和土体做为地震波的传播媒介，其柔性对强地震动也有很大影响，是学科发展和工程需要解决的核心问题。从土结构相互作用分析中，重点应考虑土体柔性效应，搞清相互作用对土体和结构振动的影响，以及相互作用对土体和结构变形的效应，其中土体的非线性和变形效应，以及土结构相互作用分析方法的研究是重点考虑的问题。必须十分重视土的大变形动力特性分析，尤其是对如软弱土、垃圾土、改良土、海洋土、冻土、加筋土、非饱和土等土类；大力发展地基液化和震陷对工程结构危害性的分析方法和实验技术的研究，以确定土体对地震动的作用以及土体变形和失稳对工程结构的影响，同时应加强土体地震反应分析方法的研究。近年来，国际上也把随机荷载作用下土的动力特性研究，作为一个重要的研究方向。