软弱地基上隔震结构地震反应及隔震效果的预测方法研究

于旭　庄海洋　陈国兴　刘帅

摘要：基于软弱地基上隔震结构的动力反应特征，提出了软弱地基-隔震结构相互作用体系的动力特性简化分析方法，在此基础上建立了软弱地基条件下考虑SSI效应的水平向减震系数、隔震结构剪力及隔震层位移的简化预测方法，通过简化方法的计算结果与振动台模型试验结果、时程分析计算结果的对比分析，验证了提出的简化分析方法的可行性和易用性，对比分析结果同时表明简化方法得到的预测结果具有较理想的精度，能够合理反映软弱地基-隔震结构体系的动力相互作用效应，为评估软弱地基上SSI效应对隔震结构设计方案的影响提供了有效方法。

关键词：隔震结构；土-结构动力相互作用；软弱地基；地震反应；预测方法

引言

隔震建筑在美国北岭地震和日本阪神地震中表现出优异的抗震性能，目前在建筑工程领域得到了广泛运用。实际工程中隔震结构可能建于软弱地基上，日本现行《隔震结构设计规范》指出：在软弱场地的情况下，地震动出现长周期化的同时，建筑物-地基的相互作用对输人地震波特性有可能产生相当大的影响。目前，软弱地基-隔震结构动力相互作用的研究主要以数值分析为主，近年来，国内学者相继开展了不同场地条件、不同上部结构的隔震结构振动台模型试验的开拓性研究，对软弱地基上多层隔震结构及高层隔震结构的动力反应特征进行了系统研究，研究结果表明：土-结构动力相互作用对软弱地基上隔震结构的地震反应和隔震效果有着显著的影响，软弱地基上按刚性地基假定设计的隔震结构并不能保证达到预期的隔震效果。因此，为合理设计软弱地基上的隔震结构，应考虑SSI效应对隔震结构的地震反应及隔震效果的影响，建立面向工程应用的软弱地基上隔震结构地震反应及隔震效果的预测方法，这对软弱地基上隔震结构的抗震设计具有十分重要的意义。

目前，国内外对于土-非隔震结构动力相互作用的研究在理论和应用上已取得了很大的进展和丰硕的成果，面向工程應用的考虑SSI效应的简化预测方法也已经被纳入ATC和BSSC规范，但对于软弱地基-隔震结构动力相互作用体系，面向工程应用的考虑SSI效应的简化预测方法研究还很少，针对该科学问题的主要研究方法可分为理论分析和数值模拟。在理论分析方面，Constantinou等基于复特征值方法研究了SSI效应对隔震结构动力特性的影响，但该方法比较复杂，不利于工程技术人员掌握，Spyrakos等分别采用弹簧和阻尼器模拟土与结构的相互作用，建立了等效的理论分析模型，并给出了具体的简化计算方法；分析结果认为SSI效应对隔震结构体系阻尼的影响很小，这与已开展模型试验的研究结果并不相符。在数值模拟方面，Kyung等采用有限元和边界元的耦合，验证了建立土一隔震结构动力相互作用体系的时域数值计算方法的可行性；李延涛和李忠献等基于有限元分析方法，分析了考虑土-结构动力相互作用时基础隔震结构的动力特性与地震反应，项征和赵斌等通过建立有限元分析模型和计算方法，详细研究了软土地基上铅芯橡胶支座基础隔震体系的基本频率和动力反应规律。张之颖和吕西林等利用有限元分析方法，研究了地基-结构相互作用效应对基础隔震结构隔震效果的影响，对考虑和不考虑SSI效应时隔震体系的动力特性和地震响应的差异进行了对比。上述数值分析方法的建模比较繁琐，也不利于工程技术人员掌握，同时数值分析得出的多数规律和结论有待模型试验或现场试验的进一步验证。然而，Veletsos A S以及Wolf J P等深入研究了基础与地基的相互作用问题，对基础的振动阻抗进行了广泛的研究，其研究成果为软弱地基-隔震结构动力相互作用的简化计算奠定了基础。

本文基于软弱地基上隔震结构的动力反应特征，提出了软弱地基-隔震结构相互作用体系的动力特性简化分析方法，在此基础上建立了软弱地基上考虑SSI效应的水平向减震系数、隔震结构剪力及隔震层位移的简化预测方法，并结合振动台模型试验结果及工程实例的时程分析结果进行了验证。