對高層建筑土-結構動力相互作用體系的探討

黃 斌

(華南理工大學土木與交通學院,廣東 廣州 510640)

對歷次地震震害的調查和分析表明,建筑物的上部結構和下部基礎的震害和地基條件密切相關,如軟土地基會對長周期地震動起放大作用、地面加速度峰值與場地條件相關以及地基液化會加劇建筑物震害等等。一般來說,采用剛性地基的假定會得到比較保守的結構設計,但在某些條件下,軟土地基上由于土-結構動力相互作用而使結構的振動周期延長,可能使上部結構的振動頻率接近于場地土的卓越頻率而產生共振現象,反而加劇了震害。因此,對軟土地基上的高層建筑,有必要將地基基礎和上部結構視為整體進行土-結構動力相互作用的研究。

采用剛性地基的假定和考慮土-結構動力相互作用的分析模型相比,兩者至少有三個方面的區別[1,2]:

(1)由于建筑物結構的存在,結構基礎所接受到的地震動輸入大小及其空間分布不同于自由場情況;

(2)由于地基的柔性,結構的基本周期延長,且自振周期的延長系數一般在 1～1.2范圍內,很少超過 1.25。此外高層建筑地震作用下的搖擺分量可以導致基礎的擺動;

(3)由于地基的無限性,結構的振動能量以輻射波的形式向無限地基逸散,形成輻射阻尼。同時,也有部分振動能量通過材料的阻尼作用耗散。

1 土-結構動力相互作用研究方法簡介

土-結構動力相互作用的研究方法[2]有理論方法和試驗方法兩種,其中試驗方法又分為現場試驗、離心機模型試驗和振動臺模型試驗。由于問題的復雜性,目前的試驗研究并不多見。本文主要對理論研究的方法進行介紹,包括整體分析法、子結構分析法、集總參數法等。

1.1 整體分析法

整體分析法就是將土、基礎和結構看成一個整體考慮得到地基和結構的地震響應。當采用時域逐步積分時,可以考慮地基土的非線性。常用的整體分析法有有限元法、邊界元法、無限元法等。

(1)有限元法

理論上有限元可以模擬有限區域介質內的波動問題。但是有限元法有兩個主要的缺點:①單元網格尺寸受輸入地震波頻譜成分的影響,往往要將單元劃分得很細,增加了工作量;②需要引入人工邊界對無限的地基做適當的模擬。人工邊界有多種,這里不再闡述。隨著計算機性能的發展,有限元法將會得到廣泛的應用。

(2)邊界元法

邊界元法應用 Green定理,通過基本解將支配物理現象的域內微分方程變換成邊界上的積分方程,然后在邊界上離散化數值求解。邊界元法的基本解滿足無窮遠處的輻射條件,無需引入人工邊界,因此該方法在巖土領域得到了廣泛應用。

(3)無限元法

無限元法是一種半解析半數值方法。其做法是:將無限地基和結構接觸的部分劃分為有限單元網格,其余部分劃分為伸向無窮遠處的無限元,無限元的形函數用一個插值函數和一個適當選取的衰減函數來構造。

此外,也可以將上述方法進行組合求解。

1.2 子結構分析法

將結構—地基體系分成無限地基和結構兩個子結構考慮,其中結構又可以根據需要分成幾個更小的子結構,各個子結構部分通過接觸面的力和位移的連續性條件求解。子結構法可以對每個子結構獨立求解,且計算量較小,但由于子結構法應用了疊加原理,故理論上不能用于非線性分析。此外,由于子結構法無法直接獲得土體中位移與應力場,因而無法用于土-結構動力相互作用對地基穩定性影響的研究。

1.3 集總參數法

集總參數法將地基土簡化為彈簧—阻尼—質量系統。該方法物理概念清晰,應用簡便,但在非均勻、非線性等復雜地基時不能適用。

此外,還有在土-結構動力相互作用分析中考慮孔隙水壓力對土體動力特性影響的有效應力法[4],其作用機理復雜,還需要做進一步的探索。

2 土-結構動力相互作用的簡化算法

由于土-結構動力相互的研究成果比較復雜,難以在工程中應用,許多國家的抗震規范給出了簡化算法[3]:美國抗震規范給出了簡化的計算法;法國抗震規范規定 3.112—15規定深基礎時地震力為淺基礎的 0.90倍,即折減系數為0.90;希臘規定為深基礎時地震力為淺基礎的 0.83～0.91倍;中國抗震設計規范也有相應的考慮。采用盡可能簡化的方法來考慮土-結構動力相互的影響是工程界所關心的問題。

簡化算法基于單質點體系或者以第一振型為主的高層建筑模型,對結構的周期和阻尼做一定的調整,以考慮動力相互作用的影響。常用的簡化方法有MV法、MB法、ATC法和BSSC法。文獻[1]對各種簡化方法的計算結果和振動臺試驗結果進行對比分析,指出了各種方法的不足之處并且進行了改進,并將新的計算結果和振動臺試驗結果對比,取得了滿意的結果。

但是,文獻[3]指出,各國規范對以采用統一的折減系數來考慮土-結構動力相互作用的影響不太妥當,因為已有研究結果證實由于高階振型的影響結構頂部的水平地震作用有時非但不折減反而有增大的現象,因此有必要考慮折減系數沿高度的分布情況。

3 考慮地基液化對土-結構動力相互作用的影響

一般認為,地基土的液化可引起地面噴水冒砂、地基不均勻沉陷和斜坡失穩等震害。但也有震害資料表明,土層的液化在某些條件下能起到對建筑物的隔震作用。目前對于土層液化對震害的雙重作用機理,以及在工程中如何評價液化對房屋震害的影響,還有待作進一步的研究。

有效應力法在土-結構動力相互作用分析中考慮孔隙水壓力的變化對土的動剪切模量G和阻尼比D的影響,可以預測動力作用過程中孔隙水壓力的變化過程,土體液化及震陷的可能性和土層軟化對地基自振周期及地面震動反應的影響,但參數取值困難,計算量大。文獻[4]應用該方法對一棟 16層的框架結構的算例表明,對于土-結構動力相互體系,在強震作用下,地基土液化較深,且土層液化后不能傳播地震動。但如果樁基支撐在較硬的土層上而樁周土大部分未液化,則土層液化對上部結構無明顯影響。

4 相鄰建筑考慮土-結構動力相互作用影響分析

地震中由于土-結構動力相互引起基礎的轉動從而導致相鄰建筑物的碰撞現象已經引起了學者的重視。隨著城市高層建筑的增多和用地的緊張,這一問題越來越引起廣大工程技術人員的重視。文獻[5]引入地面差動的概念,對相鄰結構在地震動下的動力相互影響進行了研究,認為:當A/B≥2.5時,相鄰結構間的相互影響不必考慮;當 A/B≤1時,尤其是當A/B≤0.5時,相鄰結構間的相互作用不能忽視(A為結構間的間距,B為結構基底的寬度)。文獻[6]研究了高層建筑的擺動對相鄰低矮建筑的影響。但對于地震波的輸入方向、建筑物自振特性的變化對相鄰建筑的相互作用的影響尚不明確。

5 土-結構動力相互作用對結構控制的影響

對于軟土上的地基,因為土-結構的動力相互作用,將會使結構的振動特性發生改變。

這種改變主要體現在結構振動周期的延長和結構阻尼的增大。由于對結構的主動控制和被動控制是基于結構的振動特性而設計的,因此當相互作用比較明顯時,在設計控制的時候是要加以考慮的。

文獻[7]研究了土-結構的動力相互作用對采取不同控制措施的結構控制效果的影響。結果表明:當采取主動調諧質量阻尼器(ATMD)和被動多重調諧質量阻尼器(MTMD)控制措施時,考慮土-結構的動力相互作用后結構的地震反應減小;當采取半主動礠流變阻尼器(MR)控制措施時,慮土-結構的動力相互作用后結構的地震反應有很大程度的減小。

6 結束語

土-結構的動力相互作用的研究目前已經取得了一定的進展,但是研究成果距離工程應用還有一定的距離。對以下的幾個方面的研究同樣值得重視:地震動輸入的問題;土體的非線性對地震波傳播的影響;對液化和地基震陷的精確模擬;土-結構接觸面的非線性模擬;多相介質的模擬等等。

[1]呂西林.復雜高層建筑結構抗震理論與應用[M].北京:科學出版社,2007

[2]竇立軍,楊柏坡,劉光和.土-結構動力相互作用幾個實際應用問題[J].世界地震工程,1999,15(4):62-67

[3]李輝,劉利平,賴明.考慮土-結構動力相互作用后水平地震作用折減問題的研究[J].土工基礎,2001,15(1):5-8

[4]李培振,呂西林,宋和平.考慮地基土液化影響的高層建筑地震反應分析[J].地震工程與工程振動,2005,25(2):141-149

[5]姜忻良,嚴宗達,李忠獻.考慮地面差動的相鄰結構—地基—土相互作用[J].地震工程與工程振動,1997,17(2):67-73

[6]竇立軍,楊柏坡.高層建筑與相鄰多層建筑間的動力相互作用[J].地震工程與工程振動,2000,20(3):15-21

[7]李忠獻,張媛,王澤明.土-結構動力相互作用對結構控制的影響[J].地震工程與工程振動,2005,25(3):138-144