地震激励下场地动力特性对土-结构相互作用系统响应的影响机理研究

Based on the fact that the naturally layered site is of definitely site dynamic characteristics, but most studies on soil-structure interaction up to now adopt the assumption of homogeneous half-space which ignores the site dynamic characteristics, the current work uses the model of 3D (saturated) layered site - foundation - MDOF oscillators, to reveal the influence mechanism of site dynamic characteristics such as soil-layer thickness, soil-layer stiffness, bedrock stiffness, porosity and permeation boundary condition, on the dynamic responses of soil-structure interaction characterized by system period, system damping and system peak to the seismic excitation, and to obtain the practical formulae of system period, damping and peak which take into account the site dynamic characteristics. The model of 2D layered site - foundation - MDOF oscillators is used further, to study the error caused by using a 2D cross-section model to calculate the dynamic responses of a 3D structure, and to obtain the practical formulae to correct this error. The results of the current work can provide theoretical guidance to the engineering seismic design, the revision and improvement of seismic code, and the seismic safety evaluation, being of important engineering and scientific values.

鉴于实际场地的天然层状结构具有明确的场地动力特性，而目前有关土-结构相互作用系统响应的研究大多采用均匀半空间假设，很少考虑场地动力特性影响的现状，本项目拟采用三维（饱和）层状场地-基础-多自由度结构模型，揭示地震激励下场地动力特性因素如土层厚度、土层刚度、基岩刚度、孔隙率、渗透边界条件等对土-结构相互作用的系统周期、系统阻尼和系统峰值等系统响应特征的影响机理，并获得考虑场地动力特性的系统周期、阻尼和峰值的实用计算公式；进一步采用二维层状场地-基础-多自由度结构模型，研究用二维截面代替三维结构计算系统响应而导致的误差，并获得误差纠正的实用计算公式。项目成果可为工程抗震设计、我国抗震规范的修订与完善、以及结构地震安全性评估等问题提供理论依据，具有重要的工程价值和科学意义。

实际场地的天然层状结构具有明确的场地动力特性，当地震波入射时，入射波的波路效应是场地动力特性的强相关函数。过去认为土-结构相互作用的系统动力特性与波路效应有关，即层状场地的场地动力特性和系统动力特性耦合在一起，这对于揭示土-结构相互作用的机理问题造成了不少困难。项目团队发展了一种能将入射波的波路效应从系统动力响应中分离的理论，从而将激励和动力系统本身解耦，为专门研究系统本身提供了较大便利。并在此基础上对比了动力学中计算系统周期、阻尼和振型等关键动力参数的主要方法，总结提出了最适合土-结构动力相互作用系统的方法。. 工程场地的土颗粒之间实际上充满了孔隙，当这些孔隙中充满水时就形成了饱和场地，如水位线以下土体、雨后地表土等。饱和场地中的孔隙水会对场地动力特性造成较大影响，进而影响到土-结构相互作用系统的动力响应。研究表明，饱和场地中土-结构动力响应峰值频率比弹性场地稍有偏移，偏移量受孔隙率、渗透边界条件等饱和介质特征影响，但是这些量对系统阻尼和峰值的影响不大。当基岩刚度较大时不透水界面上的孔隙水压也较大。当土层厚度较大时，孔隙水压在频域中有较多的峰值。. 许多建筑物大体呈三维空间矩形结构，但由于三维矩形基础阻抗函数的计算量大，有关土-结构相互作用的研究一般都选用二维模型或轴对称模型。项目团队采用了一种无奇异面源分布荷载格林函数和间接边界元法，并开发了一种矩形的“阶梯”对称方式，将计算量显著降低到了可承受水平，得到了层状半空间长+宽+埋深三参数矩形基础在六个自由度上的阻抗函数。在此基础上，比较了不同长宽比的三维模型和二维模型的动力特性和动力响应，研究了二维分析产生的误差，并以图表的形式提供修正系数以供实用。由于二维分析的计算规模小，在应用方面具有较大优势，研究成果可拓展二维分析的适用性并提高安全性。