專題簡介

陳少林

土-結(jié)相互作用是地震工程領(lǐng)域的重要課題之一，涉及工程地震、土動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、計(jì)算力學(xué)等諸多學(xué)科。地震波由震源出發(fā)，傳播至場地，繼而引起地上和地下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。在此過程中，土體運(yùn)動(dòng)引起結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)反過來影響土體運(yùn)動(dòng)，即土-結(jié)相互作用。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)的剛度大而地基的剛度相對較小時(shí)，這種相互作用尤為突出，只有在地基的剛度較上部結(jié)構(gòu)大很多時(shí)，這種相互作用才可以忽略不計(jì)。與不考慮土-結(jié)相互作用的剛性地基假設(shè)情形相比，土-結(jié)相互作用將導(dǎo)致以下問題：（1）輸入地震動(dòng)差異；（2）整個(gè)體系振動(dòng)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(zhǔn)確預(yù)測結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，進(jìn)而更合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震與加固設(shè)計(jì)，需要考慮土-結(jié)相互作用。

早期土-結(jié)相互作用研究主要通過解析方法，發(fā)展了波函數(shù)展開結(jié)合振型疊加的代表性方法，促進(jìn)了對土-結(jié)相互作用的機(jī)理認(rèn)識(shí)，并為數(shù)值方法提供了驗(yàn)證基準(zhǔn)，但解析方法對于復(fù)雜場地、非規(guī)則基礎(chǔ)以及非線性情形無能為力。隨著核電站和海洋平臺(tái)等建設(shè)需求，以及計(jì)算機(jī)的迅速普及，極大地推動(dòng)了土-結(jié)相互作用數(shù)值分析方法的發(fā)展。從分析方法角度，可分為頻域和時(shí)域，從計(jì)算模型角度，可分為直接法和子結(jié)構(gòu)法。頻域子結(jié)構(gòu)方法的基本思想是將線性土-結(jié)相互作用分析問題分解為一系列相對簡單的子結(jié)構(gòu)問題（如自由場地分析問題、阻抗分析問題、結(jié)構(gòu)分析問題等），每個(gè)子結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)方法已較為成熟，并形成了SASSI 和CLASSI 等軟件，雖在考慮強(qiáng)地震動(dòng)時(shí)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(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的主流。相較于頻域子結(jié)構(gòu)法，時(shí)域直接法是將土-結(jié)系統(tǒng)直接做為一個(gè)整體進(jìn)行求解，也稱整體法，該方法在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行分析，可方便考慮土體強(qiáng)非線性和接觸非線性，但通常將整個(gè)土-結(jié)系統(tǒng)采用同樣的離散方法直接求解，計(jì)算量較大，效率較低，難以用于大規(guī)模復(fù)雜工程問題。

隨著城鎮(zhèn)大規(guī)模發(fā)展及韌性城鄉(xiāng)建設(shè)的需求，土-結(jié)相互作用研究體現(xiàn)為如下趨勢：（1）分析模型逐步精細(xì)化，考慮地震動(dòng)空間特性、非水平成層的復(fù)雜場地、地形效應(yīng)、土體和結(jié)構(gòu)的材料非線性、土體與基礎(chǔ)的接觸非線性、隔減震結(jié)構(gòu)等；（2）分析規(guī)模逐步增加，逐步由單體建筑發(fā)展到群體建筑，甚至城市尺度，即考慮結(jié)構(gòu)-土-結(jié)構(gòu)相互作用和城市-場地相互作用；（3）發(fā)展土-結(jié)相互作用高效分析算法，以適應(yīng)問題規(guī)模逐步增大的需求；（4）試驗(yàn)研究手段更加豐富，如土-結(jié)相互作用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)、土-結(jié)相互作用力離心機(jī)試驗(yàn)，以及地震實(shí)驗(yàn)場中結(jié)構(gòu)臺(tái)陣的原位試驗(yàn)。

本期專題收錄的文章體現(xiàn)了如上的發(fā)展趨勢。尹訓(xùn)強(qiáng)等以實(shí)際核電廠址條件為背景，建立了聯(lián)合泵房兩側(cè)直立翼墻-排水沉管交叉體系-地基靜動(dòng)力分析模型，其中，運(yùn)用UPFs 創(chuàng)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(dòng)的輸入，精細(xì)化模擬地基材料的力學(xué)特性及交叉體系的空間分布形態(tài)，開展了靜動(dòng)力荷載聯(lián)合作用下翼墻-沉管交叉體系的響應(yīng)分析，探究了交叉體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形及加速度峰值等響應(yīng)的變化規(guī)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(dòng)力分析有限元模型，采用頻域剛度矩陣自由場地震響應(yīng)分析方法獲得任意角度斜入射SV 波作用下的地震動(dòng)輸入，圍繞入射角度、地上與地下結(jié)構(gòu)間距、場地類別等因素分析了地鐵車站-土-地上框架體系動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。王波等在土結(jié)相互作用分區(qū)分析方法的基礎(chǔ)上，提出一種顯-隱式單元層的方案，實(shí)現(xiàn)顯-隱式的交替計(jì)算，在保持高效性的同時(shí)，提高了計(jì)算穩(wěn)定性。通過該方法，分析了地基土-反應(yīng)堆廠房-輔助廠房結(jié)構(gòu)相互作用體系在地震激勵(lì)時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)，對比研究了附屬廠房對反應(yīng)堆廠房地震響應(yīng)的影響。莊海洋等系統(tǒng)的綜述了國內(nèi)外學(xué)者在土-樁-隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用這一領(lǐng)域的主要分析方法，包括理論分析方法、時(shí)程分析法、模型試驗(yàn)法以及能量分析方法，并總結(jié)了目前考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的相關(guān)研究成果，分析了現(xiàn)有研究存在的不足以及亟待解決的若干問題，并針對現(xiàn)有研究存在的不足給出建議。陸新宇等以某土質(zhì)地基上的樁基鋼框架結(jié)構(gòu)為研究對象，利用振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬方法對土質(zhì)地基-群樁-鋼框架結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力相互作用的規(guī)律和特征進(jìn)行了研究，并討論了基樁長徑比對于體系動(dòng)力相互作用特征的影響，結(jié)果表明，動(dòng)力相互作用體系中運(yùn)動(dòng)相互作用的貢獻(xiàn)略小于慣性相互作用；隨著基樁長徑比的增大，運(yùn)動(dòng)相互作用增大，鋼框架結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)增大。王國波等設(shè)計(jì)并實(shí)施了土-結(jié)構(gòu)（群）相互作用體系振動(dòng)臺(tái)系列試驗(yàn)，考慮結(jié)構(gòu)數(shù)目、地震動(dòng)類型與幅值等參數(shù)，探究了土與地表結(jié)構(gòu)群的動(dòng)力相互作用效應(yīng)對結(jié)構(gòu)以及場地土響應(yīng)的影響，結(jié)果表明，地表建筑物的存在并不總是減小自由場地面運(yùn)動(dòng)，但地面運(yùn)動(dòng)會(huì)隨著地表結(jié)構(gòu)數(shù)目的增加而降低；土-結(jié)構(gòu)群相互作用效應(yīng)對位于結(jié)構(gòu)群中心的結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響最大，輸入地震動(dòng)的總能量越高，土-結(jié)構(gòu)群相互作用效應(yīng)越明顯。