考虑土与结构相互作用时结构地震响应分析

大师的经典之作

第３９卷增刊建筑结构２００９年４月

考虑土与结构相互作用时结构地震响应分析

杨

婷，宋

力，朱炳寅

（中国建筑设计研究院，北京１０００４４）

［摘要】

在进行结构设计中，考虑地震作用时，往往不考虑土与结构的相互作用。本文选择大型通用软件

ＡＢＡＱＵＳ作为基本的分析工具，分析了不考虑和考虑土一结构相互作用（即ＳＳＩ）效应情况下结构的地震响应。

［关键词］

土一结构相互作用（ＳＳＩ）；粘弹性人工边界；反应谱

ＳｅｉｓｍｉｃＲｅｓｐｏｎｓｅ

Ｗｈｅｎ

ＣｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅＥｆｆｅｃｔｏｆＳＳＩ

ＹａｎｇＴｉｎｇ，ＳｏｎｇＬｉ，ＺｈｕＢｉｎｇｙｉｎ

（ＣｈｉｎａＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＤｅｓｉｇｎ＆ＲｅｓｅａｒｃｈＧｒｏｕｐ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｒｉｎｇｄｅｓｉｇｎｉｎｇｔｈｅ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ｏｆｂｕｉｌｄｉｎｇ，ｉｔａｌｗａｙｓｄｏｅｓ

ｒｅｓｅａｒｃｈ

ｗｏｒｋ

ｉｓ

ｎｏｔｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｓｏｉｌ—ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ｒｅｓｐｏｎｓｅ

ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ（ＳＳＩ）ｅｆｆｅｃｔ

ｉｎ

ｔｗｏ

ｃａｓｅｓ

ｗｈｅｎａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｓｅｉｓｍｉｃｅｆｆｅｃｔ．Ｔｈｅｍａｉｎａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｓｅｉｓｍｉｃ

ｏｆ

ｎｏｎ—

ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇＳＳＩｅｆｆｅｃｔａｎｄｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇＳＳＩｅｆｆｅｃｔ，ｂｙｕｔｉｌｉｚｉｎｇｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｉｌ－ｓｔｍｅｔｕｒｅ

１

ＡＢＡＱＵＳ．

ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ（ＳＳＩ）；ｖｉｓｃｏｕｓ—ｓｐｒｉｎｇａｒｔｉｆｉｃｉａｌｂｏｕｎｄａｒｙ；ｒｅｓｐｏｎｓｅｓｐｅｃｔｒｕｍ

引言

对于非岩石或软岩石地基土，由于结构物基础面

在１．７—１．８倍，地基持力层岩体呈现不均匀特征，属于非水平成层、非均匀复杂地基。

４

的运动受到地基．结构动力相互作用的影响，与地表自由场运动会有显著的差别，因此应计入地基与结构的相互作用。拟建在非水平成层、非均匀复杂地基上的重要结构，在进行结构设计时，如何评估并确保在静载及动载荷作用下的地基强度、变形及稳定性满足要求，且在地震响应计算时如何考虑其影响，成为其抗震分析中的关键问题。本文采用大型通用有限元分析软件ＡＢＡＱＵＳ对拟建在非水平成层、非均匀复杂地基上的结构进行多维地震作用下地震响应模拟分析。

２

地基土模型的建立

主厂房结构所在的场地土土层的大致分布如图ｌ

所示。由所提供的土质条件可知，此处土壤剪切波速大于１１００ｍ／ｓ的岩层界面位于基底以下６０ｍ处，因此，土体模型竖直方向取至基底以下６０ｍ。

图Ｉ

实际土层的大致分布不意图

粘弹性人工边界

在用有限元法进行近场波动分析的时候，将重点

在分析中，按照岩土风化的程度及动剪切模量将土层简化为如下３种：（１）中等风化粉砂质泥岩和中等风化泥质粉砂岩；（２）微风化粉砂质泥岩和微风化泥质粉砂岩；（３）微风化细（粉）砂岩。

对于地基土根据土层的分布以及所提供的具体的勘测点的数据，使用ＡＢＡＱＵＳ有限元软件建立场地土模型。按照土体的简化类型，将３种不同的土的特征条件赋给相应各层的场地土，因土层相对均匀度较差，采用三维四面体杂交单元Ｃ３Ｄ４Ｈ进行网格划分。

为了将粘弹性人工边界应用于有限元软件中”１，可以采用一种等效弹簧的实体单元，具体方法是在已建好的三维有限元模型人ＩＴ边界面上沿法向延伸一层厚度相等、边界固定的实体单元。施加上述等效弹簧实体元之后的有限元模型相当于在人工边界节点上施加了相应的弹簧元件。本文中，在有限元计算软件中采用直接在节点上加弹簧一阻尼单元来模拟。

关注的部分人为地切割出来进行离散化，切割面即称为人工边界。刘晶波发展了三维粘弹性人工边界及其数值模拟技术…，并用数值算例证明了其可靠性和实用性，进而表明粘弹性边界精度高于粘性边界。因此本文在分析时，采用此人工边界进行土．结构动力相互作用模拟。

３

场地的土质条件

根据岩土丁程勘察报告，主厂房基础坐落于中等

风化及微风化粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和细（粉）砂岩上，岩层成￡１０。左右倾角，场地岩体破碎较完整，岩体剪切波速在６５０～１

０３ｌ

ｍ／ｓ之间，剪切波速大于

１１００ｍ／ｓ的岩层界面位于基底以下６０ｍ处。

基底以下一定深度范围内地基持力层部分为中等风化基岩，其余为微风化基岩，两种岩体静力特性指标差别不大，但动力学参数存在较大差异，参数平均差异

７５０

大师的经典之作

５

不考虑ＳＳＩ和考虑ＳＳＩ的结果及分析

不考虑ＳＳＩ作用时，将地震动加于仅上部结构的

基础底面，考虑ＳＳＩ作用时，将地震动加于整体计算模型的基岩底面。分析对象为排架结构，两部分之问１００ｍｍ的抗震缝隔开，且建立于一块钢筋混凝土筏板

基础上。上部结构高２３ｍ。分别在如图２所示位置选

取计算点并分别在同一位置±０．０００、７．４００、１６．０００以

及２３．０００ｍ处分别提取数据。Ⅵ

Ｂ＿／

毡

旦／

图２结构平面简图及各计算点的选取

对结构的地震响应进行模拟分析，并得出各位置的加速度时程曲线，并进行变化得到相应的反应谱曲线，由于反应谱曲线中的零周期加速度即对应着加速度时程曲线中的峰值，首先，对结构在两种不同情况下的地震响应进行分析，对比两种情况加速度时程曲线峰值的变化，如图３、４所示（图中纵坐标竖直方向点位ｌ～４分别代表该处标高±０．０００、７．４００、１６．０００以及２３．０００ｍ的位置）。由于ｚ方向差异不明显，因此ｚ方向不进行加速度时程曲线的峰值的比较。

５

●

ｌｓ

§、；ｆ

ｉ

ｚ

。：之∥’’一

≯．。／

Ｉ二：◆一

：矿。

－－ 一ｇ／，

－－－Ｏ－－－ｔｉ＾ｌ

牛 点Ｂ

１弛

…● ｍｌ一－ｒ一直Ｃ

一＋一ｔｉｃｌ

一｝ 五州

－嚆庄竹嘲（Ｉ，一｜）

２

３

●

５６

■ｔ窿时爱■位（１， ’）

（ａ）ｘ方向

（ｂ）ｙ方向

图３不考虑ＳＳＩ各点加速度时程曲线峰值比较图

城度时控■位（－，－勺

加毫立时眉蚍（－／－勺

（ａ）ｒ方向

（ｂ），方向

图４考虑ＳＳＩ各点加速度时程曲线峰值比较图

比较图３，４可以得出，位于土质较好的Ｃ，Ｄ两点在高度较小的位置处ＳＳＩ的影响较小，而位于土质较差的点Ａ，ＳＳＩ对其加速度时程峰值放大较多。同时，

也可以看出由于结构刚度的影响，随着高度的变化，两

种情况下其地震响应的变化程度也有相应的差异。

将加速度时程曲线经过变化得到对应的阻尼比为

５％时的反应谱曲线，将反应谱曲线的峰值及其对应的周期列于表ｌ，２，这里仅列出Ａ，Ｄ两点处的数据。

不考虑ＳＳＩ时反应谱峰值及其相应周期

表１

±Ｏ．０００ｍ

７．４００ｍ

１６．０００ｍ

２３．０００ｍ

方对应对应对应向

峰值

对应周期

峰值

周期

峰值

周期

峰值

周期

ｍ／ｓ‘ｍ／ａ‘ｍ／ｓ‘ｍ／ｓ２／ｓ／ａ

／ｓ

／ｓ

５．０４６４

０．４０５．１２５００．４０

１５．１５７２

０．３４１５．８７５５

０．３４

，，

５．０５９５Ｏ．３６５．３１２０Ｏ．３８

１３．∞２３０．３６丝．０６ｌ９

Ｏ．３６３．２８４０

０．３８３．２９１

７

０．４０

３．４５４３０．３８３．５７６４Ｏ．３０５．０１０ｌＯ．３６７．６８７６Ｏ．３６１６．９４９２１．０６１７．３３６９

１．０６ｙ

４．９２７８０．３６３．７２９４０．３６６．５４４３Ｏ．７８８．∞０３

０．６８３．２８７０

Ｏ．３８

３．２３４ｌ

０．３８

３．３６８６

０．３８

３．９３ｌ６

０．３８

考虑ＳＳＩ时反应谱峰值及其相应周期

表２

±０．０００ｍ

７．４００ｍ

１６．ｏｏＯｍ

２３．ｏｏｏｍ

方

对应

向

峰值

峰值

对应周期

峰值

对应峰值

对应ｍ／８２

周期

ｍ／ｓ２ｍ／８２周期

ｍ／ｓ２周期

／８

／８

１１．７卯

０．１２１１．２９４３Ｏ．１２１７．７９８４０．３４

１８．７０３３０．３４ｙ

８．０１８５Ｏ．２４６．９ｌｌ

９

Ｏ．２４１２．８１０４０．３４２３．４７９２Ｏ．２６７．６５６５Ｏ．１６７．８７６７Ｏ．１６８．０１５６Ｏ．１６

７．９３７５

０．１６

５．４９９５Ｏ２２６．５１２８Ｏ．３６９．４６９１．馏

９．６鹤１

１．嘴

ｙ

３．，９２８Ｏ．１０３．２９６３Ｏ．ＩＯ３．４９２０．６０４．８８４２０．６０６．１１５２

０．１６

６．４３３６

Ｏ．１６

６．７００４

Ｏ．１６

７．４４７９

Ｏ．１６

水平方向上的反应谱的峰值均随着高度的增加而增大，并且位于土质较差处的点Ａ，其峰值要比土质较好的点Ｄ的数值大，并且考虑ＳＳＩ时点Ａ的反应谱峰

值变化明显；＝方向上的数值随着高度变化不显著，但是考虑了ＳＳＩ作用时，ｚ方向峰值有一定量的放大，并且，其峰值对应的周期也相应减小。

６

结论与建议

１）通过计算对比分析可见，在土质分布不均匀情

况下，上部结构的地震响应是有差异的，土质较差处相应较大。因此对于土质分布十分不均匀的重要结构。土一结构动力相互作用不可忽略。

２）对于坐落于土质较差处的结构，要注意其自振周期，避免自振周期与反应谱曲线中的峰值对应的周期相近，造成结构的地震响应过大以致构件破坏。

３）关于无限波动理论中，人工边界的处理方面，本文采用的是粘弹性人工边界，由于时间上的限制本文

未采用某些实际工程中则采用的透射边界，将两种边界模拟出的结果进行分析与比较。

４）本文仅对单一结构形式和基础埋深进行地震响应分析，对于基础埋深不同、上部结构刚度不同的情况

有待于继续深入分析、研究与比较。

◆

考

文

献

［１】刘晶波，王振字．波动问题中的三维时域粘弹性人工边界［Ｊ］．

工程力学．２００５．２２（６）：４７－５０．

［２］刘晶渡．王振宇．张克峰．考虑土．结构相互作用大型动力机器接

触三维有限元分析［Ｊ］．工程力学，２００２．１９（３）：３４．３８．

７５１

大师的经典之作

考虑土与结构相互作用时结构地震响应分析

作者：作者单位：

杨婷， 宋力， 朱炳寅

中国建筑设计研究院,北京 100044

相似文献(4条)

1.学位论文 李威 桩-土-结构相互作用体系非线性地震反应分析 2008

大量的理论分析和研究表明，考虑地基一基础一上部结构动力相互作用对结构物的动力特性具有重要的影响，其地震响应将发生显著的变化。而且对于不同的土层组成，不同的上部结构形式，相互作用体系所表现的受力和变形特点也不尽相同。

抗震规范在考虑结构相互作用时规定，剪力和层间位移可以进行折减。但折减方法是基于弹性条件提出的。同时抗震规范又要求罕遇地震作用下的结构必须进行弹塑性变形验算。但简化的变形验算方法是在地基刚性假定下得出的，考虑相互作用体系弹塑性特性后，对于各种不同的结构形式和建造场地，折减方法是否合理，简化弹塑性变形验算是否恰当，是一个仍值得研究的问题。而且目前对罕遇地震作用下土一结构相互作用的研究很少，考虑土一结构相互作用的弹塑性变形验算的成熟的研究成果更少。桩基础是一种应用广泛的深基础，在基础工程中具有重要的地位，因此桩-土-上部结构弹塑性动力分析是一个非常重要的研究课题。

本文在前人研究成果的基础上，利用ANSYS分析程序对桩-土体系以及桩-土-结构体系进行罕遇地震作用下的有限元数值模拟分析，研究了其地震反应方法及规律，具体工作包括：

(1)通过对文献的概括，评述了国内外开展土-结构动力相互作用研究的现状和发展水平，对桩-土-上部结构动力相互作用的方法进行了归纳总结。 (2)确定了适合于桩-土-结构体系的弹塑性本构关系，建立了一种桩-土-结构体系动力相互作用的有限元解决方法，包括非线性动力方程的求解方法，土体边界的模拟，网格大小的划分，阻尼的考虑等。

(3)建立了一种桩-土相互作用三维非线性有限元分析模型，充分考虑了材料的非线性和接触的非线性，并利用APDL语言实现了粘弹性边界在ANSYS中的二次开发，对进行弹塑性时程分析的粘弹性人工边界予以修正，分析了桩-土体系在Ⅱ、Ⅲ类场地上动力特性的变化规律。

(4)分别对上部为5层、10层或者20层的框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构的桩-土-结构相互作用体系在Ⅱ、Ⅲ类场地进行了非线性地震反应分析，对其内力和变形的反应特性进行了归纳对比。得出了一些有益的结论。

2.期刊论文 董正方.陈兴冲.DONG Zheng-fang.CHEN Xing-chong 土—结构相互作用的桩基础桥墩的地震响应 -山西建筑2008,34(8)

分析了整体法在求解土-结构相互作用问题时, 其粘弹性人工边界如何设置以及如何在ANSYS里实现的问题,对桩基础桥墩分别采用考虑土 -结构相互作用模型和<铁路工程抗震设计规范>中规定的模型进行了地震响应的计算,并对计算结果进行分析和比较,可为桩基础桥墩的设计提供参考.

3.期刊论文 土-结构相互作用体系人工边界的动力反应与分析 -力学季刊2009,30(3)

在结构-地基相互作用(SSI)体系的动力分析中人工边界的模拟与选取是一个关键因素,直接影响SSI体系的动力分析结果.人工边界模拟方法众多,目前对于不同人工边界在各种计算条件下模拟效果的比较研究所见不多.采用数值方法集中比较了工程中广泛应用的几种人工边界在SSI体系分析中的动力反应,详细分析了一维柱体在各种人工边界及输入的冲击荷载及正弦周期荷载作用下的动力分析结果的精确性及稳定性.研究结果表明,人工边界的动力模拟效果与输入震源的动力特性及分析介质的弹性常数存在密切的关系,即较高的输入震源频率需要较高的介质弹性波速,才能保证人工边界的稳定性与适用性.结合上海地区土体及地震波特性,指出本地区SSI体系的动力计算宜采用粘弹性人工边界.

4.学位论文 李彬 地铁地下结构抗震理论分析与应用研究 2005

本文对地铁等地下结构的抗震分析理论及其工程应用进行了较为系统的研究，建立了土-结构相互作用问题的静-动力联合分析模型，研究了高烈度区内多个地铁工程的地震反应特性，进而提出了适用于地下结构抗震分析的Push-over方法。具体的研究工作如下：

(1)为了突破动力人工边界不能兼顾静力效应的局限，基于现有的粘弹性动力人工边界，结合半无限空间中静力问题基本解，提出了可以进行静-动力联合分析的粘弹性静-动力统一人工边界。

(2)研究了粘弹性人工边界上的波动输入方法，给出了粘弹性静-动力统一人工边界上静力边界条件的确定方法；进而探讨了粘弹性人工边界的数值模拟技术，并结合有限元分析软件MSC.Marc编制了辅助程序VSBC。

(3)基于粘弹性静-动力统一人工边界及相应波动输入方法，建立了土-结构动力相互作用问题的静-动力联合分析模型，该模型可以考虑结构材料非线性、土动力非线性等因素的影响。

(4)以伊朗德黑兰市地铁一号线北延线工程、北京市地铁五号线工程和阪神地震中严重破坏的大开地铁站为背景，对地铁地下车站及区间隧道进行了地震反应分析，总结了地铁地下结构的地震反应特性，研究了影响地下结构动力反应的控制地震动参数，建议将地面峰值相对位移作为一种针对地下结构的设计地震动参数。

(5)基于土-结构相互作用有限元分析方法建议了一种新的地下结构抗震分析的拟静力方法，进而提出了适用于地下结构抗震分析的Push-over方法，并结合实际工程与基于粘弹性静-动力统一人工边界的静-动力联合分析方法进行了对比研究，证明了地下结构Push-over方法的可靠性及其良好的模拟精度。

(6)基于粘弹性人工边界实现了Rayleigh波的有效输入，解决了Rayleigh波的时域输入问题，初步研究了Rayleigh波作用下地下结构的动力反应特性。

本文链接：http://www.77cn.com.cn/Conference_7084666.aspx

授权使用：深圳大学图书馆(szdxt)，授权号：e88329ff-4710-4cd6-b80c-9e38017a83e6

下载时间：2010年11月24日