專題簡介

陳少林

土-結相互作用是地震工程領域的重要課題之一，涉及工程地震、土動力學、結構動力學、計算力學等諸多學科。地震波由震源出發，傳播至場地，繼而引起地上和地下結構的反應。在此過程中，土體運動引起結構的運動，結構運動反過來影響土體運動，即土-結相互作用。當上部結構的剛度大而地基的剛度相對較小時，這種相互作用尤為突出，只有在地基的剛度較上部結構大很多時，這種相互作用才可以忽略不計。與不考慮土-結相互作用的剛性地基假設情形相比，土-結相互作用將導致以下問題：（1）輸入地震動差異；（2）整個體系振動特性的差異；（3）土體的輻射耗能和材料阻尼耗能。因此，若要準確預測結構的地震反應，進而更合理地進行結構抗震與加固設計，需要考慮土-結相互作用。

早期土-結相互作用研究主要通過解析方法，發展了波函數展開結合振型疊加的代表性方法，促進了對土-結相互作用的機理認識，并為數值方法提供了驗證基準，但解析方法對于復雜場地、非規則基礎以及非線性情形無能為力。隨著核電站和海洋平臺等建設需求，以及計算機的迅速普及，極大地推動了土-結相互作用數值分析方法的發展。從分析方法角度，可分為頻域和時域，從計算模型角度，可分為直接法和子結構法。頻域子結構方法的基本思想是將線性土-結相互作用分析問題分解為一系列相對簡單的子結構問題（如自由場地分析問題、阻抗分析問題、結構分析問題等），每個子結構問題可分別求解，最后通過疊加原理綜合起來得到完整問題的解。目前，頻域子結構方法已較為成熟，并形成了SASSI 和CLASSI 等軟件，雖在考慮強地震動時非線性方面存在不足，但其效率較高，且理論成熟，目前仍是核電結構抗震設計的主流。相較于頻域子結構法，時域直接法是將土-結系統直接做為一個整體進行求解，也稱整體法，該方法在時域內進行分析，可方便考慮土體強非線性和接觸非線性，但通常將整個土-結系統采用同樣的離散方法直接求解，計算量較大，效率較低，難以用于大規模復雜工程問題。

隨著城鎮大規模發展及韌性城鄉建設的需求，土-結相互作用研究體現為如下趨勢：（1）分析模型逐步精細化，考慮地震動空間特性、非水平成層的復雜場地、地形效應、土體和結構的材料非線性、土體與基礎的接觸非線性、隔減震結構等；（2）分析規模逐步增加，逐步由單體建筑發展到群體建筑，甚至城市尺度，即考慮結構-土-結構相互作用和城市-場地相互作用；（3）發展土-結相互作用高效分析算法，以適應問題規模逐步增大的需求；（4）試驗研究手段更加豐富，如土-結相互作用振動臺試驗、土-結相互作用力離心機試驗，以及地震實驗場中結構臺陣的原位試驗。

本期專題收錄的文章體現了如上的發展趨勢。尹訓強等以實際核電廠址條件為背景，建立了聯合泵房兩側直立翼墻-排水沉管交叉體系-地基靜動力分析模型，其中，運用UPFs 創建的粘彈性邊界單元考慮無限地基輻射阻尼影響及地震動的輸入，精細化模擬地基材料的力學特性及交叉體系的空間分布形態，開展了靜動力荷載聯合作用下翼墻-沉管交叉體系的響應分析，探究了交叉體系結構的應力、變形及加速度峰值等響應的變化規律。張季等建立了基于黏彈性人工邊界的地鐵車站-土-地上框架整體動力分析有限元模型，采用頻域剛度矩陣自由場地震響應分析方法獲得任意角度斜入射SV 波作用下的地震動輸入，圍繞入射角度、地上與地下結構間距、場地類別等因素分析了地鐵車站-土-地上框架體系動力響應規律。王波等在土結相互作用分區分析方法的基礎上，提出一種顯-隱式單元層的方案，實現顯-隱式的交替計算，在保持高效性的同時，提高了計算穩定性。通過該方法，分析了地基土-反應堆廠房-輔助廠房結構相互作用體系在地震激勵時的動力響應，對比研究了附屬廠房對反應堆廠房地震響應的影響。莊海洋等系統的綜述了國內外學者在土-樁-隔震結構動力相互作用這一領域的主要分析方法，包括理論分析方法、時程分析法、模型試驗法以及能量分析方法，并總結了目前考慮土-結構相互作用的隔震結構動力反應的相關研究成果，分析了現有研究存在的不足以及亟待解決的若干問題，并針對現有研究存在的不足給出建議。陸新宇等以某土質地基上的樁基鋼框架結構為研究對象，利用振動臺模型試驗和有限元數值模擬方法對土質地基-群樁-鋼框架結構體系動力相互作用的規律和特征進行了研究，并討論了基樁長徑比對于體系動力相互作用特征的影響，結果表明，動力相互作用體系中運動相互作用的貢獻略小于慣性相互作用；隨著基樁長徑比的增大，運動相互作用增大，鋼框架結構的加速度反應增大。王國波等設計并實施了土-結構（群）相互作用體系振動臺系列試驗，考慮結構數目、地震動類型與幅值等參數，探究了土與地表結構群的動力相互作用效應對結構以及場地土響應的影響，結果表明，地表建筑物的存在并不總是減小自由場地面運動，但地面運動會隨著地表結構數目的增加而降低；土-結構群相互作用效應對位于結構群中心的結構響應影響最大，輸入地震動的總能量越高，土-結構群相互作用效應越明顯。