地震作用下高层建筑的群楼效应机理研究

以高层建筑群为研究对象，提出群楼体系的概念进行地震作用下多个建筑与土体耦合场的动力相互作用问题的研究。首先，采用解析和数值计算方法，研究群楼体系的耦合阻抗函数，进而研究多个建筑与土体相互作用对结构动力特性影响的变化机理，并建立耦合场下结构动力特性变化的计算模型；其次，根据群楼体系内结构地震反应的相互作用现象，提出群楼效应的概念，并定义群楼相互作用系数指标用以定量分析群楼效应，随后对建筑分布分别采用周期模型和随机模型进行结构地震反应分析，将群楼体系中与建筑特征有关的量看作随机变量，从而建立群楼相互作用系数的统计计算模型；第三，进行理论分析和振动台试验的对比研究，验证计算模型的合理性；最后，根据理论分析、数值计算和实验研究的结果，以现有单体建筑下土－结构动力相互作用简化计算模型为基础，提出一个反映群楼效应影响的简化计算模型，用于群楼体系的抗震分析和设计。

以城市环境下高层建筑群为研究对象，研究了邻近建筑对结构地震反应的影响。研究内容主要包括高层结构简化动力模型、结构-土-结构体系动力特性、阻尼矩阵构建方法等的理论分析、数值计算以及离心机振动台试验研究。主要研究成果有：(1)提出了修正模态摄动法用以计算变截面Timoshenko梁的动力特性，在此基础上，建立了任意荷载作用下Timoshenko梁动力反应的振型叠加法。(2)针对时程分析过程中，阻尼矩阵对结构动力反应的显著影响，以结构的峰值位移最小为优化目标，建立了可直接确定Rayleigh阻尼系数的优化求解方法，在此基础上，进一步提出Rayleigh阻尼系数约束优化解法和Caughey阻尼系数优化解法。从而建立可考虑结构动力特性、激励空间分布和频谱特性影响的Rayleigh阻尼系数和Caughey阻尼系数。(3)将上部结构简化为等效单自由度模型，采用刚性基础明置于均质土层上。系统地研究两个相同结构所构成结构-土-结构体系动力特性的变化规律。根据结构-土-结构体系中存在两阶频率相近相位相反振动模态的现象，提出了孪生频率的概念。随后，探讨了孪生频率随结构与土层的频率比、两结构之间距离与基础宽度比的相对距离、基础宽度与土层厚度的宽厚比等因素的变化规律。计算结果表明，当相对距离小于2.5、频率比大于0.7，宽厚比在0.7至2.5之间时，孪生频率相对变化量超过15%。然后，进行了行波地震输入下结构-土-结构相互作用体系动力反应计算，计算结果表明，由于孪生频率的存在，易于使结构和场地产生拍的现象。(4)在水平地震作用下对比分析了土-结构相互作用体系和结构-土-结构体系中基础水平加速度、摇摆加速度反应。数值结果表明：邻近结构主要对结构的摇摆振动有显著影响，当相对距离小于0.5，邻近结构可使摇摆振动变化超过15%。但对结构的水平地震影响很小，可以忽略不计。(5) 采用模型实验研究了框架结构在刚性基础、单一结构土-结构相互作用和结构-土-结构相互作用下系统的频率、模态和阻尼比的变化情况。根据脉冲激励下结构的响应识别出三个系统的模态参数。尤其是提出在箱体上进行单一激励，结构上多点输出的方式，成功识别出了结构-土-结构体系的孪生频率。同时离心机振动台的试验结果表明：结构-土-结构体系基础的竖向位移和摇摆振动增加；两结构有一定角度的结构-土-结构体系，扭转振动明显加强。