对高层建筑土-结构动力相互作用体系的探讨

黄 斌

(华南理工大学土木与交通学院,广东 广州 510640)

对历次地震震害的调查和分析表明,建筑物的上部结构和下部基础的震害和地基条件密切相关,如软土地基会对长周期地震动起放大作用、地面加速度峰值与场地条件相关以及地基液化会加剧建筑物震害等等。一般来说,采用刚性地基的假定会得到比较保守的结构设计,但在某些条件下,软土地基上由于土-结构动力相互作用而使结构的振动周期延长,可能使上部结构的振动频率接近于场地土的卓越频率而产生共振现象,反而加剧了震害。因此,对软土地基上的高层建筑,有必要将地基基础和上部结构视为整体进行土-结构动力相互作用的研究。

采用刚性地基的假定和考虑土-结构动力相互作用的分析模型相比,两者至少有三个方面的区别[1,2]:

(1)由于建筑物结构的存在,结构基础所接受到的地震动输入大小及其空间分布不同于自由场情况;

(2)由于地基的柔性,结构的基本周期延长,且自振周期的延长系数一般在 1～1.2范围内,很少超过 1.25。此外高层建筑地震作用下的摇摆分量可以导致基础的摆动;

(3)由于地基的无限性,结构的振动能量以辐射波的形式向无限地基逸散,形成辐射阻尼。同时,也有部分振动能量通过材料的阻尼作用耗散。

1 土-结构动力相互作用研究方法简介

土-结构动力相互作用的研究方法[2]有理论方法和试验方法两种,其中试验方法又分为现场试验、离心机模型试验和振动台模型试验。由于问题的复杂性,目前的试验研究并不多见。本文主要对理论研究的方法进行介绍,包括整体分析法、子结构分析法、集总参数法等。

1.1 整体分析法

整体分析法就是将土、基础和结构看成一个整体考虑得到地基和结构的地震响应。当采用时域逐步积分时,可以考虑地基土的非线性。常用的整体分析法有有限元法、边界元法、无限元法等。

(1)有限元法

理论上有限元可以模拟有限区域介质内的波动问题。但是有限元法有两个主要的缺点:①单元网格尺寸受输入地震波频谱成分的影响,往往要将单元划分得很细,增加了工作量;②需要引入人工边界对无限的地基做适当的模拟。人工边界有多种,这里不再阐述。随着计算机性能的发展,有限元法将会得到广泛的应用。

(2)边界元法

边界元法应用 Green定理,通过基本解将支配物理现象的域内微分方程变换成边界上的积分方程,然后在边界上离散化数值求解。边界元法的基本解满足无穷远处的辐射条件,无需引入人工边界,因此该方法在岩土领域得到了广泛应用。

(3)无限元法

无限元法是一种半解析半数值方法。其做法是:将无限地基和结构接触的部分划分为有限单元网格,其余部分划分为伸向无穷远处的无限元,无限元的形函数用一个插值函数和一个适当选取的衰减函数来构造。

此外,也可以将上述方法进行组合求解。

1.2 子结构分析法

将结构—地基体系分成无限地基和结构两个子结构考虑,其中结构又可以根据需要分成几个更小的子结构,各个子结构部分通过接触面的力和位移的连续性条件求解。子结构法可以对每个子结构独立求解,且计算量较小,但由于子结构法应用了叠加原理,故理论上不能用于非线性分析。此外,由于子结构法无法直接获得土体中位移与应力场,因而无法用于土-结构动力相互作用对地基稳定性影响的研究。

1.3 集总参数法

集总参数法将地基土简化为弹簧—阻尼—质量系统。该方法物理概念清晰,应用简便,但在非均匀、非线性等复杂地基时不能适用。

此外,还有在土-结构动力相互作用分析中考虑孔隙水压力对土体动力特性影响的有效应力法[4],其作用机理复杂,还需要做进一步的探索。

2 土-结构动力相互作用的简化算法

由于土-结构动力相互的研究成果比较复杂,难以在工程中应用,许多国家的抗震规范给出了简化算法[3]:美国抗震规范给出了简化的计算法;法国抗震规范规定 3.112—15规定深基础时地震力为浅基础的 0.90倍,即折减系数为0.90;希腊规定为深基础时地震力为浅基础的 0.83～0.91倍;中国抗震设计规范也有相应的考虑。采用尽可能简化的方法来考虑土-结构动力相互的影响是工程界所关心的问题。

简化算法基于单质点体系或者以第一振型为主的高层建筑模型,对结构的周期和阻尼做一定的调整,以考虑动力相互作用的影响。常用的简化方法有MV法、MB法、ATC法和BSSC法。文献[1]对各种简化方法的计算结果和振动台试验结果进行对比分析,指出了各种方法的不足之处并且进行了改进,并将新的计算结果和振动台试验结果对比,取得了满意的结果。

但是,文献[3]指出,各国规范对以采用统一的折减系数来考虑土-结构动力相互作用的影响不太妥当,因为已有研究结果证实由于高阶振型的影响结构顶部的水平地震作用有时非但不折减反而有增大的现象,因此有必要考虑折减系数沿高度的分布情况。

3 考虑地基液化对土-结构动力相互作用的影响

一般认为,地基土的液化可引起地面喷水冒砂、地基不均匀沉陷和斜坡失稳等震害。但也有震害资料表明,土层的液化在某些条件下能起到对建筑物的隔震作用。目前对于土层液化对震害的双重作用机理,以及在工程中如何评价液化对房屋震害的影响,还有待作进一步的研究。

有效应力法在土-结构动力相互作用分析中考虑孔隙水压力的变化对土的动剪切模量G和阻尼比D的影响,可以预测动力作用过程中孔隙水压力的变化过程,土体液化及震陷的可能性和土层软化对地基自振周期及地面震动反应的影响,但参数取值困难,计算量大。文献[4]应用该方法对一栋 16层的框架结构的算例表明,对于土-结构动力相互体系,在强震作用下,地基土液化较深,且土层液化后不能传播地震动。但如果桩基支撑在较硬的土层上而桩周土大部分未液化,则土层液化对上部结构无明显影响。

4 相邻建筑考虑土-结构动力相互作用影响分析

地震中由于土-结构动力相互引起基础的转动从而导致相邻建筑物的碰撞现象已经引起了学者的重视。随着城市高层建筑的增多和用地的紧张,这一问题越来越引起广大工程技术人员的重视。文献[5]引入地面差动的概念,对相邻结构在地震动下的动力相互影响进行了研究,认为:当A/B≥2.5时,相邻结构间的相互影响不必考虑;当 A/B≤1时,尤其是当A/B≤0.5时,相邻结构间的相互作用不能忽视(A为结构间的间距,B为结构基底的宽度)。文献[6]研究了高层建筑的摆动对相邻低矮建筑的影响。但对于地震波的输入方向、建筑物自振特性的变化对相邻建筑的相互作用的影响尚不明确。

5 土-结构动力相互作用对结构控制的影响

对于软土上的地基,因为土-结构的动力相互作用,将会使结构的振动特性发生改变。

这种改变主要体现在结构振动周期的延长和结构阻尼的增大。由于对结构的主动控制和被动控制是基于结构的振动特性而设计的,因此当相互作用比较明显时,在设计控制的时候是要加以考虑的。

文献[7]研究了土-结构的动力相互作用对采取不同控制措施的结构控制效果的影响。结果表明:当采取主动调谐质量阻尼器(ATMD)和被动多重调谐质量阻尼器(MTMD)控制措施时,考虑土-结构的动力相互作用后结构的地震反应减小;当采取半主动礠流变阻尼器(MR)控制措施时,虑土-结构的动力相互作用后结构的地震反应有很大程度的减小。

6 结束语

土-结构的动力相互作用的研究目前已经取得了一定的进展,但是研究成果距离工程应用还有一定的距离。对以下的几个方面的研究同样值得重视:地震动输入的问题;土体的非线性对地震波传播的影响;对液化和地基震陷的精确模拟;土-结构接触面的非线性模拟;多相介质的模拟等等。

[1]吕西林.复杂高层建筑结构抗震理论与应用[M].北京:科学出版社,2007

[2]窦立军,杨柏坡,刘光和.土-结构动力相互作用几个实际应用问题[J].世界地震工程,1999,15(4):62-67

[3]李辉,刘利平,赖明.考虑土-结构动力相互作用后水平地震作用折减问题的研究[J].土工基础,2001,15(1):5-8

[4]李培振,吕西林,宋和平.考虑地基土液化影响的高层建筑地震反应分析[J].地震工程与工程振动,2005,25(2):141-149

[5]姜忻良,严宗达,李忠献.考虑地面差动的相邻结构—地基—土相互作用[J].地震工程与工程振动,1997,17(2):67-73

[6]窦立军,杨柏坡.高层建筑与相邻多层建筑间的动力相互作用[J].地震工程与工程振动,2000,20(3):15-21

[7]李忠献,张媛,王泽明.土-结构动力相互作用对结构控制的影响[J].地震工程与工程振动,2005,25(3):138-144