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1、浅谈高等结构动力学一、土与结构相互作用地震波由震源发出，通过场地土的传播输入到结构体系，使建筑物发生振动。这时，结构体系产生的惯性力如同新的震源又反作用于场地，引起新的场地振动再作用于结构，这种现象成为称为土与结构体系的动力相互作用。从表现形式来看，土与结构动力相互作用可分为： （1）惯性力引起的相互作用：位于地面上的结构物受到垂直入射地震波作用时，结构基础运动实际上由自由场地的运动和上部结构惯性力引起的附加地动产生，这种由上部结构惯性力引起的附加地动再作用于结构称为惯性相互作用。（2）运动相互作用：考虑斜向输入地震波时，基础除受地动引起上部结构惯性力作用外，由于在场地内传播带有相位差的波动到
2、达基础地面时，场地的位移受到约束，在基础与地基交界面上产生约束力，从而影响场地的运动，由此形成了结构与地基体系的运动相互作用。二、土与结构相互作用研究进展土与结构动力相互作用研究方法有： （1）理论方法； （2）原型测试； （3）室内试验。其中室内试验主要是对地基土的物理力学性质的测量，以确定理论分析模型的参数，由于对无限地基辐射阻抗模拟的困难，模型试验并未得到发展。原型测试包括激振试验和强震观测两个方面，近年来得到了一定的发展，但在验证结构地基动力相互作用的理论模型方面的研究成果还不多。理论分析方法包括：（1）直接法； （2）子结构法；（3）集中参数法。1）直接法直接法就是将地基与结构作为一
3、个完整的系统进行分析，这种方法可以同时得到地基反应与结构的反应。当采用时域逐步积分时，可以考虑地基的非线性。但由于自由度多，计算量较大。只对简单边界条件与均匀（或简单层状）介质已经求得了解析解答。求一般情况的解析解答是比较困难的，通常采用数值法或半解析数值法求解。常用的数值法或半解析数值法有：（1）有限元法；（2）边界元法；（3）无限元法等。2）子结构法将上部结构与地基分为两个或多个子结构，每个子结构可以分别独立地进行分析。各子结构可以采用不同的或相同的数值模型，然后通过各子结构间接触面的协调条件进行综合求解。这种分析方法具有很大的灵活性，计算量较小，但由于子结构法利用了迭加原型，理论上只适用
4、于线性系统，其应用范围受到了限制。子结构法也无法直接获得土体中位移和应力场的变化情况，因而无法用于土与结构动力相互作用对地基稳定性影响的研究。3）集中参数法集中参数法是将半无限地基简化为弹簧阻尼质量系统。这种方法概念明确，应用方便，在工程应用中具有广泛的应用前景。但对非均匀、非线性或地形变化较大的复杂地基而言，集中参数法不再适用。三、工程中应用的实际问题现将土与结构动力相互作用有关的问题归纳如下：（1）地震荷载输入问题； （2）参数和地震激励的随机性对土与结构动力相互作用的影响问题；（3）结构与地基非线性问题； （4）多相介质模型问题；（5）土与结构动力相互作用对地基的影响问题；（6）巨型大跨
5、度结构的相互作用间题； （7）地基的材料阻尼问题； （8）模型试验与原型观测问题。本文就几个现在研究得较多的有关土与结构相互作用的工程应用问题作一个简单分析。（1）需要考虑土与结构动力相互作用的情况考虑土与结构动力相互作用后，结构反应总是与刚性地基假定的计算结果有差别的，但这个差别是变化的，当这个差别小到可以忽略的时候，就可以按刚性地基假定来进行计算。刚性地基假定计算简单、方便，并且有很多工程实践经验和计算机程序可以利用，现有抗震规范的一些计算理论也是基于刚性地基假定制定的，刚性地基假定的计算理论是非常受广大工程师欢迎的。这样就提出了一个问题，在什么情况下，基于刚性地基假定的理论适用，或者说在
6、什么情况才需要考虑土与结构动力相互作用的问题。赵均等提出，在场地土质较软（VS150m/s）的地基条件下，建造单层结构等上部刚度相对较大的结构时要考虑土与结构动力相互作用的影响，上部结构较柔的高层建筑，当建造在中硬场地土上时（VS270m/s） ，可不考虑土与结构动力相互作用。但在实际应用时，结构刚、柔如何判断还需要解决。王松涛提出利用结构基本固有周期和场地类别来判断是否需要考虑土与结构动力相互作用。当结构基本固有周期大于2s（对应类场地）或1.5s( 对应类场地 )时，可不考虑基底剪力的折减，但不同基础形式及埋深的影响无法考虑。上述这些方法都是从不同的角度给出了一些判别条件，但都有一定的局限
7、性。判别是否需要考虑土与结构动力相互作用，首先应确定一个工程上能够接受的影响范围，然后综合考虑影响土与结构动力相互作用效应的主要因素，结合工程实践，确定一个工程应用比较方便的判别条件。（2）土与结构动力相互作用的实用计算虽然土与结构动力相互作用的研究已经取得了很多的研究成果。但这些研究成果往往都比较复杂，很难在工程中进行推广应用，工程上急需要一些既能反映土与结构动力相互作用的特征，又简单、方便的应用计算方法。美国 ATC-3是最早将相互作用分析引入抗震设计规范的。其基本思想是将建筑物的周期和阻尼作一定调整， 以考虑相互作用的影响， 这是基于单质点体系分析的结果。建筑抗震设计规范 GBJ11-8
8、9 ，只简单考虑了土与结构动力相互作用，根据场地的类别和结构型式的效应折减幅度10%-20% 。在该规范的条文说明中给出了一些折减系数。这种简单计算还有一些局限性，而且这些系数都是在弹性阶段得到的。两步或多步设计法，就是先将结构简化为简单的集中质量体系，按土与结构相互作用求得基底处的地震动，将此地震动再输入到刚性地基假定的结构上，求其反应。这是一种比较简单易行的方法，但还是比较麻烦，且模仿原结构的集中质量体系的确定也比较困难。土与结构动力相互作用的实用计算，应该考虑充分利用现有的刚性地基假定的研究成果。考虑影响土与结构动力相互作用的主要因素，将直接对刚性地基假定的计算结果进行修正来考虑土与结构
9、动力相互作用的影响，可能是一种有效办法。（3）相邻建筑物间的相互影响由于人口的增加，城市建设用地也越来越紧张，房屋间距越来越小，建筑物间的相互影响逐渐引起人们的重视。姜忻良等比较系统地研究了两个等同结构间的相互作用的影响，并得出了一些有益的结论：当L2.5B 时，结构间的影响要考虑，特别是当 L0.5B 时（L 为结构间的间距， B为结构基底宽度），结构间的影响是不能忽视的。但对于老城市改造中出现的新建高层建筑对邻近低矮多层建筑的影响、地下大空间的开发、地上结构与地下结构间的相互影响以及结构间的碰撞问题都还有待进一步研究。（4）土与结构动力相互作用对结构主、被动控制的影响由土与结构动力相互作用效应可知，土与结构动力相互作用改变了结构的反应，主动控制设计中应予以考虑，否则就有可能达不到预期的控制效果，甚至出现相反的效果。对于被动控制，由于改变了原来结构（没有加被动控制的结构）的刚度和阻尼，结构反应也相应发生了变化，土与结构动力相互作用的影响也会发生变化。目前这些方面的研究还比较少。
