軟弱地基上隔震結構地震反應及隔震效果的預測方法研究

于旭　莊海洋　陳國興　劉帥

摘要：基于軟弱地基上隔震結構的動力反應特征，提出了軟弱地基-隔震結構相互作用體系的動力特性簡化分析方法，在此基礎上建立了軟弱地基條件下考慮SSI效應的水平向減震系數、隔震結構剪力及隔震層位移的簡化預測方法，通過簡化方法的計算結果與振動臺模型試驗結果、時程分析計算結果的對比分析，驗證了提出的簡化分析方法的可行性和易用性，對比分析結果同時表明簡化方法得到的預測結果具有較理想的精度，能夠合理反映軟弱地基-隔震結構體系的動力相互作用效應，為評估軟弱地基上SSI效應對隔震結構設計方案的影響提供了有效方法。

關鍵詞：隔震結構；土-結構動力相互作用；軟弱地基；地震反應；預測方法

引言

隔震建筑在美國北嶺地震和日本阪神地震中表現出優異的抗震性能，目前在建筑工程領域得到了廣泛運用。實際工程中隔震結構可能建于軟弱地基上，日本現行《隔震結構設計規范》指出：在軟弱場地的情況下，地震動出現長周期化的同時，建筑物-地基的相互作用對輸人地震波特性有可能產生相當大的影響。目前，軟弱地基-隔震結構動力相互作用的研究主要以數值分析為主，近年來，國內學者相繼開展了不同場地條件、不同上部結構的隔震結構振動臺模型試驗的開拓性研究，對軟弱地基上多層隔震結構及高層隔震結構的動力反應特征進行了系統研究，研究結果表明：土-結構動力相互作用對軟弱地基上隔震結構的地震反應和隔震效果有著顯著的影響，軟弱地基上按剛性地基假定設計的隔震結構并不能保證達到預期的隔震效果。因此，為合理設計軟弱地基上的隔震結構，應考慮SSI效應對隔震結構的地震反應及隔震效果的影響，建立面向工程應用的軟弱地基上隔震結構地震反應及隔震效果的預測方法，這對軟弱地基上隔震結構的抗震設計具有十分重要的意義。

目前，國內外對于土-非隔震結構動力相互作用的研究在理論和應用上已取得了很大的進展和豐碩的成果，面向工程應用的考慮SSI效應的簡化預測方法也已經被納入ATC和BSSC規范，但對于軟弱地基-隔震結構動力相互作用體系，面向工程應用的考慮SSI效應的簡化預測方法研究還很少，針對該科學問題的主要研究方法可分為理論分析和數值模擬。在理論分析方面，Constantinou等基于復特征值方法研究了SSI效應對隔震結構動力特性的影響，但該方法比較復雜，不利于工程技術人員掌握，Spyrakos等分別采用彈簧和阻尼器模擬土與結構的相互作用，建立了等效的理論分析模型，并給出了具體的簡化計算方法；分析結果認為SSI效應對隔震結構體系阻尼的影響很小，這與已開展模型試驗的研究結果并不相符。在數值模擬方面，Kyung等采用有限元和邊界元的耦合，驗證了建立土一隔震結構動力相互作用體系的時域數值計算方法的可行性；李延濤和李忠獻等基于有限元分析方法，分析了考慮土-結構動力相互作用時基礎隔震結構的動力特性與地震反應，項征和趙斌等通過建立有限元分析模型和計算方法，詳細研究了軟土地基上鉛芯橡膠支座基礎隔震體系的基本頻率和動力反應規律。張之穎和呂西林等利用有限元分析方法，研究了地基-結構相互作用效應對基礎隔震結構隔震效果的影響，對考慮和不考慮SSI效應時隔震體系的動力特性和地震響應的差異進行了對比。上述數值分析方法的建模比較繁瑣，也不利于工程技術人員掌握，同時數值分析得出的多數規律和結論有待模型試驗或現場試驗的進一步驗證。然而，Veletsos A S以及Wolf J P等深入研究了基礎與地基的相互作用問題，對基礎的振動阻抗進行了廣泛的研究，其研究成果為軟弱地基-隔震結構動力相互作用的簡化計算奠定了基礎。

本文基于軟弱地基上隔震結構的動力反應特征，提出了軟弱地基-隔震結構相互作用體系的動力特性簡化分析方法，在此基礎上建立了軟弱地基上考慮SSI效應的水平向減震系數、隔震結構剪力及隔震層位移的簡化預測方法，并結合振動臺模型試驗結果及工程實例的時程分析結果進行了驗證。