软土地基上土-高层建筑群体系对高层建筑影响的试验研究

葛　琪， 熊　峰， 陈　江， 谢伦武

(四川大学 建筑与环境学院，成都　610065)

软土地基上土-高层建筑群体系对高层建筑影响的试验研究

葛琪， 熊峰， 陈江， 谢伦武

(四川大学 建筑与环境学院，成都610065)

在软土地基上，城市密集的高层建筑群间通过场地土将产生动力相互影响。为研究土与高层建筑群间动力相互作用对高层建筑动力响应的影响，设计了两组对比试验，一组为建筑群振动台试验，另一组为单个建筑振动台试验。试验结果表明：在软土地基上，土与高层建筑群间存在明显的动力相互作用，建筑群间的动力相互作用加剧了建筑物的破坏，并使得高层建筑的加速度减小，且影响程度与输入的地震波特性有关；在两种波的激励作用下，相互作用对速度的影响是一致的，减少了短周期结构的速度，对长周期结构的影响则与输入的地震峰值相关；相互作用对短周期结构的位移影响很小，而对长周期结构的位移影响较大。

高层建筑群；振动台试验；动力响应；软土地基

地震是一种突发性自然灾害，具有极大的随机性和不确定性。在过去的几十年间，世界范围内的地震灾害频发，造成的建筑物损失急剧增长。1994年，美国加州的北岭地震造成的损失大约为140亿美元；1995年的日本神户地震的地震损失大约为1500亿美元[1]，2008年的中国汶川地震造成了建国以来最大的经济损失，继而2013年4月20日四川省雅安市发生大规模地震[2]。同时，随着社会经济的高速发展，城市的建设用地日趋紧张，使得城市的建筑物往高层和密集型发展，在许多经济发达地区大量的高层建筑群体不断涌现，而且建筑物间距越来越小。随着高层建筑上部结构高耸化和体型复杂化，对土-高层建筑群的相互作用分析提出了新的理论课题，特别是在软土地基上且间距较小的高层建筑群体，更有许多待研究的理论和实践课题[3]。

Ghergu等[4]用带质量的弹性弹簧模拟建筑物，建立完整的结构-土-结构的耦合模型，研究发现建筑群对场地土的影响与城市的宽度有关，并依比例决定。Nateghi等[5]运用有限元方法建立结构-土-结构的整体模型，研究表明：当土与结构的周期接近时，相邻结构的动力相互作用显著地增加对非线性反应和结构震坏指数的影响。然而，当两个的周期相差较大时，相邻结构的动力相互作用会降低对非线性响应和震害指数的影响。Clouteau等[6]用有限元和边界元耦合的方法，研究表明SSSI(Structure Soil Structure Interaction)作用对表层地基建筑物的结构响应影响较小，但对地基嵌入土层的建筑物的结构响应有较大影响，且使结构顶部的地震响应减少。李培振等[7]采用有限元软件ANSYS建立了上海地区土-箱基-高层建筑结构的三维有限元模型，研究考虑土-结构相互作用的高层建筑地震响应。陈跃庆等[8-9]通过振动台试验研究了相互作用体系地震反应的规律，再现了地震动激励作用下上部结构和基础的震害现象和砂质粉土的液化现象。

由于模型过大、实验室条件、土体相似模拟难度大等因素的限制，土-建筑群动力相互作用研究中面临的最大问题是试验数据仍很缺乏，目前所做的振动台试验主要针对土与两栋建筑物间的动力相互作用，但考虑的建筑物相对较少，还不足以说明土与建筑群间的动力相互作用机理。

本文通过土-高层建筑群动力相互作用体系的振动台试验，观测了考虑场地效应后高层建筑群在地震作用下的破坏现象，研究了在软土地基上，由于土与高层建筑群相互作用存在导致的结构破坏特性、加速度、速度与位移反应方面变化，为研究土与高层建筑群间的动力相互作用机理打下基础。

1振动台模型试验简介

设置了两个对比试验，试验一为五个结构的群体振动台试验，用GC20表示；试验二为单个结构振动台试验，用SC20表示。上部结构简化为单自由度体系，以带质量块的混凝土单柱模拟上部结构，通过调整质量块的质量使得单柱的周期与实际15层左右的小高层建筑的周期相似，均采用2×2群桩基础，土体采用均匀的上海实际软土。通过比较两个试验的上部结构响应，可获得考虑场地效应的土与高层建筑群动力相互作用对相邻高层建筑群动力响应的影响。

1.1场地土特性及模拟

本实验所用模型土取自上海市杨浦区江湾地区，地勘报告显示，本场地抗震设防烈度为7°，地表基本地震加速度值为 0.1 g，所属的设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅳ类。所取模型土为黏质粉土，埋深分布为2～10 m，重度18.4 kN/m3，天然含水量 26.8%～37.8%，平均31.8%，孔隙比0.77～1.06，平均0.90，静探Ps值1.38～3.05 MPa，平均值 1.70 MPa，黏聚力为10 kPa，摩擦角31°，是典型的软土地基土层。

为了尽量的减小边界效应的影响，在试验中尽量减小“模型箱效应”，必须保证试验容器中的模型土在地震作用下以与原型自由场中土体同样的方式变形，模拟场地土条件。本次试验采用同济大学重点实验室吕西林、陈跃庆等课题组设计制作的柔性容器作为振动台试验土箱(见图1)。该容器为直径Φ3 000 mm的圆筒，侧壁采用厚5 mm的橡胶膜，在圆筒外侧用Φ4@60钢筋作圆周式加固，目的是提供径向刚度，且允许土体作层状水平剪切变形。圆筒体侧壁通过螺栓与上部环形板和下部底板连接；环形顶板由固定在底板上的四根柱支撑，柱中设高度调节螺杆以调节顶板水平并使圆筒体处于适当的状态；柱顶设万向节，使环形板在振动时可以侧向移动；底板用钢板制作，并用小钢梁加劲，确保在起吊时不产生过大的变形。

1.2模型相似设计

由于土与建筑群相互作用体系模型巨大，建筑群占据的范围较大，为了提高试验精度，尽可能减少模型土箱边界效应的影响，结合本次试验条件和试验目的，选定试验长度相似系数为1/20，上部结构为混凝土单柱，模型尺寸较小，较难使用人工质量的方法考虑重力效应，因此允许重力失真，取质量密度相似系数为1。根据混凝土材料性能试验确定弹性模量相似系数为1/3.571。根据动力相似理论，由长度相似系数、质量密度相似系数及弹性模量相似系数可推导出加速度相似系数为5.599,时间相似系数为0.094 5。

图1　试验容器Fig.1 Test container

1.3试验量测和测点布置

试验中采用加速度传感器、应变片、土压力计和位移计来量测体系在试验过程中的动力反应值(见图2)。其中，每个结构柱顶和底部分别安装1个沿振动方向的加速度计；在每个结构柱顶安装1个位移计测量其位移变化；在垂直于振动方向的桩身侧面布置3个应变片测量桩身应变；桩侧布置土压力计测量桩土接触压力，布置方案同桩身应变片；土中布置加速度计阵列，主要测量加速度沿土体深度的变化，土箱边界附近土体加速度的变化，结构模型附近土体加速度的变化，以及垂直于振动方向的土体中加速度差异。

1.4试验加载制度

试验中，加速度峰值按照我国抗震规范的地震震中烈度加速度值对应输入，台面输入加速度峰值按小量级分级递增，按相似关系调整加速度峰值和时间间隔，每个工况的加速度峰值不同，时间间隔均约为0.001 953 s。GC20和SC20试验均输入单向(x向)地震激励作用，台面输入的地震动记录为EL Centro波和上海人工波。

两组试验均采用相同的试验加载制度(见表1)。01WN工况为在安装上部结构前对体系进行一次白噪声扫描，近似认为其一阶频率为自由场的基频。1WN工况为安装上部结构后的噪声扫描，每级地震波激励加载完成后，均进行一次白噪声扫描，以确定经历不同地震加速度幅值的地震波激励后土-建筑群体系的动力特性变化。

图2　测点布置图(mm)Fig.2 Arrangement of sensors in the tests (mm)

序号波 形工况代号加速度峰值/g原型1/20模型XX01、1、4、7、10、13、16、19、22白噪声WN01WN、1WN、2WN、3WN、4WN、5WN、6WN、7WN、8WN-0.072、3ElCentro波、上海人工波SHEL1、SH10.0350.1965、6ElCentro波、上海人工波SHEL2、SH20.10.5608、9ElCentro波、上海人工波SHEL3、SH30.150.84011、12ElCentro波、上海人工波SHEL4、SH40.21.12014、15ElCentro波、上海人工波SHEL5、SH50.251.40017、18ElCentro波、上海人工波SHEL6、SH60.31.68020、21ElCentro波、上海人工波SHEL7、SH70.351.960

2振动台试验结果与分析

2.1试验现象

两组试验的整体反应规律基本一致：在较小台面地震波输入时，容器和土体反应较小，摆动不大，上部结构的反应也不大；随着台面输入加速度峰值的增大，土体、结构和容器的反应也增强。在不同地震波输入下，土体、容器和上部结构的动力响应在上海人工波输入下较大，EL Centro波的反应较小。

图3为台面输入地震波后的模型图，从图3可知，随着台面输入峰值增大，土表面积水逐渐增多，上部结构下沉，中心土体下沉，周围土体隆起，上部结构承台倾斜度逐渐增大。其中群柱时承台均向容器中心倾斜，3#和5#倾斜最为严重，而单柱时承台向东倾斜。试验结束时，测得GC20和SC20试验桩基承台台面沉降值和倾斜度，见表2。由图3和表2可得，相比单个建筑物，建筑群的上部结构下沉、土表面积水和土体下沉更多，建筑物破坏更为严重。建筑群结构体系的沉降量比单个结构体系的沉降量多2倍～2.5倍，倾斜度多5倍左右。通过对比可看出，建筑群中的上部结构在地震作用下沉降量和倾斜度会加大，从而加剧结构的破坏。

图3　试验现象Fig.3 Test phenomenon

2.2加速度反应谱

建筑物顶部均安装了加速度传感器，以测试上部结构的动力响应。1#结构顶部加速度传感器的编号为A2，建筑群试验GC20和单个结构试验SC20的1#结构在不同工况下的加速度反应谱曲线见图4。

总体上，GC20试验的加速度峰值小于SC20试验，可知，在软土地基上，由于土与建筑群的相互作用影响，结构的运动减弱。从图4(a)～图4(g)可知，在EL Centro地震动激励作用下，0～8 Hz频率段，两组试验的上部结构加速度峰值比较接近，两组试验的加速度峰值的最大差值百分比约为20%，而大于10 Hz频率段，两组试验结构加速度峰值有较明显的差值，最大差值百分比达到45%。反之，从图4(h)～图4(n)可知，在上海人工波地震激励作用下，0～15 Hz频率段，两组试验的上部结构加速度峰值有很明显的差别，随着地震输入峰值的增大，差别更加明显，加速度峰值的差值百分比达到约43%；而对于>15 Hz的频率段，两组试验的结构顶部加速度峰值较接近，最大差值百分比约为21%。以上现象表明：在软土地基上，土与高层建筑群的动力相互作用使得高层建筑的加速度反应减少，且对高层建筑加速度峰值的影响程度与输入的地震动记录有关，在EL Centro地震动激励作用下，土与建筑群的相互作用对短周期结构的影响更加明显，与单个结构的加速度峰值对比，建筑群体系内的短周期结构的加速度峰值减少得更多，而长周期结构的加速度峰值较接近。在上海人工波激励作用下，规律相反。在两种地震波作用下，土与高层建筑群的动力相互作用使得加速度规律相反，主要与两种波各自的特性有关，由图5 EL Centro波和上海人工波傅氏谱可知，El Centro波的N-S分量加速度记录的频谱分布很广，高频部分频带较宽，其第一卓越频率≈1.46 Hz。上海人工波的低频成分十分丰富，第一卓越频率≈0.68 s。故在EL Centro地震波激励作用下，软土地基中土与高层建筑群动力相互作用效应在相对较高频率结构中反映比较明显，反之上海人工波作用下在较低频结构中反映比较明显。

表2　GC20、SC20试验上部结构沉降量与倾斜度

2.3速度反应谱

图6为建筑物顶部A2测点的速度反应谱曲线。在上海人工波激励作用下，SH1工况下，在0～5 Hz频率段，建筑群体系的上部结构的速度峰值大于单个结构体系的上部结构的速度峰值，其余频率段则相反；从SH2工况～SH7工况，建筑群体系的上部结构的速度峰值小于单个结构体系的上部结构的速度峰值，且对于长周期的结构，随着地震输入峰值增大，两者的差值越来越大。在>5 Hz段，两者差别较小。建筑群在EL Centro波地震激励作用下，在>10 Hz频率段，建筑群体系的上部结构的速度峰值小于单个结构体系的上部结构的速度峰值，但差值很小；0～5 Hz频率段，在地震输入峰值较小时(EL1工况和EL2工况)，建筑群体系的上部结构的速度峰值大于单个结构体系的上部结构的速度峰值，而地震输入峰值较大时，反之。

图4　A2测点加速度反应谱曲线Fig.4 Acceleration response spectra of A2 for all the cases

图5　EL Centro波和上海人工波傅氏谱Fig.5 Fourier spectra of EL Centro earthquake wave and Shanghai artificial wave

图6　A2测点速度反应谱曲线Fig.6 Velocity response spectra of A2 for all the cases

SHI工况与SH2工况～SH7工况的规律及EL1工况和EL2工况与EL3工况～EL7工况的规律相反，与输入的地震波峰值有关，原因可能是随着地震波输入峰值增大，建筑群结构间通过地基土体的相互作用更加明显，在EL1工况、EL2、SH1和SH2工况下(SH2工况下，两者的速度几乎相等)，输入峰值相对较小，相互作用相对较弱，随着输入峰值增大，相互作用更加明显，使得建筑群的速度小于单个结构的速度。

总体上，软土地基上，土与高层建筑群的动力相互作用减少了短周期结构的速度响应。土与高层建筑群动力相互作用对长周期结构的影响与输入地震峰值有关，当输入峰值较小时，土与高层建筑群的动力相互作用增大了高层建筑的速度响应，当输入峰值较大时，与之相反，且输入峰值越大，高层建筑群的速度响应减少得越多。

2.4位移反应谱

绘制上部结构的顶点测点A2的位移反应谱曲线见图7。在两种地震动激励作用下，反应规律一致。在>5 Hz频率段，GC20试验中A2测点的位移反应谱与SC20试验中A2测点的反应谱几乎重合，而在<5 Hz频率段，两者有较明显的差别，在输入地震峰值较小时，土与建筑群的动力相互作用使得建筑物的位移值增大，两者的最大差值达26%，在输入地震峰值较大时，则相反，最大差值达21%。由此可知，土与高层建筑群间的动力相互作用对短周期结构的位移值几乎没有影响，而对长周期结构的位移值影响较大，在小震激励作用下，土与高层建筑群间的动力相互作用使得高层建筑物的位移值增大，在大震激励作用下，则相反。

图7　A2测点位移反应谱曲线Fig.7 Displacement response spectra of A2 for all the cases

3结论

通过土1高层建筑群动力相互作用体系振动台试验，对比分析GC20建筑群模型和SC20单个建筑模型的试验结果，包括两组试验上部结构顶点的加速度反应谱、速度反应谱和位移反应谱曲线，分析了土与高层建筑群相互作用对高层建筑动力响应的影响规律，得到了卓有裨益的相互作用规律如下：

(1) 试验证实，在软土地基上，高层建筑群内的相邻结构间存在明显的动力相互作用，在地震激励作用下，建筑群间的动力相互作用使得高层建筑破坏更严重。相邻建筑存在时，建筑物的沉降量和倾斜度都会比单个建筑时的大。

(2) 在软土地基上，土与高层建筑群间的动力相互作用使得高层建筑的加速度减小，且影响程度与输入的地震波特性有关。在EL Centro地震动激励作用下，动力相互作用对短周期结构的影响更加明显，建筑群体系内的短周期结构的加速度峰值减少得更多，而长周期结构的加速度峰值较接近。在上海人工波激励作用下，规律相反。

(3) 在软土地基上，土与高层建筑群的动力相互作用对结构速度响应的影响在两种地震波激励作用下是一致的，减少了短周期结构的速度响应，而对长周期结构的影响与输入地震峰值有关，当输入峰值较小时，土与高层建筑群的动力相互作用增大了高层建筑的速度响应，当输入峰值较大时，与之相反，且输入峰值越大，高层建筑群的速度响应减少得越多。

(4) 土与高层建筑群间的动力相互作用对短周期结构的位移值几乎没有影响，而对长周期结构的位移值影响较大，在小震激励作用下，高层建筑物的位移值增大，在大震激励作用下，则相反。

(5) 由试验结果可知，对于长周期的结构应考虑土与高层建筑群的动力相互作用的影响，指导高层建筑的设计。

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Tests of effect of soil on high-rise buildings built on a soft soil foundation

GE Qi, XIONG Feng, CHEN Jiang, XIE Lun-wu

(School of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

A large number of dense urban high-rise buildings built on a soft soil foundation each have a dynamic effect on each other through the site’s soil. To study the effect of the dynamic interaction of soil and high-rise buildings on the response of the high-rise buildings, two comparative tests of a soil-structure system were designed. One test is a shake-table test with multiple structures, and the other one is a shake-table test with only one structure. The experimental results show that there is significant dynamic interaction among the structures built on a soft-soil foundation through the site soil. The interaction increases the destruction of buildings and decreases the acceleration of the structures. Furthermore, the degree of influence has something to do with the characteristics of the inputs. Under the two kinds of wave excitation, the effects of interaction on the velocity are consistent: they decrease the velocity of the short-period structure. However, the effect on the long-period structure has something to do with the peak value of the inputs. Interaction has little effect on the displacement of the short-period structure, but it has a significant effect on the displacement of the long-period structure.

high-rise buildings；shake table test； dynamic response；soft soil foundation

10.13465/j.cnki.jvs.2016.12.016

国家科技重大专项子项目(2011ZX06002-010);四川省科技计划项目(2015JY0278)

2015-03-24修改稿收到日期：2015-06-23

葛琪 女，博士，讲师，1984年生

熊峰 女，博士，教授，1963年生

TU97

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