D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.0L.002 第29卷第1期 北京科技大学学报 Vol.29 No.1 2007年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2007 基于土层集总参数模型的土结构动力相互作用分析 王满生1,2)潘旦光)周锡元3) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)阿拉斯加大学安克雷奇分校工程学院，AK99508,美国 3)北京工业大学抗震减灾研究所，北京100022 摘要在土结构动力相互作用简化分析中，基于弹性半无限地基的假定，采用双自由度集总参数模型来简化土层，建立了 基于土层集总参数模型的土结构动力相互作用的分析模型，主要研究了不同土层对上部结构地震反应的影响，分析了在中 硬、中软两种场地上5层和15层结构的地震反应，并与刚性基础假定下同样结构的地震反应分析比较，结果表明，对比较刚 性的结构考虑土结构相互作用可能存在一定的有利因素：对高层建筑，土结构相互作用可能导致结构在地震作用下的层间 变形较大幅度增加，是不利因素· 关键词双自由度集总参数模型：地基土：土结构相互作用：地震反应 分类号TU435 通过对结构地震反应的观测、分析和工程实践， 模型进行时程分析，并考虑上部结构的非线性影响 人们愈来愈深刻的认识到土结构动力相互作用对 这种简化的物理模型应用虽然会导致一定的误差， 上部建筑地震反应具有重要影响，并已经出现了许 但是对于一般工程已能满足要求，其实，即使应用 多不同的分析方法和计算模型山.李辉等详细地 有限元等比较复杂的模型也不可能得到完全精确的 分析了国内外关于土结构动力相互作用近20种简 解，经过几十年的研究和实践，国内外学者业已提 化分析模型，其中比较常用的有SR(swing rocking 出了以一系列与频率无关的质量块、阻尼器、弹簧等 model)模型、子结构模型、有限元模型、边界元模型 物理元件按某种组合建立的多自由度集总参数物理 以及集中质量模型等。不管哪种分析模型，用于土一 模型，比如Wolf和Somaini对埋置基础提出了一个 结构动力相互作用时，都有其一定的适用性及局限 含有两个质量块、两个阻尼器和一个弹簧等五个集 性，SR模型在结构基础部分分别设置与基础水平 总参数的双自由度近似离散体系[O],De Barros与 位置和转动有关的水平弹簧和转动弹簧的较为简单 Luco建立了另一个含两个弹簧、两个阻尼器、一个 的计算模型，主要用于了解土结构动力相互作用 质量块组合而成的五参数模型门，还有其他国外学 对上部结构地震反应的影响：但由于水平、转动弹簧 者建立的3个、10个或18个独立参数的等效模 刚度是频率的函数，且模型应用了叠加原理，所以只 型[8]，我国学者栾茂田、林皋在Wf等人的参数模 能在频率域和线性范围内加以考虑，子结构模型、 型的基础上提出了含8个集总参数的双自由度的简 有限元模型和边界元模型有较好的计算精度和稳定 化模型，所有这些集总参数模型都是以弹性半无 性，可应用于分析比较复杂的结构形式和场地条件， 限地基的假定为基础，用于近似等效或代替均匀弹 也有利于处理不规则的场问题及非线性问题3)]：但 性半空间土的动力阻抗，在所有这些集总参数模型 熟练运用这些模型不仅理论比较复杂，数值计算工 中，栾茂田、林皋提出的双自由度八个集总参数简化 作量也大，不易为工程人员接受理解。此外，这些模 模型在较宽的频率范围内能提供较高的计算精度， 型都面临着人工边界条件如何模拟的问题，这些也 也比较适用于不同类型的地基土，因此，本文采用 都是很难处理的关键问题[]，由于这些模型比较 了栾茂田、林皋提出的双自由度八个集总参数简化 复杂，因此更适合于大型建筑物，例如核电站、大型 模型对地基土简化来考虑土结构动力相互作用的 军事设施、大型水坝等需要充分考虑土结构动力 分析，文中考虑了中硬、中软、软弱三种不同类型的 相互作用问题的重大工程项目， 场地土，分别采用双自由度八参数模型分析了15层 对于一般建筑，可以应用比较简单的集总参数 和5层建筑物的地震反应，并与对应刚性地基上的 收稿日期：2005-1012修回日期：2006-05-22 结构地震反应进行了比较，分析了不同情况下上部 作者简介：王满生(1972一)男，讲师，博士 结构的自振频率和振型，以及地震引起的位移、层间基于土层集总参数模型的土－结构动力相互作用分析 王满生1‚2） 潘旦光1） 周锡元3） 1） 北京科技大学土木与环境工程学院‚北京100083 2） 阿拉斯加大学安克雷奇分校工程学院‚AK99508‚美国 3） 北京工业大学抗震减灾研究所‚北京100022 摘 要 在土－结构动力相互作用简化分析中‚基于弹性半无限地基的假定‚采用双自由度集总参数模型来简化土层‚建立了 基于土层集总参数模型的土－结构动力相互作用的分析模型‚主要研究了不同土层对上部结构地震反应的影响．分析了在中 硬、中软两种场地上5层和15层结构的地震反应‚并与刚性基础假定下同样结构的地震反应分析比较．结果表明‚对比较刚 性的结构考虑土－结构相互作用可能存在一定的有利因素；对高层建筑‚土－结构相互作用可能导致结构在地震作用下的层间 变形较大幅度增加‚是不利因素． 关键词 双自由度集总参数模型；地基土；土－结构相互作用；地震反应 分类号 TU435 收稿日期：20051012 修回日期：20060522 作者简介：王满生（1972－）‚男‚讲师‚博士 通过对结构地震反应的观测、分析和工程实践‚ 人们愈来愈深刻的认识到土－结构动力相互作用对 上部建筑地震反应具有重要影响‚并已经出现了许 多不同的分析方法和计算模型［1］．李辉等［2］详细地 分析了国内外关于土－结构动力相互作用近20种简 化分析模型‚其中比较常用的有 SR（swing-rocking model）模型、子结构模型、有限元模型、边界元模型 以及集中质量模型等．不管哪种分析模型‚用于土－ 结构动力相互作用时‚都有其一定的适用性及局限 性．SR 模型在结构基础部分分别设置与基础水平 位置和转动有关的水平弹簧和转动弹簧的较为简单 的计算模型‚主要用于了解土－结构动力相互作用 对上部结构地震反应的影响；但由于水平、转动弹簧 刚度是频率的函数‚且模型应用了叠加原理‚所以只 能在频率域和线性范围内加以考虑．子结构模型、 有限元模型和边界元模型有较好的计算精度和稳定 性‚可应用于分析比较复杂的结构形式和场地条件‚ 也有利于处理不规则的场问题及非线性问题［3］；但 熟练运用这些模型不仅理论比较复杂‚数值计算工 作量也大‚不易为工程人员接受理解．此外‚这些模 型都面临着人工边界条件如何模拟的问题‚这些也 都是很难处理的关键问题［4－5］．由于这些模型比较 复杂‚因此更适合于大型建筑物‚例如核电站、大型 军事设施、大型水坝等需要充分考虑土－结构动力 相互作用问题的重大工程项目． 对于一般建筑‚可以应用比较简单的集总参数 模型进行时程分析‚并考虑上部结构的非线性影响． 这种简化的物理模型应用虽然会导致一定的误差‚ 但是对于一般工程已能满足要求．其实‚即使应用 有限元等比较复杂的模型也不可能得到完全精确的 解．经过几十年的研究和实践‚国内外学者业已提 出了以一系列与频率无关的质量块、阻尼器、弹簧等 物理元件按某种组合建立的多自由度集总参数物理 模型‚比如 Wolf 和 Somaini 对埋置基础提出了一个 含有两个质量块、两个阻尼器和一个弹簧等五个集 总参数的双自由度近似离散体系［6］‚De Barros 与 Luco 建立了另一个含两个弹簧、两个阻尼器、一个 质量块组合而成的五参数模型［7］‚还有其他国外学 者建立的3个、10个或18个独立参数的等效模 型［8］‚我国学者栾茂田、林皋在 Wolf 等人的参数模 型的基础上提出了含8个集总参数的双自由度的简 化模型［9］．所有这些集总参数模型都是以弹性半无 限地基的假定为基础‚用于近似等效或代替均匀弹 性半空间土的动力阻抗．在所有这些集总参数模型 中‚栾茂田、林皋提出的双自由度八个集总参数简化 模型在较宽的频率范围内能提供较高的计算精度‚ 也比较适用于不同类型的地基土．因此‚本文采用 了栾茂田、林皋提出的双自由度八个集总参数简化 模型对地基土简化来考虑土－结构动力相互作用的 分析．文中考虑了中硬、中软、软弱三种不同类型的 场地土‚分别采用双自由度八参数模型分析了15层 和5层建筑物的地震反应‚并与对应刚性地基上的 结构地震反应进行了比较‚分析了不同情况下上部 结构的自振频率和振型‚以及地震引起的位移、层间 第29卷 第1期 2007年 1月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．1 Jan．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．01．002