软土地基上高层隔震结构模型振动台试验研究

通过对高层隔震结构模型在刚性地基和软土地基条件下进行对比振动台试验,研究软土地基上高层隔震结构的地震反应特性和隔震效果。采用叠层剪切型土箱以减小边界影响,采用粉质黏土作为模型土,考虑基底压力的相似,采用高宽比为4的5层钢框架作为上部隔震结构模型,设计了软土地基上高层隔震结构、非隔震结构以及刚性地基上隔震、非隔震结构的振动台试验模型。试验结果表明：土-结构相互作用（SSI）效应对隔震结构的影响程度较非隔震结构轻;SSI效应显著降低了隔震结构模型的自振频率、增加了体系的阻尼;软土地基上隔震结构能够有效减轻结构的地震反应,但是相对于非隔震结构的加速度反应比值增大,隔震效果降低;SSI效应可能增加也可能减小隔震结构的地震反应,不仅与地震动类型有关还与输入地震动强度相关;软土地基上高层隔震结构基础输入地震动与自由场地震动在反应谱水平上基本一致,采用自由场地震动确定基础输入地震动是可行的,且偏于安全,而非隔震结构基础输入地震动则与地基更深层的地震动接近。     

土-结构相互作用对高层建筑非线性地震反应的影响

本文应用多质点弹簧、阻尼体系模拟半无限地基的动力阻抗特性,建立上部建筑-基础-地基耦连体系在时域求解的振动方程。在此基础上考虑结构构件在强震作用下的非线性与滞回特性,进行了高层建筑地震反应的历时分析,并通过实例研究了输入地震动强度、频谱特性以及地基刚度、结构构件非线性恢复力参数等诸多因素对高层建筑地震反应的影响。     

远场长周期地震动下桩-土-层间隔震结构振动台试验研究

软土地基条件下土-结构相互作用(SSI)效应会对隔震结构的减震效果及动力特性产生影响。远场长周期地震动使隔震建筑这类长周期结构地震响应强烈,考虑SSI效应后地震响应可能更大。开展软土地基上层间隔震结构模型振动台试验研究,对比分析远场长周期和普通地震动下隔震层和隔震结构的楼层加速度和位移响应,研究远场长周期地震动下桩-土-层间隔震结构动力响应规律及减震效果。结果表明：软土地基具有明显的滤波效应,抑制高频分量,放大中低频分量;普通地震动下层间隔震结构的减震效果较显著,随着输入加速度峰值增大,减震效果降低,而远场长周期地震动下的层间隔震结构的减震效果比普通地震动下的差;基础及隔震层的转动效应明显,隔震层对基础转动有一定放大效应,远场长周期地震动下的隔震结构的放大效应较普通地震动下的明显,并对隔震层位移反应的影响较大。     

带地连墙异跨地铁车站结构周围地基液化振动台试验

地下结构的外部轮廓及其对整体抗侧刚度产生明显改变的附属构筑物都将对主体的抗震性能、变形性态和破坏特征等产生显著影响。通过开展可液化地基土–地下连续墙–异跨地铁车站结构动力相互作用的大型振动台模型试验,对比分析了不同强度地震动作用下模型地基的孔隙水压力发展、加速度响应和地表震陷等动力响应规律。试验结果表明:地连墙和地下结构的存在明显减小了其周围地基的加速度和动孔压比反应,且地基液化程度不同时的影响规律存在明显差异;模型地基对地震动的低频段反应更为强烈,反应谱随地震动强度的增大逐渐向长周期移动;当输入地震动强度较小时,模型结构和场地均出现少许沉降,强地震动作用下的地基土沉陷明显,地下结构呈整体水平上浮状态;模型地基动孔压发展及其分布沿结构纵向变化较小,根据试验结果给出了具体的影响规律及其影响机理。     

液化地基上隔震结构群桩与土动力相互作用振动台模型试验研究

开展了液化场地–桩–隔震层–上部结构动力相互作用体系的大型振动台模型试验,再现饱和砂土地基液化诱发的地基震陷震害,详细阐述了隔震结构群桩基础与地基的地震响应特征和饱和土体孔压发展规律。试验结果表明：隔震结构群桩基础的角桩桩身应变幅值明显高于中间桩,中间桩顶部应变幅值又明显高于角桩;隔震结构地基液化后上部结构摇摆和基础转动反应急剧增加,进而导致群桩基础桩顶弯矩急剧增加,使得桩身最大弯矩幅值由地基液化前的桩身中上部转移到地基液化后的桩顶位移,同时隔震结构下部桩顶弯矩幅值比桩身弯矩幅值也要大得多,充分说明在土–桩–隔震层–上部结构的动力相互作用下桩顶更易造成严重的地震破坏。     

长周期地震动下软土地基的偏心基础隔震结构振动台试验研究

远场长周期地震动使基础隔震结构地震响应强烈,且软土地基-结构相互作用（SSI效应）使隔震结构地震响应更大,而偏心基础隔震结构在双向水平地震作用下将发生扭转效应,极易导致隔震层位移增加。为研究远场长周期地震动下软土地基SSI效应对偏心基础隔震结构地震响应规律及减震效果的影响,对高宽比为3的4层荷载偏心钢结构缩尺模型进行刚性、软土地基上的双向振动台试验。结果表明:软土地基上结构采用隔震技术后,周期延长比低于刚性地基结构体系,使减震效果下降;SSI效应在一定程度上会降低结构层间扭转响应,但在隔震层会出现较大扭转角;与普通地震动相比,远场长周期地震动下SSI效应对隔震结构响应影响程度更大,隔震层位移可能超限,总体减震效果较差。建议为保证软土地基上基础隔震结构的安全,应考虑SSI效应后进行结构设计,且远场长周期地震动的不利影响不可忽视。     

Shaking table test of eccentric base-isolated structure on soft soil foundation under long-period ground motion

远场长周期地震动使基础隔震结构地震响应强烈，且软土地基-结构相互作用（SSI效应）使隔震结构地震响应更大，而偏心基础隔震结构在双向水平地震作用下将发生扭转效应，极易导致隔震层位移增加。为研究远场长周期地震动下软土地基SSI效应对偏心基础隔震结构地震响应规律及减震效果的影响，对高宽比为3的4层荷载偏心钢结构缩尺模型进行刚性、软土地基上的双向振动台试验。结果表明:软土地基上结构采用隔震技术后，周期延长比低于刚性地基结构体系，使减震效果下降；SSI效应在一定程度上会降低结构层间扭转响应，但在隔震层会出现较大扭转角；与普通地震动相比，远场长周期地震动下SSI效应对隔震结构响应影响程度更大，隔震层位移可能超限，总体减震效果较差。建议为保证软土地基上基础隔震结构的安全，应考虑SSI效应后进行结构设计，且远场长周期地震动的不利影响不可忽视。     

不同震源机制的近断层脉冲型地震动频谱特性及强度指标研究

将不同场地类别和震源机制上的118条近断层地震记录进行分类,基于基础隔震结构的双自由度体系简化模型,利用状态空间法及四阶龙格-库塔法对结构的弹塑性反应谱进行求解,研究了场地类别和震源机制对反应谱频谱特性的影响。通过分析近断层地震记录的3个强度指标与基础隔震结构最大弹塑性响应的相关性,探讨了基础隔震结构地震反应分析时强度指标的选取问题。结果表明,三种场地类别条件中,速度反应谱规律不明显,但逆断层地震动的平均加速度反应谱和逆斜断层地震动的平均位移反应谱均最大。场地类别和震源机制不同,地震动强度指标与结构响应的相关程度不同。因此在进行近断层脉冲型地震动作用下基础隔震结构地震反应分析时,建议考虑结构所在场地及地震动的震源机制后采用不同地震动强度指标来选择和调整地震动输入。     

桩–土–斜拉桥动力相互作用体系振动反应特性试验研究

大跨斜拉桥结构自振频率和阻尼较低,其地震响应可能受桩基础和场地土特性的影响较大,然而目前为止,由于试验条件和技术所限,尚缺乏相关的包括桩基础、场地土和上部结构在内的全模型振动台试验研究。以一座试设计的主跨1400 m超大跨斜拉桥为原型,设计并完成了一座几何相似比为1/70,且包括群桩、人工土和上部结构在内的试验模型,采用多点振动台试验技术,研究了不同加速度峰值和不同频率成分地震作用下桩–土–斜拉桥动力相互作用体系的振动反应特性。试验结果表明:桩–土–结构相互作用对斜拉桥地震响应产生影响,其影响程度与地震输入频谱特性密切相关;在纵向一致激励下,桩–土–结构相互作用受地震动加速度峰值的影响不明显,在横向一致激励下,桩–土–结构相互作用随地震动加速度峰值的增大而减小;主塔高阶振型对其地震响应的贡献明显;地震输入频谱特性影响桩–土–斜拉桥动力相互作用体系的地震响应,特别是在具有丰富长周期成分的Mexico City波作用下主梁竖向地震响应显著增大。     

地基-结构动力相互作用对基础隔震效果的影响

以多层基础隔震框架为研究对象,利用有限元分析方法,研究地基-结构相互作用效应对基础隔震结构隔震效果的影响。对考虑和不考虑SSI效应时隔震体系的动力特性和地震响应的差异进行对比,并对地基-结构相互作用效应各组成因素对隔震后地震响应的影响规律进行分析。分析结果表明,地基-结构相互作用效应对基础隔震结构存在影响,在工程设计中,隔震结构不应忽略地基-结构相互作用效应的影响。     

地震动速度脉冲对不同高宽比基础隔震结构抗震性能的影响

为研究近断层地震动的速度脉冲对基础隔震结构地震反应的影响,建立了不同高宽比的传统抗震及基础隔震框架结构有限元模型,选取了6条具有向前方向性效应和滑冲效应速度脉冲的实际近断层强震记录作为结构基础输入地震动,对8个模型进行了非线性动力时程分析,对比分析了传统抗震及基础隔震框架结构模型的层间位移角、支座位移和基底剪力等反应。结果表明：在近断层速度脉冲型地震动作用下,随着结构高宽比的增加,基础隔震结构的层间位移角和基底最大剪力逐渐增加,而隔震支座位移有先增大后减小的趋势,且随着地震动峰值速度与峰值加速度比值的增大,隔震支座位移也逐步增大;基础隔震对高宽比小于3的结构具有较好的减震效果,且高宽比越小其减震效果越好,但是当结构高宽比为4时,基础隔震效果较差;近断层地震动的速度脉冲对基础隔震结构底部楼层的不利影响会导致结构出现倒塌破坏。     

Dynamic centrifuge tests on isolation mechanism of tunnels subjected to seismic shaking

Isolation layer is one of the countermeasures to enhance seismic safety of tunnels. Its behavior under earthquake is affected by many factors such as shape of the tunnel, stiffness of the isolation layer and the characteristics of the input motion. However, current knowledge on the effects of these parameters on the seismic behavior of isolation layer is limited to lack of experimental data. This paper focuses on the mechanism of isolation layer, especially the efficacy of input motion frequencies on the seismic behavior of a square tunnel with isolation layer around its outer surface. Dynamic centrifuge tests were carried out on model tunnels which took isolation layer as seismic countermeasure using input motion of sinusoidal waves of different frequencies. Actual records of ground motions, magnified to approximate 15 g peak acceleration, formed the basis of the excitations to verify the actual efficacy. Due to the difference between model material (aluminum alloy) and prototype material (concrete), the similar flexural deformation law and the similar axial deformation law could not be satisfied simultaneously. Given the fact that cross-sectional moments were one of the main factors that influenced the safety of tunnels under dynamic loadings, the similar flexural deformation law was accepted in model preparation. The results show that the bending strains of tunnel with isolation layer around its outer surface are lower than those of tunnel without isolation layer, which indicates that isolation layer has positive effect on moment reduction, especially at corners. Increasing of the input motion frequency decreases the dynamic cross-sectional bending moments. In addition, isolation layer has little influence on frequency contents of acceleration response of tunnel. This study has clarified the mechanism of isolation layer on shock absorption, which is proved to be an effective method to improve the safety of tunnel against earthquake.     

Equivalent linear stochastic seismic analysis of cylindrical base-isolated liquid storage tanks

Seismic performance of cylindrical liquid storage tanks base-isolated by bilinear bearings is investigated. The paper displays a stochastic parametrical study in which three design parameters, namely isolation period, yield strength and viscous damping ratio, characterizing the isolation system are taken into consideration. The earthquake excitation, modeled as a stationary random process, is characterized by a power spectral density function calculated via a compatible seismic design spectrum. The stochastic response of the base-isolated cylindrical tanks is obtained by the convolution between the frequency response function of the system and the input power spectrum. To determine effective damping and stiffness coefficients corresponding to the equivalent linear system a statistical linearization scheme was used. For the purpose of evaluating the seismic behavior under different conditions, two liquid levels (aspect ratios) and soil types (soft and stiff soil) were considered.Thus, the study demonstrates the influence of each characteristic parameter of the isolation system and soil conditions on the response of cylindrical base-isolated tanks and principally allows visualizing the seismic performance that can be achieved through the selection of those parameters under certain soil conditions. Further, it is confirmed that soft soil conditions amplify the overall response of the system specially the base and sloshing displacements, as well as the normalized base shear to a lesser extent.     

土-结构相互作用对基础隔震体系的影响

本文应用子结构法,分析了土-结构相互作用对线性基础隔震体系基频和结构反应的影响.分析模型中,上部结构取为具有埋置刚性基础的均质剪切梁式模型,地基取为均质、各向同性的粘弹性半空间.上部结构和刚性基础之间设置隔震层.通过对隔震体系反应的传递函数及基于FFT的地震时程反应的分析,讨论了地基土柔性、基础埋深和隔震层刚度对于基础隔震体系基频和结构反应的影响.     

Soil–structure interaction effects on base-isolated buildings founded on soil stratum

The present study investigates the effects of soil–structure interaction (SSI) on the response of base-isolated multistory buildings founded on an elastic soil layer overlying rigid bedrock and subjected to a harmonic ground motion. Initially a four-degree-of-freedom system (4-DOF) is developed and the equations of motion are formulated in the frequency domain. Frequency independent expressions are used to determine the stiffness and damping coefficients for the rigid surface foundation on the soil-stratum underlined by bedrock at shallow depth. Assuming the foundation mass to be negligible, an equivalent two-degree-of-freedom (2-DOF) system is derived. The first mode of motion of the equivalent 2-DOF system appears to be sufficient to describe the response of the overall system for all ranges of stiffness and inertia properties of the structure and its isolation. An extensive parametric study demonstrates that SSI effects are significant, primarily for squat, light structures, founded on soil-stratum of low stiffness. The methodology could serve as a means to perform a preliminary seismic design of base-isolated building structures founded on homogenous soil-stratum over bedrock.