基于振動臺試驗的超高層建筑對液化地基動力響應影響的研究*

戴啟權 錢德玲 丁森林 鮑仕杰

(合肥工業大學土木與水利工程學院，合肥 230009)

地震導致的地基液化可能會對建筑結構造成大規模破壞已是人們的共識。如在1975年的海城地震、1976年的唐山地震和2008年的汶川地震等幾次大震中，均有地基液化導致建筑結構發生嚴重傾斜和沉降，甚至倒塌的現象。針對該現象，國內外學者進行了大量研究工作。Kagawa等對液化地基條件下結構的抗震性能進行了研究［1］。陳文化等開展了建筑物存在條件下的飽和砂土地基液化振動臺模型試驗［2］。李培振等通過振動臺試驗再現液化地基上高層建筑結構沉降和傾斜現象，并對高層結構動力響應進行研究［3］。黃春霞等探索飽和砂土地基模型的設計、制備及試驗加載方式，通過振動臺試驗研究了飽和砂土地基液化特性［4］。周燕國等提出含黏粒砂土地基模型的制備技術，在振動臺上再現了地基液化現象，研究了地基液化災變特點［5］。劉晶波等在離心環境下進行地基自由場振動臺試驗，分析不同類型地基條件下土體加速度、剪應力-剪應變響應的差異［6］。綜上所述，前人針對液化地基自由場或結構-液化地基體系的研究取得了豐碩成果［7-10］，然而，結合兩類試驗進行超高層建筑對液化地基動力響應影響的研究還鮮見報道。

開展超高層建筑對液化地基動力響應的研究具有重要意義。我國相關設計標準針對液化地基上的建筑結構設計給出了部分規定，但都過于宏觀，指導意義有限。原因之一是人類對工程結構存在條件下，液化地基動力響應規律的認識還不夠，不能量化該影響。

因此，本研究以某超高層建筑工程為背景，設計超高層建筑結構及其液化地基模型，進行自由場振動臺試驗(簡稱“自由場試驗”)和超高層建筑 -液化地基相互作用體系振動臺試驗(簡稱“相互作用試驗”)，計算并對比分析地基的加速度及其傅氏譜、位移響應，研究超高層建筑對液化地基動力響應的影響，以期為液化地基上超高層建筑結構的設計、液化地基的處理提供依據。

1 振動臺試驗概況

1.1 相似關系

模型的長度相似系數SL=1/50(模型/原型)，彈性模量和加速度相似系數分別為SE=1/3，Sa=3.8，根據 Bockingham π定理推導出其他各物理量的相似系數。本試驗設計的主要物理量相似系數見表1。

表1 主要物理量動力相似系數Table 1 Primary dynamic similarity coefficients of model

1.2 模型設計和傳感器布置

地基模型由礫石、粉細砂和粉質黏土分層均勻填筑而成，總厚度為1.1 m，見圖1。底層土由最大粒徑為10 mm的礫石構成，厚度為0.5 m，為整個結構體系提供穩定的樁基持力層。中間液化層采用普通粉細砂模擬，厚度為0.5 m，所用粉細砂的顆粒分布曲線見圖2，試驗設計砂土相對密實度Dr=30%。上層為重塑的粉質黏土覆蓋層，厚度為0.1 m，覆蓋層土性參數見表2。

圖1 試驗模型相關數據Fig.1 Dimensions of test model

圖2 粉細砂顆粒分布曲線Fig.2 Grain size distribution of fine sand

表2 覆蓋層土的物理參數Table 2 The physical indexes of overlaying stratum soil

土體填筑完成后，通過預留的管道加水靜置處理24 h，使土體盡可能接近飽和狀態。

超高層建筑原型為40層的框架-核心筒結構，結構高度為178 m，簡化后的模型為20層的框架-核心筒結構，結構高度為3.566 m。建筑模型平面尺寸為 0.68 m ×0.68 m，基礎采用 3×3群樁，樁間距為0.34 m，樁長為 0.72 m。使用微粒混凝土、鍍鋅鐵絲和白鐵皮制作群樁和超高層建筑模型。根據原型結構樓層質量與模型結構質量相似關系，確定模型各樓層的配重質量為91 kg。“相互作用試驗”模型體系組裝完成后的照片見圖3。

圖3 “相互作用試驗”模型照片Fig.3 Photograp of model“system of interaction test”

群樁內地基不同高度處預埋有三個加速度傳感器，編號S1—S3，傳感器與容器底面之間的距離分別為 0，500，1 000 mm，距離群樁中心線均為170 mm。群樁外相對應 S1—S3的位置預埋有三個加速度傳感器，編號S4—S6，傳感器距離群樁中心線均為820 mm。地基中布置有6個孔隙水壓力傳感器，編號K1—K6。上述傳感器均位于模型箱圓形上、下底的兩個直徑所組成的平面內，詳細位置見圖1。

1.3 地震波加載方案

選取El Centro波、Kobe波和上海人工波(SH2)作為地震激勵，根據試驗模型的相似系數調整地震波的加速度峰值和持時，調整后的加速度峰值分別為 0.133g、0.380g、0.760g 和 1.140g(g 為重力加速度)，以模擬不同強度等級的地震。上海人工地震波的加速度時程及其相應傅氏譜見圖4。

先進行“自由場試驗”，加載方案見表3。再進行超高層建筑-液化地基動力相互作用體系試驗，加載方案見表4。

表3 “自由場試驗”地震波加載方案Table 3 Seismic wave loading schemes in“free field test”

圖4 上海人工波Fig.4 The SH-wave

表4 “相互作用試驗”地震波加載方案Table 4 Seismic wave loading schemes in“interaction test”

2 液化地基加速度響應及其傅氏譜對比

通過對“自由場試驗”與“相互作用試驗”地基相同位置加速度響應及其傅里葉幅值譜的比較，分析超高層建筑的存在對液化地基動力響應的影響。圖5為加速度峰值為0.760g的El Centro波激勵下“自由場試驗”與“相互作用試驗”中地基加速度響應及其傅氏譜的對比。

通過圖5中地基加速度時程可以看出：在相同地震波激勵下，兩個試驗中地基的動力響應明顯不同。首先，超高層建筑的存在使地基的加速度響應峰值降低，地基上部(S3處)降幅最大，降幅最大處為24.7%(S3處地基：“自由場試驗”峰值為-0.465 66，0.589 21 m/s2;“相互作用試驗”峰值為-0.350 56，0.585 08 m/s2)。其次，超高層建筑還使部分時段內地基的加速度響應滯后，且上層地基的滯后現象更明顯。同時，對比加速度響應的傅氏譜不難看出：超高層建筑使地基振動的高頻成分減少、低頻成分增加，使傅氏譜的幅值減小，說明超高層建筑的存在使地基的動力響應特性發生了顯著改變。

兩個試驗的結果對比表明：超高層建筑的存在明顯改變了液化地基的動力響應及響應特性。原因是“相互作用試驗”中超高層建筑-群樁結構耗散了一部分地震波能量，且液化地基與超高層建筑-群樁之間存在動力相互作用。因此，進行超高層建筑結構的地基設計時，應考慮建筑結構對地基動力響應的影響程度，以更加準確地進行設計。

圖5 加速度峰值為0.760g的El Centro波激勵下地基加速度響應及其傅氏譜Fig.5 Acceleration response and Fourier spectrum of foundation under El Centro seismic excitation at 0.760g

3 液化地基位移響應對比

試驗中地基內部位移的量測十分困難，因此通過對地基加速度進行兩次頻域積分來獲得地基位移。積分過程中通過合理選擇加速度基線修正的方式，確定加速度帶通濾波時的低頻和高頻閾值，保證積分的準確性。根據分析，地基底部與容器之間未產生相對滑移，將地基底部的加速度積分位移(dsoil)與臺面傳感器記錄位移(dbase)進行比較，以判斷試驗中位移積分獲取方法的準確性。加速度峰值為0.133 g的El Centro波作用下，dsoil與 dbase對比見圖6。由圖6中兩組數據的對比可知：地基底部的積分位移與臺面記錄位移基本保持一致，說明通過對加速度進行兩次頻域積分獲取地基位移的方法準確性高。

圖6 加速度峰值為0.133g的El Centro波激勵下臺面位移與地基積分位移(S1處)Fig.6 Table displacement and soil integral displacement(S1)under El Centro seismic excitation at 0.133g

利用上述加速度積分獲取位移的方法，計算得到加速度峰值為0.760g的 El Centro波激勵下地基的位移響應，見圖7，從中可見：“自由場試驗”與“相互作用試驗”中地基各部位的位移響應有明顯區別，在地基位移最大峰值方面，“相互作用試驗”大于“自由場試驗”，其原因可能是“相互作用試驗”中建筑結構與地基之間發生了共振。從地基位移隨時間變化的角度來看：2～6 s時間段內，“相互作用試驗”中地基上部(S3)的位移突然減小，這可能是地基上部受群樁和承臺的約束較大所致。由此可知：建筑結構的存在對液化地基的位移有明顯的影響，該影響因地基的不同位置有所不同。所以，工程設計中選取地基時應考慮建筑結構對地基造成的影響。

圖7 加速度峰值為0.760g的El Centro激勵下地基位移響應時程Fig.7 Earth displacement under El Centro seismic excitation at 0.760g

4 結束語

通過對液化地基自由場振動臺試驗和超高層建筑-液化地基動力相互作用體系振動臺試驗，分析比較了兩組試驗中地基的加速度響應及其傅氏譜、位移響應，得出以下結論：

1)超高層建筑的存在使地基的加速度響應峰值降低，還使部分時段內地基的加速度響應滯后。

2)超高層建筑使地基振動的高頻成分減少、低頻成分增加，使傅氏譜的幅值減小，說明超高層建筑的存在使地基的動力響應特性發生了顯著改變。

3)“相互作用試驗”中地基位移最大峰值大于“自由場試驗”，可能是“相互作用試驗”中建筑結構與地基之間發生共振所致。

4)工程設計中選取地基時應考慮超高層建筑結構對液化地基造成的影響。研究結果對液化地基的動力響應計算具有重要參考意義。

·信 息·

“2018中國鋼結構大會暨七屆二次會員代表大會”于11月2—4日在河北省石家莊市隆重召開。會議由中國鋼結構協會、國家鋼結構工程技術研究中心、中冶建筑研究總院有限公司主辦，河鋼集團有限公司、河北津西鋼鐵集團股份有限公司、中國二十二冶集團有限公司、金環建設集團有限公司共同承辦，多維聯合集團有限公司、北京賽博思建筑設計有限公司等單位協辦。出席本次大會的代表有國內外相關企、事業單位、高校和科研院所的專家、學者600余人。

全體代表對《中國鋼結構協會章程》(2018修訂稿)、《中國鋼結構會費管理辦法》(2018修訂稿)進行了投票表決，聽取了中國鋼結構協會2018年度財務報告，形成了七屆二次會員代表大會決議和七屆四次理事會決議。

會上對獲得2018年度“中國鋼結構協會科學技術獎”和“鋼結構杰出人才獎”的單位和個人頒發了獎牌證書。2018年協會年度科學技術獎21項，其中，特等獎2項，一等獎5項，二等獎5項，三等獎9項;年度杰出人才獎獲得者6人。

大會同期，還舉辦了中國鋼結構協會2018“津西杯”全國大學生創新設計競賽，2018鋼結構展覽會與新產品發布會，中日鋼結構協會及AOTS工作會議，兩岸四地鋼結構協會懇談會，京津冀地區企業家沙龍等系列活動，并組織參會代表參觀了革命圣地西柏坡。

本次會議以“把握機遇，打造鋼結構事業發展”為主題，借助“雄安新區建設”和“一帶一路倡議”的契機，系統研判鋼結構行業面臨的機遇和挑戰，促進鋼結構行業創新發展。