軟土地基上土-高層建筑群體系對高層建筑影響的試驗研究

葛　琪， 熊　峰， 陳　江， 謝倫武

(四川大學 建筑與環境學院，成都　610065)

軟土地基上土-高層建筑群體系對高層建筑影響的試驗研究

葛琪， 熊峰， 陳江， 謝倫武

(四川大學 建筑與環境學院，成都610065)

在軟土地基上，城市密集的高層建筑群間通過場地土將產生動力相互影響。為研究土與高層建筑群間動力相互作用對高層建筑動力響應的影響，設計了兩組對比試驗，一組為建筑群振動臺試驗，另一組為單個建筑振動臺試驗。試驗結果表明：在軟土地基上，土與高層建筑群間存在明顯的動力相互作用，建筑群間的動力相互作用加劇了建筑物的破壞，并使得高層建筑的加速度減小，且影響程度與輸入的地震波特性有關；在兩種波的激勵作用下，相互作用對速度的影響是一致的，減少了短周期結構的速度，對長周期結構的影響則與輸入的地震峰值相關；相互作用對短周期結構的位移影響很小，而對長周期結構的位移影響較大。

高層建筑群；振動臺試驗；動力響應；軟土地基

地震是一種突發性自然災害，具有極大的隨機性和不確定性。在過去的幾十年間，世界范圍內的地震災害頻發，造成的建筑物損失急劇增長。1994年，美國加州的北嶺地震造成的損失大約為140億美元；1995年的日本神戶地震的地震損失大約為1500億美元[1]，2008年的中國汶川地震造成了建國以來最大的經濟損失，繼而2013年4月20日四川省雅安市發生大規模地震[2]。同時，隨著社會經濟的高速發展，城市的建設用地日趨緊張，使得城市的建筑物往高層和密集型發展，在許多經濟發達地區大量的高層建筑群體不斷涌現，而且建筑物間距越來越小。隨著高層建筑上部結構高聳化和體型復雜化，對土-高層建筑群的相互作用分析提出了新的理論課題，特別是在軟土地基上且間距較小的高層建筑群體，更有許多待研究的理論和實踐課題[3]。

Ghergu等[4]用帶質量的彈性彈簧模擬建筑物，建立完整的結構-土-結構的耦合模型，研究發現建筑群對場地土的影響與城市的寬度有關，并依比例決定。Nateghi等[5]運用有限元方法建立結構-土-結構的整體模型，研究表明：當土與結構的周期接近時，相鄰結構的動力相互作用顯著地增加對非線性反應和結構震壞指數的影響。然而，當兩個的周期相差較大時，相鄰結構的動力相互作用會降低對非線性響應和震害指數的影響。Clouteau等[6]用有限元和邊界元耦合的方法，研究表明SSSI(Structure Soil Structure Interaction)作用對表層地基建筑物的結構響應影響較小，但對地基嵌入土層的建筑物的結構響應有較大影響，且使結構頂部的地震響應減少。李培振等[7]采用有限元軟件ANSYS建立了上海地區土-箱基-高層建筑結構的三維有限元模型，研究考慮土-結構相互作用的高層建筑地震響應。陳躍慶等[8-9]通過振動臺試驗研究了相互作用體系地震反應的規律，再現了地震動激勵作用下上部結構和基礎的震害現象和砂質粉土的液化現象。

由于模型過大、實驗室條件、土體相似模擬難度大等因素的限制，土-建筑群動力相互作用研究中面臨的最大問題是試驗數據仍很缺乏，目前所做的振動臺試驗主要針對土與兩棟建筑物間的動力相互作用，但考慮的建筑物相對較少，還不足以說明土與建筑群間的動力相互作用機理。

本文通過土-高層建筑群動力相互作用體系的振動臺試驗，觀測了考慮場地效應后高層建筑群在地震作用下的破壞現象，研究了在軟土地基上，由于土與高層建筑群相互作用存在導致的結構破壞特性、加速度、速度與位移反應方面變化，為研究土與高層建筑群間的動力相互作用機理打下基礎。

1振動臺模型試驗簡介

設置了兩個對比試驗，試驗一為五個結構的群體振動臺試驗，用GC20表示；試驗二為單個結構振動臺試驗，用SC20表示。上部結構簡化為單自由度體系，以帶質量塊的混凝土單柱模擬上部結構，通過調整質量塊的質量使得單柱的周期與實際15層左右的小高層建筑的周期相似，均采用2×2群樁基礎，土體采用均勻的上海實際軟土。通過比較兩個試驗的上部結構響應，可獲得考慮場地效應的土與高層建筑群動力相互作用對相鄰高層建筑群動力響應的影響。

1.1場地土特性及模擬

本實驗所用模型土取自上海市楊浦區江灣地區，地勘報告顯示，本場地抗震設防烈度為7°，地表基本地震加速度值為 0.1 g，所屬的設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅳ類。所取模型土為黏質粉土，埋深分布為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，靜探Ps值1.38～3.05 MPa，平均值 1.70 MPa，黏聚力為10 kPa，摩擦角31°，是典型的軟土地基土層。

為了盡量的減小邊界效應的影響，在試驗中盡量減小“模型箱效應”，必須保證試驗容器中的模型土在地震作用下以與原型自由場中土體同樣的方式變形，模擬場地土條件。本次試驗采用同濟大學重點實驗室呂西林、陳躍慶等課題組設計制作的柔性容器作為振動臺試驗土箱(見圖1)。該容器為直徑Φ3 000 mm的圓筒，側壁采用厚5 mm的橡膠膜，在圓筒外側用Φ4@60鋼筋作圓周式加固，目的是提供徑向剛度，且允許土體作層狀水平剪切變形。圓筒體側壁通過螺栓與上部環形板和下部底板連接；環形頂板由固定在底板上的四根柱支撐，柱中設高度調節螺桿以調節頂板水平并使圓筒體處于適當的狀態；柱頂設萬向節，使環形板在振動時可以側向移動；底板用鋼板制作，并用小鋼梁加勁，確保在起吊時不產生過大的變形。

1.2模型相似設計

由于土與建筑群相互作用體系模型巨大，建筑群占據的范圍較大，為了提高試驗精度，盡可能減少模型土箱邊界效應的影響，結合本次試驗條件和試驗目的，選定試驗長度相似系數為1/20，上部結構為混凝土單柱，模型尺寸較小，較難使用人工質量的方法考慮重力效應，因此允許重力失真，取質量密度相似系數為1。根據混凝土材料性能試驗確定彈性模量相似系數為1/3.571。根據動力相似理論，由長度相似系數、質量密度相似系數及彈性模量相似系數可推導出加速度相似系數為5.599,時間相似系數為0.094 5。

圖1　試驗容器Fig.1 Test container

1.3試驗量測和測點布置

試驗中采用加速度傳感器、應變片、土壓力計和位移計來量測體系在試驗過程中的動力反應值(見圖2)。其中，每個結構柱頂和底部分別安裝1個沿振動方向的加速度計；在每個結構柱頂安裝1個位移計測量其位移變化；在垂直于振動方向的樁身側面布置3個應變片測量樁身應變；樁側布置土壓力計測量樁土接觸壓力，布置方案同樁身應變片；土中布置加速度計陣列，主要測量加速度沿土體深度的變化，土箱邊界附近土體加速度的變化，結構模型附近土體加速度的變化，以及垂直于振動方向的土體中加速度差異。

1.4試驗加載制度

試驗中，加速度峰值按照我國抗震規范的地震震中烈度加速度值對應輸入，臺面輸入加速度峰值按小量級分級遞增，按相似關系調整加速度峰值和時間間隔，每個工況的加速度峰值不同，時間間隔均約為0.001 953 s。GC20和SC20試驗均輸入單向(x向)地震激勵作用，臺面輸入的地震動記錄為EL Centro波和上海人工波。

兩組試驗均采用相同的試驗加載制度(見表1)。01WN工況為在安裝上部結構前對體系進行一次白噪聲掃描，近似認為其一階頻率為自由場的基頻。1WN工況為安裝上部結構后的噪聲掃描，每級地震波激勵加載完成后，均進行一次白噪聲掃描，以確定經歷不同地震加速度幅值的地震波激勵后土-建筑群體系的動力特性變化。

圖2　測點布置圖(mm)Fig.2 Arrangement of sensors in the tests (mm)

序號波 形工況代號加速度峰值/g原型1/20模型XX01、1、4、7、10、13、16、19、22白噪聲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振動臺試驗結果與分析

2.1試驗現象

兩組試驗的整體反應規律基本一致：在較小臺面地震波輸入時，容器和土體反應較小，擺動不大，上部結構的反應也不大；隨著臺面輸入加速度峰值的增大，土體、結構和容器的反應也增強。在不同地震波輸入下，土體、容器和上部結構的動力響應在上海人工波輸入下較大，EL Centro波的反應較小。

圖3為臺面輸入地震波后的模型圖，從圖3可知，隨著臺面輸入峰值增大，土表面積水逐漸增多，上部結構下沉，中心土體下沉，周圍土體隆起，上部結構承臺傾斜度逐漸增大。其中群柱時承臺均向容器中心傾斜，3#和5#傾斜最為嚴重，而單柱時承臺向東傾斜。試驗結束時，測得GC20和SC20試驗樁基承臺臺面沉降值和傾斜度，見表2。由圖3和表2可得，相比單個建筑物，建筑群的上部結構下沉、土表面積水和土體下沉更多，建筑物破壞更為嚴重。建筑群結構體系的沉降量比單個結構體系的沉降量多2倍～2.5倍，傾斜度多5倍左右。通過對比可看出，建筑群中的上部結構在地震作用下沉降量和傾斜度會加大，從而加劇結構的破壞。

圖3　試驗現象Fig.3 Test phenomenon

2.2加速度反應譜

建筑物頂部均安裝了加速度傳感器，以測試上部結構的動力響應。1#結構頂部加速度傳感器的編號為A2，建筑群試驗GC20和單個結構試驗SC20的1#結構在不同工況下的加速度反應譜曲線見圖4。

總體上，GC20試驗的加速度峰值小于SC20試驗，可知，在軟土地基上，由于土與建筑群的相互作用影響，結構的運動減弱。從圖4(a)～圖4(g)可知，在EL Centro地震動激勵作用下，0～8 Hz頻率段，兩組試驗的上部結構加速度峰值比較接近，兩組試驗的加速度峰值的最大差值百分比約為20%，而大于10 Hz頻率段，兩組試驗結構加速度峰值有較明顯的差值，最大差值百分比達到45%。反之，從圖4(h)～圖4(n)可知，在上海人工波地震激勵作用下，0～15 Hz頻率段，兩組試驗的上部結構加速度峰值有很明顯的差別，隨著地震輸入峰值的增大，差別更加明顯，加速度峰值的差值百分比達到約43%；而對于>15 Hz的頻率段，兩組試驗的結構頂部加速度峰值較接近，最大差值百分比約為21%。以上現象表明：在軟土地基上，土與高層建筑群的動力相互作用使得高層建筑的加速度反應減少，且對高層建筑加速度峰值的影響程度與輸入的地震動記錄有關，在EL Centro地震動激勵作用下，土與建筑群的相互作用對短周期結構的影響更加明顯，與單個結構的加速度峰值對比，建筑群體系內的短周期結構的加速度峰值減少得更多，而長周期結構的加速度峰值較接近。在上海人工波激勵作用下，規律相反。在兩種地震波作用下，土與高層建筑群的動力相互作用使得加速度規律相反，主要與兩種波各自的特性有關，由圖5 EL Centro波和上海人工波傅氏譜可知，El Centro波的N-S分量加速度記錄的頻譜分布很廣，高頻部分頻帶較寬，其第一卓越頻率≈1.46 Hz。上海人工波的低頻成分十分豐富，第一卓越頻率≈0.68 s。故在EL Centro地震波激勵作用下，軟土地基中土與高層建筑群動力相互作用效應在相對較高頻率結構中反映比較明顯，反之上海人工波作用下在較低頻結構中反映比較明顯。

表2　GC20、SC20試驗上部結構沉降量與傾斜度

2.3速度反應譜

圖6為建筑物頂部A2測點的速度反應譜曲線。在上海人工波激勵作用下，SH1工況下，在0～5 Hz頻率段，建筑群體系的上部結構的速度峰值大于單個結構體系的上部結構的速度峰值，其余頻率段則相反；從SH2工況～SH7工況，建筑群體系的上部結構的速度峰值小于單個結構體系的上部結構的速度峰值，且對于長周期的結構，隨著地震輸入峰值增大，兩者的差值越來越大。在>5 Hz段，兩者差別較小。建筑群在EL Centro波地震激勵作用下，在>10 Hz頻率段，建筑群體系的上部結構的速度峰值小于單個結構體系的上部結構的速度峰值，但差值很小；0～5 Hz頻率段，在地震輸入峰值較小時(EL1工況和EL2工況)，建筑群體系的上部結構的速度峰值大于單個結構體系的上部結構的速度峰值，而地震輸入峰值較大時，反之。

圖4　A2測點加速度反應譜曲線Fig.4 Acceleration response spectra of A2 for all the cases

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

圖6　A2測點速度反應譜曲線Fig.6 Velocity response spectra of A2 for all the cases

SHI工況與SH2工況～SH7工況的規律及EL1工況和EL2工況與EL3工況～EL7工況的規律相反，與輸入的地震波峰值有關，原因可能是隨著地震波輸入峰值增大，建筑群結構間通過地基土體的相互作用更加明顯，在EL1工況、EL2、SH1和SH2工況下(SH2工況下，兩者的速度幾乎相等)，輸入峰值相對較小，相互作用相對較弱，隨著輸入峰值增大，相互作用更加明顯，使得建筑群的速度小于單個結構的速度。

總體上，軟土地基上，土與高層建筑群的動力相互作用減少了短周期結構的速度響應。土與高層建筑群動力相互作用對長周期結構的影響與輸入地震峰值有關，當輸入峰值較小時，土與高層建筑群的動力相互作用增大了高層建筑的速度響應，當輸入峰值較大時，與之相反，且輸入峰值越大，高層建筑群的速度響應減少得越多。

2.4位移反應譜

繪制上部結構的頂點測點A2的位移反應譜曲線見圖7。在兩種地震動激勵作用下，反應規律一致。在>5 Hz頻率段，GC20試驗中A2測點的位移反應譜與SC20試驗中A2測點的反應譜幾乎重合，而在<5 Hz頻率段，兩者有較明顯的差別，在輸入地震峰值較小時，土與建筑群的動力相互作用使得建筑物的位移值增大，兩者的最大差值達26%，在輸入地震峰值較大時，則相反，最大差值達21%。由此可知，土與高層建筑群間的動力相互作用對短周期結構的位移值幾乎沒有影響，而對長周期結構的位移值影響較大，在小震激勵作用下，土與高層建筑群間的動力相互作用使得高層建筑物的位移值增大，在大震激勵作用下，則相反。

圖7　A2測點位移反應譜曲線Fig.7 Displacement response spectra of A2 for all the cases

3結論

通過土1高層建筑群動力相互作用體系振動臺試驗，對比分析GC20建筑群模型和SC20單個建筑模型的試驗結果，包括兩組試驗上部結構頂點的加速度反應譜、速度反應譜和位移反應譜曲線，分析了土與高層建筑群相互作用對高層建筑動力響應的影響規律，得到了卓有裨益的相互作用規律如下：

(1) 試驗證實，在軟土地基上，高層建筑群內的相鄰結構間存在明顯的動力相互作用，在地震激勵作用下，建筑群間的動力相互作用使得高層建筑破壞更嚴重。相鄰建筑存在時，建筑物的沉降量和傾斜度都會比單個建筑時的大。

(2) 在軟土地基上，土與高層建筑群間的動力相互作用使得高層建筑的加速度減小，且影響程度與輸入的地震波特性有關。在EL Centro地震動激勵作用下，動力相互作用對短周期結構的影響更加明顯，建筑群體系內的短周期結構的加速度峰值減少得更多，而長周期結構的加速度峰值較接近。在上海人工波激勵作用下，規律相反。

(3) 在軟土地基上，土與高層建筑群的動力相互作用對結構速度響應的影響在兩種地震波激勵作用下是一致的，減少了短周期結構的速度響應，而對長周期結構的影響與輸入地震峰值有關，當輸入峰值較小時，土與高層建筑群的動力相互作用增大了高層建筑的速度響應，當輸入峰值較大時，與之相反，且輸入峰值越大，高層建筑群的速度響應減少得越多。

(4) 土與高層建筑群間的動力相互作用對短周期結構的位移值幾乎沒有影響，而對長周期結構的位移值影響較大，在小震激勵作用下，高層建筑物的位移值增大，在大震激勵作用下，則相反。

(5) 由試驗結果可知，對于長周期的結構應考慮土與高層建筑群的動力相互作用的影響，指導高層建筑的設計。

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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

國家科技重大專項子項目(2011ZX06002-010);四川省科技計劃項目(2015JY0278)

2015-03-24修改稿收到日期：2015-06-23

葛琪 女，博士，講師，1984年生

熊峰 女，博士，教授，1963年生

TU97

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