SSI效應對結構地震響應的影響規律研究

基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃（G202210749033）；寧夏自然科學基金項目-優秀青年項目（2023AAC05015）

第一作者簡介：杜姣燕（2000-），女，碩士研究生。研究方向為結構減震控制。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.013

摘" 要：SSI效應是影響土體線性、非線性性能以及地震響應的重要因素之一，當土體進入非線性或變形較大時，會引起土體附近結構動力特性發生變化。該文從數值模擬、振動臺試驗2個方面對國內外現有SSI理論、研究成果等進行總結闡述。對比分析剛性地基和SSI效應作用下不同類別結構的地震響應。結果表明，考慮SSI效應更符合結構實際的震害情況。不同類別的場地對結構動力特性的影響不同，SSI效應對結構抗震性能的影響存在兩面性。

關鍵詞：SSI；數值模擬；振動臺試驗；地震響應；結構抗震設計

中圖分類號：TU375.4" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）16-0058-04

Abstract： The SSI effect is one of the important factors influencing the linear and nonlinear performance of soil and seismic response. When the soil undergoes nonlinearity or experiences significant deformation， it induces changes in the dynamic characteristics of the structure in close proximity to the soil. This paper summarizes and elaborates on the current SSI theories and research findings both domestically and internationally， covering numerical simulation and shaking table test aspects. The seismic response of various classes of structures under the influence of both rigid foundation and SSI effect is compared and analyzed. The results indicate that considering the SSI effect is more consistent with the actual earthquake damage scenario of the structure. The influence of different site classes on the dynamic characteristics of the structure varies， and the SSI effect has a dual impact on the seismic performance of the structure.

Keywords： SSI; numerical simulation; shaking table test; seismic response; design of seismic performance of the structure

我國東臨環太平洋地震帶，南接亞歐地震帶，地震頻發，幾乎每年都有因地震造成的重大損失[1]。地震的突發性、瞬時性以及破壞性都對人類生命財產安全產生了極大的威脅。地震造成的災害主要表現為對自然環境及設施建筑的破壞，其中地震對建筑物的破壞主要有結構破壞、地基沉陷、坍塌、內外部設備破壞和火災電力中斷等。因此建筑結構的抗震及加固問題亟待解決。地震作用于結構時，首先是地基發生振動，然后通過地基與基礎的相互作用帶動基礎與上部結構發生振動，從而上部結構產生振動[2]。結構與土壤反應相互依賴的過程稱為土與結構相互作用（Soil Structure Interaction，SSI）?；诖耍瑖鴥韧鈱W者開始深入研究SSI效應對結構抗震性能的影響[3-5]。

目前，對軟土地基-上部結構相互作用的研究方法主要分為原型觀測、模型試驗、數值模擬。為了深入認識不同條件下建筑結構抗震性能變化規律，本文通過綜述近年來國內外考慮地基土-基礎-上部結構的共同作用（SSI）相關理論及研究成果，重點分析了SSI作用下結構抗震性能演化規律以及性能提升方法，對建筑抗震性能評估和結構加固處理提供一定的參考價值。

1" 土與結構相互作用有利影響

在傳統建筑抗震設計中一般采用剛性地基假設，將該假設用于簡化和分析結構在土壤上的基礎行為，其中結構和土壤的變形相對較小，即忽略SSI效應[6]。然而隨著結構振動控制技術以及對地下地基土復雜性認知的發展，學者發現，SSI效應是影響結構線性、非線性性能以及抗震行為的關鍵因素之一[7-9]。在強震作用下結構附近土體進入非線性，產生永久變形同時會引起體系周期改變、層間位移增大[10]。因此在抗震設計中忽略SSI效應將對結構動力特性和地震響應產生影響。

1.1" 數值模擬

數值模擬因其安全性、經濟和高效性，被廣泛應用于結構抗震設計研究中。在采用數值分析解決SSI問題時，一般通過子結構法、直接法等將開放的無限域體系轉化為封閉的有限區域，并導入適當的人工邊界以模擬無限域體系對近場研究對象的影響[11]。

Ismail等[12]對位于粉質沙土上的中高層框架結構進行了一系列三維有限元分析，發現SSI效應對5—10層的中層結構有利。Maheswari等[13]發現土壤介質的非線性增加了結構的響應，土-樁-上部結構相互作用增加了結構的周期。張望喜等[14]使用靜力推覆方法對RC框架結構進行分析，指出考慮SSI效應更符合結構在實際地震中的性能表現，更能有效保證結構的安全。為了評估SSI對高層框架-核心筒結構的影響，Zhang等[15]建立了增強型土-結構模型，通過數值模擬發現考慮SSI效應的框架-核心筒結構基底剪力均有不同程度的減小。Tahghighi等[16]設計和建立了一組RC框架有限元模型，采用非線性靜態分析和增量動力分析方法分別評估了剛性和柔性基礎假設下RC建筑的抗震行為和易損性，發現SSI效應在改善剛性基礎結構的脆性和其他性能方面發揮了顯著作用。富騰等[17]采用子結構方法，建立了采用摩擦擺支座（FPS）的隔震結構考慮SSI效應的地震動力反應計算模型，如圖1所示，發現考慮SSI效應時，剛性地基的平移和擺動角度都很小。綜上所述，在結構抗震設計時考慮SSI效應更符合實際震害情況，結構設計更安全。

圖1" 結構-基礎-地基體系動力反應計算模型[17]

1.2" 振動臺試驗

由于SSI問題的復雜性，僅依靠理論分析和數值模擬進行抗震設計，未經試驗研究的驗證，難以滿足實際工程需求。通過振動臺試驗分析SSI對結構地震響應逐漸興起[18]。

樓夢麟等[19]通過振動臺試驗對比分析剛性地基與SSI結構體系的地震響應，發現SSI效應使結構自振周期延長，阻尼比顯著增加。楊金平等[20]對比了考慮SSI框架模型和剛性地基框架模型的結構動力特性，發現考慮SSI效應后，結構損傷出現得更晚，發展也更慢。陳國興等[21]通過SSI體系的大型振動臺模型試驗，發現SSI效應在剛性地基和柔性地基上的結構地震響應存在較大差別，在一定條件下，SSI效應能減弱結構的地震響應。許成順等[22]通過地下結構靜力結構推覆試驗發現，在地震作用過程中，周圍土體的存在提高了地下結構的抗側向倒塌能力。為了探究上部和下部結構平面及布置相同的層間隔震建筑在長期地震動與SSI相互作用下的動力特性和地震響應規律，李丹等[23]通過振動臺試驗發現，考慮SSI效應后，層間隔震結構的樓層位移響應明顯放大。

由此可見，SSI效應對結構的內力、位移、破壞等方面均有所改善。與不考慮SSI結構相比，地震響應均要降低。

2" 土-結構相互作用不利影響

近年來，對于在結構抗震設計中考慮SSI效應取得了較多的研究成果，研究普遍認為，考慮SSI效應能提高結構的抗震性能，對抗震設計有著重要意義[24-26]。

2016年全球鋼筋混凝土年產量接近于100多億m3[27]，歷次大地震均導致大量鋼筋混凝土結構破壞或倒塌[28]，給城市基礎設施和住房造成了嚴重破壞。夏坤[29]比較了我國和美國抗震規范基于SSI效應的結構抗震設計理論，發現我國大陸地震規范對考慮SSI效應的結構有太多的限制，需要進一步將SSI效應結合到抗震研究中。張昊等[30]對建筑進行Pushover和非線性時程分析，發現當考慮SSI效應時，結構的破壞更符合實際的震害情況。陳國興等[31]通過大型振動臺試驗對比了剛性地基和柔性地基條件下調諧質量阻尼器（TMD）的減震效果，發現SSI效應有降低或抑制TMD減震效應的趨勢。岳慶霞等[10]通過試驗研究了10層RC框架在不同場地條件下的抗倒塌能力，發現在考慮SSI效應下，結構頂點位移變大，結構側移加大了結構的整體二階效應，結構上部塑性性能未能充分發揮，結構抗倒塌能力顯著降低。

在實際建筑項目中忽略SSI或考慮不適當的地震記錄可能會錯誤估計結構的損壞程度并造成不安全的后果。Shirzadi等[32]發現SSI效應放大了上層的累積塑性鉸鏈旋轉，在高層建筑中扭轉和SSI效應相結合的局部放大效應更加嚴重。許立英等[33]指出偏心基礎隔震結構在遠場長周期地震動下考慮SSI效應時，隔震層位移可能超限，總體減震效果較差。韓流濤等[34]采用數值模擬和理論分析相結合的方式，發現土壤條件越柔軟，SSI效應對結構抗震分析的影響越大。張富有等通過建立土-并聯基礎隔震體系計算模型，發現考慮SSI效應對普通結構自振特性的影響更大，且場地土的條件越差，影響程度越大。Hoseny等基于試驗研究發現不同地震激勵下柔性基體的側向位移放大，可能會影響結構安全。孫杰等建立了考慮SSI效應的海上風機支撐結構三維有限元分析模型，發現SSI效應會放大風機結構的動力響應，且降低TMD的減震效果。蘇毅等通過有限元分析研究了土-隔震結構相互作用下層間隔震結構體系的地震響應，發現SSI效應使層間隔震結構體系剛度軟化，在進行層間隔震結構設計時采用傳統底部固支并不安全，需要考慮SSI效應對結構產生的不利影響。為了探究SSI效應對基礎隔震結構地震響應的影響，Zhuang等通過振動臺試驗發現，SSI效應可能會放大基礎旋轉對隔震層的旋轉響應，從而削弱了隔震層的隔震效果。由此可見，由于不同特性的場地對結構動力特性的影響不同，SSI效應對結構抗震性能的影響存在兩面性。因此在實際建筑設計中應根據地條件、建筑類型等進行考慮SSI效應的結構抗震設計。

基于SSI效應下結構抗震研究成果，王永洪等研制了一種樁土界面直剪儀，如圖2所示，能夠較真實地呈現黏性土中樁土界面在恒剛度加載條件下直線剪切的力學響應。尚守平等提出了一種基于彈性地基土假定條件下結構自振周期的修正方法，能有效地減小計算周期與結構實際自振周期之間的差別。龐瑞等研發了分布式連接全裝配RC樓蓋，能較好協同各榀抗側力結構共同受力。

綜上所述，SSI是地震工程領域的前沿課題，許多學者和土木工程師長期致力于該領域的研究，取得了一些有意義的成果，逐步完善了SSI理論。其中，振動臺試驗為抗震研究提供了一個可控的實驗環境，使學者能夠深入了解結構在地震發生時的行為，從而指導工程實踐并提高建筑物的抗震性能。

圖2" 恒剛度（CNS）直剪儀結構圖

3" 結論

本文對現有SSI相關理論、研究方法以及研究成果等進行了梳理和歸納，得到以下結論：①SSI效應能有效減弱結構在地震作用下的位移、內力和破壞程度等地震響應，且考慮SSI效應更符合結構在實際地震中的性能表現，更能保證結構的安全性。②不同特性場地條件下，SSI效應對結構動力特性影響不同，土壤越柔軟，SSI效應對結構抗震分析影響更大。強震作用下，土壤進入非線性，產生永久變形同時會引起體系周期改變、層間位移增大。③SSI效應削弱了隔震結構的隔震效果，降低了TMD減震效果，使結構處于不安全狀態。在減隔震設計時忽略SSI效應或使用不適當的地震記錄可能會錯誤估計結構的損壞程度或造成不安全的后果。

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