桩-土-结构相互作用研究综述及展望

鉴于桩-土-结构相互作用对结构物的动力特性及地震响应的影响,对国内外桩-土-结构相互作用研究历史和现状进行了总结。介绍了国内外桩-土-结构相互作用的四大类研究方法：震害调查、数值方法、理论分析方法和试验方法,并分析了各优缺点及存在的主要问题。最后指出接触面本构模型的完善、计算方法的改进、数值分析与试验相结合、震害调查和原型观测资料的收集、空间分析模型研究是桩-土-结构相互作用问题研究的发展方向。     

土-结构相互作用对连体结构抗震性能的影响

为了使工程设计符合实际，利用ANSYS有限元软件研究了土-结构相互作用对一连体结构抗震性能的影响。分析结果表明，虽然考虑相互作用时结构的相对地震反应比不考虑相互作用时的要小，但结构周期变长，绝对地震反应更为强烈。     

高层建筑土-结构相互作用地震反应分析方法及应用

将土与结构作为一个整体,采用平面土-结构相互作用模型,提出了高层建筑土-结构相互作用地震反应分析方法.上部结构采用平面框架-剪力墙(筒体)协同工作模型;地基以高度为H、宽度为B、厚度为t的土体来模拟;土体在静力分析时采用Duncan-Chang模型,动力分析时采用等效线性化模型;基础根据其形式及刚度,分别以梁单元、刚块单元或受弯板单元来模拟.从2个场地覆盖土层较厚的高层建筑为算例,阐明了土-结构相互作用对高层建筑地震反应的影响及该方法的适用性.     

地基参数以及结构层数对桩-土-结构相互作用的影响

用有限元法建立了桩基多层结构体系的平面模型．并结合算例进行相互作用体系的地震反应分析．为了考察参数变化对反应的影响，例题中分别改变桩基参数．上部结构层数．对考虑相互作用后结构体系的自振周期、内力等的变化情况进行了对比分析．得出了地基越弱．楼层越高．相互作用影响越大的结论．可供工程设计参考．     

考虑土-结构相互作用的地震反应谱

利用集总参数法建立了土-结构相互作用模型,分析推导了该模型下的地震反应谱公式,通过实例计算,得出了相互作用体系在不同频率地震波作用下的反应谱曲线.研究结果表明:对于具有浅埋刚性基础的结构体系,相互作用后的地震响应值与现有反应谱理论计算值有明显的差异,结构地震反应在大部分结构周期范围内得到折减,而在特定结构周期范围内得到明显增强;同时,相互作用体系可吸收特定频率的地震波,但现有的反应谱理论没有体现这一有利作用.     

土-结构相互作用系统地震动力特性的突变理论分析

地震荷载作用下,将土和结构作为一个系统,可较好体现地震作用下结构动力特性的影响.对一个简单的土-结构相互作用系统模型,计算了其动能和形变能,通过拉格朗日方程导得对土-结构相互作用系统的运动方程,并将其归结为以结构振幅为状态变量的尖点突变模型,来对结构的动力特性进行分析.尖点突变模型的对应性状表明,非线性弹簧使系统具有可变频特性,使得地震作用下的土-结构相互作用系统不发生线性系统中的"共振"现象;当系统频率变化使控制点(u,v)跨越尖点突变模型分叉集时,结构的振幅和振动相位会发生突变,并且结构振幅的突变值随地震频率而变,也即地震频率变化对土-结构相互作用系统动力特性的影响有"路径"效应.     

软土地基土-结构动力相互作用的若干问题

简要回顾土-结构动力相互作用研究的发展历程和技术应用现状,分析了土-结构动力相互作用的主要研究方法.指出了应用中存在的问题,并针对软土地区土-结构动力相互作用问题提出了结构动力学数字分析解析递推格式方法应用的建议.     

土-结构相互作用下考虑平摆耦合的基础隔震体系分析

上部结构层间刚度相对较小、垂直荷载也较大的多层框架结构,其所采用的多层橡胶垫的橡胶总厚度较大,可能产生明显的竖向变形,导致结构摆动.基于锥体模型,用子结构法对基础隔震体系进行平摆耦合的结构模型分析,推导了在地震作用下结构平摆耦合的传递函数.研究结果表明,在硬土场地上,橡胶垫的竖向变形引起的摆动对基础隔震结构的地震响应有明显影响.     

不同场地考虑土-结构相互作用的井塔地震反应

为研究Ⅱ、Ⅲ类场地下土与结构(井塔和井筒)相互作用对井塔抗震分析的影响,采用理论分析和数值分析两种方法,系统研究不考虑土-结构相互作用、Ⅱ类及Ⅲ类场地下考虑土-结构相互作用对井塔地震动力反应的影响,提出并建立体系在时域内的理论运动方程,利用MATLAB语言编制Runge-Kutta法的求解程序,结合有限元软件建立体系的数值分析模型。以某钢筋混凝土剪力墙结构井塔为例,得出Ⅱ、Ⅲ类场地下考虑体系相互作用对井塔地震反应的影响规律。结果表明：建立的理论分析模型与数值分析模型吻合较好,对应理论解与数值解的最大差值为9.8%,验证了彼此的准确性;Ⅱ、Ⅲ类场地下3条地震波地震反应平均放大系数分别为1.8、2.4倍。工程设计中,Ⅱ、Ⅲ类场地下应该考虑土-结构相互作用对井塔抗震分析的影响,并且土体越软,土-结构相互作用对井塔抗震分析的影响越大。     

结构--土相互作用体系地震作用简化计算方法

首先建立了结构-土相互作用体系的运动方程,给出了等效体系的频率和阻尼比与基础固定结构与地基土的频率和阻尼比之间的关系式.由于新规范的地震影响系数α的取值一般要求阻尼比在0.01～0.2之间,考虑结构-土相互作用后体系的频率会减小,阻尼比可能会超出范围,因此在求α时必须用结构-土相互作用体系的频率和阻尼比,并且用阻尼比影响因子Ba进行修正,在求得总地震作用后再根据底部剪力法得到各质点的地震作用取值,并通过实例说明该方法的应用.     

考虑土-结构相互作用效应的结构地震响应时域子结构分析法

为了在地基阻抗力的计算中能考虑基础动力阻抗函数频率相关性和避免反复进行傅里叶变换,采用地基阻抗力的时域差分计算方法,进行了基于通用有限元软件的结构时程分析程序二次开发,增加了考虑土-结构相互作用效应的结构动力响应时程分析计算模块.对圆盘基础上的多层结构在三维地震激励下的响应进行了数值计算和分析.数值模型结果表明,该方法物理意义明确,能反映土-结构相互作用耦合体系的基础动力阻抗对激振频率的依赖性.     

桩——土相互作用的研究

本文采用了数字图象相关分析法对土中的桩进行了试验研究，研究了桩－土之间的相互作用，发现了一些有参考价值的现象，得到了一些新的结论，为桩基础的研究和桩基础的工程应用提供了一种有效的研究方法，也为岩土和其它类型的基础工程研究开辟了新的途径。     

对土-结构动力相互作用研究若干问题的思考

就目前土-结构动力相互作用研究中几个重要问题的研究现状进行了总结，并提出了需要进一步研究的几个课题和研究方法．这些问题包括：(1)深厚软弱地基上土-高层建筑的动力相互作用；(2)软弱地基土-大型地下结构的动力相互作用；(3)拟建建筑对周围已建建筑物抗震性能的影响；(4)土-结构动力相互作用效应对结构主、被动控制的影响；(5)土-结构动力相互作用涉及的材料和接触面非线性特性；(6)土-结构动力相互作用的试验研究．     

具有埋入式基础的高层建筑考虑土-结构相互作用时的风振响应

目的研究具有埋入式基础的高层建筑考虑土-结构相互作用时的风振响应,为高层建筑的抗风设计提供理论依据.方法以埋入式基础的框架结构为例,建立了高层建筑的简化计算模型,导出结构的运动方程,进而对比分析了刚性地基和柔性地基条件下,土-结构相互作用对结构风振位移和加速度响应的影响.结果当结构高度达到15层时,弹性位移增幅已接近刚性位移的50%,再考虑结构摆动的转角和基础平移,总位移已显著大于刚性位移,达到刚性位移的2倍左右.结论考虑土-结构相互作用后,结构体系自振频率明显降低,结构总响应幅值总是大于刚性地基时的响应幅值;且在给定条件下,结构越高,地基越柔,影响越大;而基础埋深越大,影响则越小.     

考虑土与结构相互作用对结构自振特性的影响

为了研究土与结构相互作用效应对结构自振特性的影响,建立土-并联基础隔震体系计算模型,并基于有限元单元法理论的原理,采用ABAQUS软件建立不同地基条件下的普通结构和并联基础隔震结构,探讨结构的自振频率和自振周期的变化规律。结果表明:总体上土与结构相互作用对并联基础隔震结构自振特性的影响远小于普通结构,场地土条件越软弱影响的程度也越大。     

水平地震下土-桩-结构相互作用简化分析方法

基于Penzien提出的集中质量法，将上部结构和桩基离散为剪切型质点串，以弹簧和阻尼器模拟周围土体，建立土—桩—结构动力相互作用的分析模型，给出相互作用参数的确定方法，并考虑土体的动力非线性和材料阻尼特性，通过等价线性迭代逼近土体的非线性动态响应。运用此模型对某180m混凝土烟囱按桩基础和刚性基础两种方案进行自振特性和地震时程反应对比分析，得到两种基础形式结构的位移、剪力、弯矩的分布形式基本一致，但考虑桩—土—上部结构相互作用的桩基础使结构体系的周期延长，变形增大，剪力和弯矩相应减小。桩—土—上部结构相互作用增加了结构的柔性，改善了结构的抗震性能。     

考虑桩-土动力相互作用的钢管混凝土拱桥地震反应分析

以上覆土层为60m的主跨为85m，采用桩承墩基的钢管混凝土拱桥为分析对象，建立三维有限元模型．地基土采用服从Drucker-prager屈服准则的弹塑性模型，并且采用接触对方法模拟土与桩侧面的相互作用，分析了考虑土与结构动力相互作用效应的拱桥地震反应，并与不考虑相互作用的拱桥地震反应作了对比，发现动力相互作用对横桥向反应影响很大．     

土-高层建筑、高耸结构相互作用地震反应分析

土-结构相互作用(SSI)体系是非正交阻尼体系,本文采用作者在文献[3]中提出的非经典振型分解反应谱方法(NMSM) 及“计算阻尼”经典振型分解法(CDCMM) 分析了土-高层建筑、高耸结构相互作用(STBI、SHSI) 地震反应。并且,本文还采用wilson-θ直接积分法和目前对SSI地震反应分析应用较多的“修正阻尼”经典振型分解法(MDCMM) 进行了计算。结果表明:(1)CDCMM能较好地估计STBI、SHSI水平地震反应,但该法大大低估了竖向地震反应:(2)NMSM仅在截取少数儿对复振型时就能对水平和竖向地震反应均做出较好的估计;(3)MDCMM所得结果误差较大;(4)NMSM不但在理论上严谨,且计算简便,易于应用。     

考虑土-桩-结构相互作用的体育馆看台地震响应分析

基于对分层土条件下的土-群桩基础动力阻抗函数的求解,采用常数阻抗法结合子结构方法对体育馆看台进行了考虑土-桩-结构相互作用的地震响应分析.结果表明:由于地震波频谱特性的差别,体育馆看台结构在不同地震波作用下的最大位移、最大加速度等响应有所差别,EL-Centro波与人工波接近,TAR_TARZANA波作用下响应略小;三层看台的地震响应总体上较一层看台响应有明显的放大.     

考虑土-结构相互作用的框架结构地震时程分析

为了研究一种有效和实用的土-结构相互作用分析方法,了解土-结构相互作用对上部结构地震反应的影响,采用SAP2000建立上部结构和相互作用体系模型,分别对两种体系进行地震时程分析.通过自由场分析,发现不同场地和不同地震波的加速度放大系数并不相同;得到考虑和不考虑相互作用的框架结构各层加速度时程曲线、各层位移曲线和各层层间剪力.考虑相互作用后,上部结构地震反应会有所不同,因此,考虑土-结构相互作用的地震反应分析方法是必要的.