軟弱地基上隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)及隔震效果的預(yù)測(cè)方法研究

于旭　莊海洋　陳國興　劉帥

摘要：基于軟弱地基上隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)特征，提出了軟弱地基-隔震結(jié)構(gòu)相互作用體系的動(dòng)力特性簡化分析方法，在此基礎(chǔ)上建立了軟弱地基條件下考慮SSI效應(yīng)的水平向減震系數(shù)、隔震結(jié)構(gòu)剪力及隔震層位移的簡化預(yù)測(cè)方法，通過簡化方法的計(jì)算結(jié)果與振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)結(jié)果、時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證了提出的簡化分析方法的可行性和易用性，對(duì)比分析結(jié)果同時(shí)表明簡化方法得到的預(yù)測(cè)結(jié)果具有較理想的精度，能夠合理反映軟弱地基-隔震結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力相互作用效應(yīng)，為評(píng)估軟弱地基上SSI效應(yīng)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的影響提供了有效方法。

關(guān)鍵詞：隔震結(jié)構(gòu)；土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用；軟弱地基；地震反應(yīng)；預(yù)測(cè)方法

引言

隔震建筑在美國北嶺地震和日本阪神地震中表現(xiàn)出優(yōu)異的抗震性能，目前在建筑工程領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。實(shí)際工程中隔震結(jié)構(gòu)可能建于軟弱地基上，日本現(xiàn)行《隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》指出：在軟弱場(chǎng)地的情況下，地震動(dòng)出現(xiàn)長周期化的同時(shí)，建筑物-地基的相互作用對(duì)輸人地震波特性有可能產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。目前，軟弱地基-隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的研究主要以數(shù)值分析為主，近年來，國內(nèi)學(xué)者相繼開展了不同場(chǎng)地條件、不同上部結(jié)構(gòu)的隔震結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)的開拓性研究，對(duì)軟弱地基上多層隔震結(jié)構(gòu)及高層隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究，研究結(jié)果表明：土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用對(duì)軟弱地基上隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)和隔震效果有著顯著的影響，軟弱地基上按剛性地基假定設(shè)計(jì)的隔震結(jié)構(gòu)并不能保證達(dá)到預(yù)期的隔震效果。因此，為合理設(shè)計(jì)軟弱地基上的隔震結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮SSI效應(yīng)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)及隔震效果的影響，建立面向工程應(yīng)用的軟弱地基上隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)及隔震效果的預(yù)測(cè)方法，這對(duì)軟弱地基上隔震結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。

目前，國內(nèi)外對(duì)于土-非隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的研究在理論和應(yīng)用上已取得了很大的進(jìn)展和豐碩的成果，面向工程應(yīng)用的考慮SSI效應(yīng)的簡化預(yù)測(cè)方法也已經(jīng)被納入ATC和BSSC規(guī)范，但對(duì)于軟弱地基-隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用體系，面向工程應(yīng)用的考慮SSI效應(yīng)的簡化預(yù)測(cè)方法研究還很少，針對(duì)該科學(xué)問題的主要研究方法可分為理論分析和數(shù)值模擬。在理論分析方面，Constantinou等基于復(fù)特征值方法研究了SSI效應(yīng)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響，但該方法比較復(fù)雜，不利于工程技術(shù)人員掌握，Spyrakos等分別采用彈簧和阻尼器模擬土與結(jié)構(gòu)的相互作用，建立了等效的理論分析模型，并給出了具體的簡化計(jì)算方法；分析結(jié)果認(rèn)為SSI效應(yīng)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)體系阻尼的影響很小，這與已開展模型試驗(yàn)的研究結(jié)果并不相符。在數(shù)值模擬方面，Kyung等采用有限元和邊界元的耦合，驗(yàn)證了建立土一隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用體系的時(shí)域數(shù)值計(jì)算方法的可行性；李延濤和李忠獻(xiàn)等基于有限元分析方法，分析了考慮土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用時(shí)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性與地震反應(yīng)，項(xiàng)征和趙斌等通過建立有限元分析模型和計(jì)算方法，詳細(xì)研究了軟土地基上鉛芯橡膠支座基礎(chǔ)隔震體系的基本頻率和動(dòng)力反應(yīng)規(guī)律。張之穎和呂西林等利用有限元分析方法，研究了地基-結(jié)構(gòu)相互作用效應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)隔震效果的影響，對(duì)考慮和不考慮SSI效應(yīng)時(shí)隔震體系的動(dòng)力特性和地震響應(yīng)的差異進(jìn)行了對(duì)比。上述數(shù)值分析方法的建模比較繁瑣，也不利于工程技術(shù)人員掌握，同時(shí)數(shù)值分析得出的多數(shù)規(guī)律和結(jié)論有待模型試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證。然而，Veletsos A S以及Wolf J P等深入研究了基礎(chǔ)與地基的相互作用問題，對(duì)基礎(chǔ)的振動(dòng)阻抗進(jìn)行了廣泛的研究，其研究成果為軟弱地基-隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的簡化計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

本文基于軟弱地基上隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)特征，提出了軟弱地基-隔震結(jié)構(gòu)相互作用體系的動(dòng)力特性簡化分析方法，在此基礎(chǔ)上建立了軟弱地基上考慮SSI效應(yīng)的水平向減震系數(shù)、隔震結(jié)構(gòu)剪力及隔震層位移的簡化預(yù)測(cè)方法，并結(jié)合振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)結(jié)果及工程實(shí)例的時(shí)程分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。