结构-桩-土相互作用体系抗震性能的研究
结构-桩-土相互作用体系抗震性能的研究
摘要：现有抗震设计方法都是把上部结构与地基基础作为两个独立的系统分开考虑，而忽略了结构地基的相互作用。本文基于结构动力学基本原理，结合桩-土-结构相互作用体系振动台试验成果，研究了结构-桩-土相互作用对上部结构顶层加速度反应的影响。研究结果将对抗震设计和防震减灾具有重要的研究意义。
关键词：抗震设计方法；结构-桩-土；相互作用；上部结构；顶层加速度反应
1 引 言
2011年3月11日，日本东北部海域发生9.0级特大地震，给日本带来了惨重的人员伤亡和巨大的经济损失。这起历史罕见的地震灾害再一次引起了人们对结构抗震设计方法的关注。目前，国内外建筑抗震设计规范所采用的方法均基于刚性地基假定，即把上部结构与地基基础作为两个独立系统分开考虑，而忽略了上部结构与地基基础的相互作用。这样的假定只有当采用理想刚性地基时才是正确的。在实际工程中，当发生地震时，高层建筑、桩基础和地基组成一个复杂的动力体系，在地震波激励下产生相互作用。地震波通过地基和基础激励上部
结构产生振动，而上部结构又将能量反馈到地基和基础上，使整个动力体系处于相互制约、相互影响的变形协调之中[1]。所以，对于一般地基，特别是软土地基，进行抗震设计时则应考虑上部结构-桩-土相互作用的影响。
2 结构-桩-土相互作用研究理论基础
2.1 结构-地基动力相互作用
地震发生时，从震源发出的地震波,经过场地土传播输入结构体系使其振动，同时，结构体系产生的惯性力如同新的震源又反过来作用于地基，引起新的地振动再次作用于结构体系，这种结构与地基间循环的振动作用称为结构-地基动力相互作用[2]。结构-地基动力相互作用包含两层含义，一是地基基础对上部结构体系振动特性的影响；二是上部结构对地基基础的影响，即上部结构对底部输入地震波的反馈作用。
2.2 结构-地基动力相互作用的规律
与刚性地基上的结构相比，地震作用下结构-地基动力相互作用的规律一般可归纳为[3]：结构地震反应改变--内力和弹性位移反应改变；结构动力特性改变--自振周期延长，振型改变，
阻尼比改变(一般为增加)；地基运动特性改变--接近结构自振频率的分量加强，加速度幅值减少。
2.3 结构-桩-土相互作用研究理论基础
根据结构动力学原理[4]，柱顶位移由柱子的平动、摆动和柱子本身的弹性变形三部分组成，其各量之间的关系如图1所示，即
其中： 。
对加速度有：
图1 柱顶加速度反应组成分析
土加于
其中： 为柱顶总体加速度反应，可通过测点测出； 为柱底平动加速度分量，也可通过测点测出； 、 由竖向布置的测点测出。因此，柱子本身的弹性变形引起的加速度分量 可由下式计算得到：
3 相互作用体系上部结构顶层加速度反应研究
钱德玲课题组[5]在同济大学土木工程防灾国家重点实验室进行了桩-土-上部结构相互作用体系振动台模型试验，根据上述结构动力学原理，对本次试验上部框架结构顶层加速度反应组成进行分析。将上部结构顶层加速度作为总体加速度。因此，上部框架结构顶层总体加速度 由桩基平动加速度分量 、桩基摆动加速度分量 和上部框架结构变形加速度分量 三部分组成。上部结构顶层加速度各分量的傅氏谱如图2所示。
可以得到以下规律：
（1）上部框架结构顶层加速度反应组成主要取决于桩基平动刚度、桩基转动刚度和上部结构刚度图2 上部结构顶层加速度各分量的傅氏谱
各自所占的比重。试验中由于桩端埋置于较密实的砂土中，使得桩基平动和转动刚度较大，而上部结构刚度相对较小，所以上部结构变形加速度分量所占的比重相对较大。这与图示相吻合，由图2可以看出，上部结构顶层加速度 主要由上部结构变形加速度分量组成，其次是桩基转动引起的摆动加速度分量和桩基平动加速度分量。这说明与其他基础形式相比，桩基础能充分发挥桩-土相互作用的潜能，具有良好的抗震性能。
（2）由图2还可以看出，随着输入地震波加速度峰值的增大，各加速度分量的频谱组成由高频向低频移动。试验中当地基土发生液化，非线性发展，桩基的转动刚度和平动刚度下降较大，上部结构裂缝非常细小，相对而言刚度下降较小。这与图中摆动加速度分量和平动加速度分量向低频移动最为明显的结论一致。这表明液化降低了桩-土相互作用的潜能，削弱了结构的抗震性能。
4 结论
日本东北部海域特大地震引起了作者对结构抗震设计方法的思考，指出抗震设计规范中把结构、地基基础作为两个独立的系统分开考虑忽略了结构-地基相互作用的影响，提出对于一般地基，特别是软土地基，进行抗震设计时则应考虑上部结构-桩-土相互作用的影响。以结构动力学基本原理为基础，并结合桩-土-结构相互作用体系振动台试验研究了结构-桩-土相互作用对上部结构顶层加速度反应的影响，得出如下结论：
（1）上部框架结构顶层加速度反应组成主要取决于桩基平动刚度、桩基转动刚度和上部结构刚度各自所占的比重。试验中由于桩端埋置于较密实的砂土中，使得桩基平动和转动刚度较大，而上部结构刚度相对较小，所以上部结构变形加速度分量所占的比重相对较大。
这说明与其他基础形式相比，桩基础能充分发挥桩-土相互作用的潜能，具有良好的抗震性能。
（2）随着输入地震波加速度峰值的增大，各加速度分量的频谱组成由高频向低频移动。试验中当地基土发生液化，非线性发展，桩基的转动刚度和平动刚度下降较大，上部结构裂缝非常细小，相对而言刚度下降较小。这与图中摆动加速度分量和平动加速度分量向低频移动最为明显的结论一致。这表明液化降低了桩-土相互作用的潜能，削弱了结构的抗震性能。
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