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1、工程中土结构动力相互作用的实际应用问题摘 要： 本文主要针对土一结构动力相互作用的效应和分析方法作了简要的回顾，对土一结构动力相互作用的几个实际应用问题进行了分析讨论，所设计的诸多问题，还有待于广大科研工作者继续研究。关键词： 地震特性 土一结构动力相互作用 实际问题 研究现状 讨论一、概述由于地基的柔性和无限性，使得按刚性地基假定计算出来的结构动力特性和动力反应与将地基和结构作为一个整体计算出来的结果有所不同，由于将地基与结构作为一个体系进行分析，使得输入地震的特性与刚性地基假定的也有所不同。这些差别就是由土结构动力相互作用引起的。（一）、土结构动力相互作用效应1、结构动力特性（1）由于地基
2、的柔性，使结构的基本周期延长，一般可延长10%150%；（2）由于地基的无限性，使结构的振动能量部分通过波传播向无限地基发生散射，形成了能量辐射，相当于结构体系的阻尼增大。2、结构反应（1）从文献土与结构相互作用地展反应研究及实用计算中的计算结果可知，大部分基底剪力是减小的，但也有一小部分是增大的。从这里也能够看出来，不能简单地认为按传统的刚性地基假定计算出来的地震作用进行抗震设计总是偏于安全的；（2）考虑土结构动力相互作用的结构位移是由基础平移、基础转动和结构本身变形三部分组成的，与刚性地基假设计算结果相比，结构顶点位移一般都相应地增大。结构刚度越大，场地越软，结构顶点的位移增大得越多；（3
3、）由于底部剪力和层间剪力一般是减小的，故结构的层间位移一般也是减小的。3、地震动特性的变化（1）改变了地基运动的频谱组成，使接近建筑结构自振频率的分量得到加强；（2）地基的加速度幅值较邻近自由场地的要小。（二）影响土结构动力相互作用效应的主要因素1入射地震波的特性和入射角度；2土的动力特性、土层的厚度及土层的排列顺序；3基础的型式及埋置深度；4基础的平面形状和抗弯刚度；5结构的动力特性和相对高度。（三）土结构动力相互作用研究的主要内容1地面自由场运动及其受结构反馈的影响；2地基阻抗的确定；3土结构耦合响应分析。二、研究现状土结构动力相互作用的研究可以追朔到1904年Lamb对弹性地基振动问题的
4、分析。到1936年，Reissner通过对Lamb解的积分，研究了刚性圆形基础板在竖向荷载作用下的振动问题，开始了土结构动力相互作用问题的真正研究，之后又有QuinLan等对Reissner解的修正。进人五十年代，Bycroft对圆形基础板的竖向、水平 、摆动、扭转诸方面进行了全面的研究。六十年代，土结构动力相互作用引起了更多学者的关注，对各种类型的刚性基础板在不同方向上的振动问题进行了更详细的研究，其中比较有代表性的人物有Amold、Luco和Lysmer等。其中值得一提的是Lysmer提出的工程上应用比较方便的集中参数法。后来Hall、Thomson、Luco等人对这一方法进行了推广，Wo
5、lf等又将这一方法推广到层状地基上。这一阶段奠定了土结构动力相互作用的理论研究基础。进入七十年代后，由于数值计算理论和计算机技术的发展，以及一些重大工程的相继修建，推动了土结构动力相互作用问题研究的迅速发展。这一阶段在理论计算上主要以数值方法为主，分析方法也从整体分析的直接法发展到将土 、结构分别进行分析的子结构法。最近，在继续进行各种理论探讨的同时，现场模型试验研究和对强震记录的分析研究也受到人们广泛的关注，并有可能成为土结构动力相互作用研究的新一轮热点。三、研究方法简介土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
6、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。（一）直接法直接法就是将地基与结构作为一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
7、析数值法有：（1）有限元法；（2）边界元法；（3）无限元法等。1、 有限元法由于有限元法比较灵活方便，在工程中得到了广泛的应用，但由于无法模拟无限地基的辐射阻尼，而必须引人人工边界。常用的人工边界有：（1）Lysmer最早提出的粘滞阻尼边界；（2）Whit等提出的统一边界；（3）Smith提出的迭加边界;(4)Clayton等人提出的旁轴边界;(5)廖振鹏等提出的多次透射边界。关于这些边界的特点，在文献3中都有评说。2、边界元法边界元法是在原来有限元基础上，通过基本解将支配物理现象的域内微分方程变换成边界上的积分方程，然后在边界上离散化数值求解。由于边界元法自动满足远场的辐射条件，无需引入人工
8、边界，因此在土结构动力相互作用分析中得到了广泛的应用。3、无限元法无限元法是在原来有限元基础上，将计算域边界处的单元沿外法线无限延伸而沿无限方向引人解析函数，故属于半解析半数值方法的一种。数值法或半解析数值法不只是上述提到的三种，还有其它方法，以及它们之间的相互组合，例如：有限元边界元法；有限元无限元法等。（二）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，理论上只适用于线性系统，其应用范围受到了限
9、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，因而无法用于土结构动力相互作用对地基稳定性影响的研究。（三）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。四、工程中应用的实际问题关于土结构动力相互作用发展动态的评论文章很多，很多人都进行过评述，想将有关问题归纳如下：（1）地震荷载输人问题；（2）参数和地震激励的随机性对土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）土结构动力相互作用对地基的影响问题；（6）巨
10、型大跨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。这些问题将成为将来研究的重点。下面，本文就几个现在研究得较多的有关，相互作用的工程应用问题作一个简单分析。（一）需要考虑土结构动力相互作用的情况考虑土结构动力相互作用后，结构反应等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
11、性地基假定的理论还适用，或者说在什么情况才需要考虑土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（VS270 m/s），可不考虑土结构动力相互作用。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有益的
12、判别条件，但都有一定的局限性。判别是否需要考虑土结构动力相互作用，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。（二）土结构动力相互作用的实用计算虽然土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人抗震设计规范的。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 GB
13、J11-89，只简单考虑了土结构动力相互作用，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结构动力
14、相互作用的影响，可能是一种有效办法。（三）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。（四）土结构动力相互作用对结构主、被动控制的影响由土结构动力相互作用效应可知，土结构动
15、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，土结构动力相互牛用的影响也会发生变化。目前这些方面的研究还比较少。五、结束语综上所述，土结构动力相互作用的研究受到了广泛的关注，随着核电站、高层建筑、高拱坝、海洋平台等重大工程的修建，土结构动力相互作用的研究还是继续受到广大科研工作者的重视，特别是工程界所关注的一些实用计算的问题将普遍受到重视，结构工程中所涉及应用的实际问题，还有待于做进一步的研究。本文所述及的几个实际应用问题，不到之处还请广大科研工作者再做进一步的研究和探讨。参考文献：1 王开顺等，土与结构相互作用地展反应研究及实用计算。建筑结构学报 北京：中国建筑结构学报；2 张鸿公，土结构动力相互作用理论与应用。二十一世纪土木工程科学的发展趋势M 北京：科学出版杜；3 张趁汉，结构地基动力相互作用问题。结构与介质相互作用理论及其应用M 南京：河海大学出版社；4 严士超，结构（桩）地基相互作用研究的若干问题。结构与介质相互作用理论及其应用M 南京：河南大学出版社；5 姜忻良等，相邻结构地基土相互作用的分支模态实用研究。地震工程与工程振动M 土木工程学报。
