景立平,張嘉輝,汪 剛,陸新宇,吳 凡,張建林
(1.中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所,黑龍江哈爾濱 150080;2.防災(zāi)科技學(xué)院,河北三河 065201)
伴隨著我國(guó)十四五規(guī)劃,經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,我國(guó)對(duì)能耗的需求迅速增加,電力供給缺口也日益增大。在我國(guó)電力結(jié)構(gòu)向低碳化轉(zhuǎn)型的過(guò)程中,為滿足電力供給需求,有必要啟動(dòng)并發(fā)展內(nèi)陸核電[1]。軟土地基建立核島廠房的適應(yīng)研究是需要開展的研究工作,我國(guó)“核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50267-1997[2]”規(guī)定剪切波速大于1100m/s 時(shí),可不考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用。但是李忠誠(chéng)[3]等研究發(fā)現(xiàn)即使在剪切波速很高時(shí),抗震分析中也必須要考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用。李忠獻(xiàn)[4]等運(yùn)用ANSYS 軟件模塊建立核電廠(NPP)結(jié)構(gòu)有限元模型,發(fā)現(xiàn)SSI 效應(yīng)降低了高頻輸入對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響,使得樓層加速度峰值和反應(yīng)譜峰值增大,并且反應(yīng)譜峰值對(duì)應(yīng)頻率有向低頻移動(dòng)的趨勢(shì)。因此土與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用特征需要進(jìn)一步研究。
土與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用指的是動(dòng)荷載作用下結(jié)構(gòu)與土體間的相互作用效應(yīng),本質(zhì)上是指振動(dòng)在結(jié)構(gòu)介質(zhì)與土體介質(zhì)間傳播產(chǎn)生的波動(dòng)能量轉(zhuǎn)移效應(yīng)[5]。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是基于結(jié)構(gòu)是剛性地基的假設(shè),忽略了土-結(jié)構(gòu)相互作用(SSI)的影響。這是因?yàn)橐酝难芯科毡檎J(rèn)為考慮SSI 可以提高建筑物的抗震性能。由于SSI延長(zhǎng)了體系的自然周期,增加了體系的阻尼,VELETSOS[6]等得出結(jié)論認(rèn)為,在地震作用下,SSI可能有利于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。但是GUIN[7]等研究認(rèn)為,基礎(chǔ)的水平移動(dòng)和扭轉(zhuǎn)會(huì)放大上部結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形和層間位移。在GALAL[8]等的研究中,工況包含4種土、13種不同地震動(dòng),通過(guò)比較軟基模型和剛基模型,評(píng)估了SSI對(duì)20層框架地震反應(yīng)的影響。結(jié)論表明固定基礎(chǔ)假設(shè)不能反映真實(shí)的地震響應(yīng)。TABATABAIEFAR[9]和FATAHI[10]等進(jìn)行了15 層框架的地震響應(yīng)模擬,認(rèn)為考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用時(shí),結(jié)構(gòu)模型基于某些土層的層間位移顯著增加,傳統(tǒng)的不含SSI 的非彈性設(shè)計(jì)方法已不足以保證軟土地基上框架結(jié)構(gòu)的安全性。呂西林[11]等通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),考慮土結(jié)相互作用后,體系頻率遠(yuǎn)小于不考慮土結(jié)相互作用的頻率,而阻尼比則遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)材料阻尼比;而且軟土地基對(duì)地震動(dòng)起到濾波和隔震作用。陳國(guó)興[12]等設(shè)計(jì)并完成了考慮土與結(jié)構(gòu)相互作用的結(jié)構(gòu)減震控制大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)SSI 效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響與輸入地震動(dòng)的頻譜特性和峰值大小有關(guān),軟土地基條件下,輸入地震動(dòng)幅值較小時(shí),SSI不利于結(jié)構(gòu)地震反應(yīng),但輸入地震動(dòng)幅值較大時(shí),SSI能顯著降低結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。陳躍慶[13]等研究了不同土性的土結(jié)相互作用,結(jié)果表明,SSI體系頻率減小,阻尼比增大,而且土越硬,加速度反應(yīng)的峰值放大系數(shù)越大。尚守平[14]等進(jìn)行了土-筏基鋼框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)考慮土-結(jié)構(gòu)的相互作用對(duì)結(jié)構(gòu)的基頻有影響,且隨著上部結(jié)構(gòu)剛度增大,結(jié)構(gòu)的基頻折減系數(shù)呈增大趨勢(shì)。趙學(xué)斐[15]等選用均勻粉質(zhì)黏土進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)SSI效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)樓層加速度反應(yīng)具有顯著的影響,對(duì)上部結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的主要影響體現(xiàn)為減震效應(yīng),且隨著地震輸入量級(jí)的增大,減震效應(yīng)愈大。高永武[16]等對(duì)某新型核電廠房進(jìn)行1:25 縮尺模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),認(rèn)為考慮與不考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)結(jié)構(gòu)樓層響應(yīng)有明顯的影響,在較小地震強(qiáng)度下,土體保持彈性,有明顯的動(dòng)力放大效應(yīng),特別是高頻效應(yīng)放大明顯。許成順[17]等將上部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為質(zhì)量塊,進(jìn)行了含有一定深度的松砂層非液化場(chǎng)地土-結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力相互作用大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)0.3 g 汶川地震臥龍臺(tái)地震記錄輸入時(shí),加速度反應(yīng)自承臺(tái)而上有一定程度的減小。
本文是某核電公司為適應(yīng)當(dāng)前非基巖場(chǎng)地核電選址的抗震需要,開展的“軟土地基核島廠房動(dòng)力響應(yīng)”項(xiàng)目中試驗(yàn)研究的一部分,主要針對(duì)是土質(zhì)地基中筏基-多層框架剪力墻結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)廠房的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn),定性分析其地震反應(yīng)規(guī)律。因此,本文開展了軟土地基核電廠房的一系列振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),其中包括表面水平土體模型和表面凹陷土體模型的運(yùn)動(dòng)相互作用試驗(yàn)、地基土-筏基礎(chǔ)-核電廠房振動(dòng)臺(tái)相互作用試驗(yàn)、核電廠房直接固定在振動(dòng)臺(tái)面上的剛性基底振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),研究了軟土地基下土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用對(duì)核電廠房動(dòng)力響應(yīng)的影響以及基于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)條件下的運(yùn)動(dòng)相互作用特征。本文的研究結(jié)果可為軟土地基建立核島廠房的適應(yīng)研究提供參考以及為土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)提供對(duì)比資料。
中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)(燕郊園區(qū)),臺(tái)面尺寸5 m x 5 m,承載能力30噸,最大行程±0.5 m,最大速度1.5 m/s,最大加速度達(dá)2 g,可用于具有速度大脈沖強(qiáng)破壞型地震的模擬,是國(guó)內(nèi)試驗(yàn)技術(shù)先進(jìn)的三向六自由度大型振動(dòng)臺(tái)。
在研究土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中,使用有限大小的裝土容器代替實(shí)際土-結(jié)構(gòu)相互作用中的半無(wú)限地基土體,這使得試驗(yàn)中人為的引入了有限人工邊界的影響,通常稱為“土箱效應(yīng)”[18]。為了模擬土介質(zhì)條件,國(guó)內(nèi)外在進(jìn)行土-結(jié)動(dòng)力相互作用的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中,常用的模型箱一般有剛性土箱、柔性土箱、層狀剪切型土箱,層狀剪切型土箱模擬土層剪切變形效果優(yōu)于前兩種,但大部分都只能進(jìn)行單向剪切試驗(yàn),因此如果考慮土體三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng),需要三維剪切模型箱。
本次試驗(yàn)?zāi)P拖錇樽孕醒兄频娜S疊層剪切模型箱,如圖1。模型箱的形狀采用圓筒形,內(nèi)徑尺寸為2.8 m,高度為2.3 m。箱體采用多層鋁合金框架彎曲成為圓形疊合而成,層與層間的框架由移動(dòng)支撐件連接,上下層框架之間的間距為15 mm,以保證框架間相互獨(dú)立運(yùn)動(dòng);最底層的框架和底板采用螺栓連接。
圖1 試驗(yàn)?zāi)P腕w系圖Fig.1 Test model system diagram
由于在常重力加速度條件下的振動(dòng)臺(tái)土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用試驗(yàn)中,結(jié)構(gòu)和土體無(wú)法滿足統(tǒng)一的相似關(guān)系,但為了試驗(yàn)?zāi)軌蛟谝欢ǔ潭壬戏从辰Y(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性的相似,在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)選定幾何相似比為1:20,按結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的欠人工質(zhì)量模型相似關(guān)系,根據(jù)研究目標(biāo)中某核電生產(chǎn)廠房的頻率,近似設(shè)計(jì)一個(gè)3層框架剪力墻結(jié)構(gòu),使結(jié)構(gòu)模型的振動(dòng)頻率與原型結(jié)構(gòu)的頻率滿足相似關(guān)系,頻率相似比近似為1:4。結(jié)構(gòu)模型采用微粒混凝土制作,模型結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,底板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。模型結(jié)構(gòu)幾何尺寸如圖2 所示,墻體厚度為40 mm,墻體配筋采用雙向雙排鍍鋅鐵絲網(wǎng)片,直徑取2 mm,網(wǎng)格間距取10 mm。樓板厚度為30 mm,樓板配筋也采用雙向雙排鍍鋅鐵絲網(wǎng)片,直徑取1.6 mm,網(wǎng)格間距取10 mm。鍍鋅鐵絲的彈性模量是普通鋼筋的1/3.5-1/2.5,強(qiáng)度為250-330 MPa,在模型試驗(yàn)中,采取帶有毛刺的鍍鋅鐵絲來(lái)增加鐵絲與混凝土的粘結(jié)力。為便于上部結(jié)構(gòu)與筏基連接,上部結(jié)構(gòu)的底板兼做筏基(厚度300 mm),直接埋置于土層地基上進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),筏板上表面與土表面齊平。
圖2 上部結(jié)構(gòu)幾何尺寸圖Fig.2 Geometric dimensions of superstructure
由于土體結(jié)構(gòu)的特殊性,振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中的地基土與核電廠房結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足完全統(tǒng)一的動(dòng)力相似關(guān)系,本文更注重反應(yīng)機(jī)理的研究。因此本次試驗(yàn)地基土模型為某工程場(chǎng)地的均勻粉質(zhì)粘土,通過(guò)試配,確定復(fù)合土的配合比為普通黏土:粉砂=2:1,含水率為15%。試驗(yàn)土樣參數(shù)如表1。
表1 土樣參數(shù)Table 1 Soil sample parameters
本次試驗(yàn)定義地基土層表面(筏板表面)為0 m 處,土層底面為-2.3 m,在土體中心位置處沿高度布置一列三向加速度計(jì),其高度分別為-0.3 m(筏板底面)、-0.8 m、-1.3 m、-1.8 m、-2.3 m,如圖3 所示。結(jié)構(gòu)一層(筏板頂面)高度為0 m,結(jié)構(gòu)二層為0.65 m,結(jié)構(gòu)三層為1.25 m,結(jié)構(gòu)四層(結(jié)構(gòu)頂面)為1.85 m,上部結(jié)構(gòu)的傳感器布置如圖3 所示。圖3 中,A0-A9 代表加速度傳感器編號(hào),D1-D4 代表位移計(jì)編號(hào)。定義X 正方向?yàn)闁|,Y正方向?yàn)楸保琙正方向?yàn)樯稀?/p>
圖3 傳感器布置示意圖Fig.3 Sensor layout diagram
根據(jù)美國(guó)核電設(shè)計(jì)常用的RG1.60 反應(yīng)譜人工合成得到的地震動(dòng)作為試驗(yàn)的輸入,該人工地震動(dòng)頻譜成分豐富,頻帶較寬。此外,白噪聲的輸入可獲得體系的自振周期、阻尼比相關(guān)動(dòng)力特性參數(shù),結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞時(shí)自振頻率也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。
輸入人工地震動(dòng)的時(shí)程與頻譜特性如圖4 所示。試驗(yàn)將地震動(dòng)的峰值加速度調(diào)整為0.05 g、0.1 g、0.2 g后進(jìn)行輸入,定義沿圖1中的振動(dòng)方向?yàn)閄方向,與振動(dòng)方向垂直的分別為Y方向和Z方向。
圖4 試驗(yàn)輸入人工地震時(shí)程及反應(yīng)譜Fig.4 Schematic diagram of RG1.60 artificial wave
自由場(chǎng)地高度為2.3 m,直徑為2.8 m,凹陷場(chǎng)地是在自由場(chǎng)地的中心挖掉長(zhǎng)寬高分別為2.0 m、1.5 m、0.3 m 的基坑,如圖5 所示,柔性地基是在凹陷場(chǎng)地上放入上部結(jié)構(gòu),筏板基礎(chǔ)正好填入凹陷場(chǎng)地基坑中,如圖1所示,剛性地基是將上部結(jié)構(gòu)直接固定在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行固定基底試驗(yàn)。試驗(yàn)加載方案如表2所示,首先自由場(chǎng)地輸入0.05 g進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),同時(shí)記錄自由場(chǎng)地表面的加速度時(shí)程,此時(shí)自由場(chǎng)加速度峰值為0.12 g,將此地表加速度時(shí)程作為底部輸入,進(jìn)行剛性地基試驗(yàn),為確保剛性地基試驗(yàn)完成之后上部結(jié)構(gòu)仍然保持良好的完整性,以便于后續(xù)柔性地基試驗(yàn)的順利進(jìn)行,因此剛性地基試驗(yàn)僅完成這一個(gè)工況。最后按照表2進(jìn)行柔性地基振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。
表2 試驗(yàn)加載方案Table 2 Test conditions
圖5 自由場(chǎng)地、凹陷場(chǎng)地振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)Fig.5 Shaking table test on free site and sunken site
當(dāng)運(yùn)動(dòng)以波的形式傳播到結(jié)構(gòu)與土體界面上時(shí),由于波發(fā)生散射,使界面上點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)與自由表面場(chǎng)地土層中相應(yīng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)發(fā)生明顯的不同,這種現(xiàn)象通常為運(yùn)動(dòng)相互作用[19]。為了研究振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中的運(yùn)動(dòng)相互作用,對(duì)比了自由場(chǎng)地、凹陷場(chǎng)地的反應(yīng)譜結(jié)果,圖6 為0.10 g 工況下自由場(chǎng)地和凹陷場(chǎng)地的土層表面加速度反應(yīng)譜,結(jié)果發(fā)現(xiàn)自由場(chǎng)地和凹陷場(chǎng)地在同一測(cè)點(diǎn)的加速度反應(yīng)譜差異不明顯,其它幅值工況下也有相同的結(jié)果,分析原因是在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的小模型情況下,凹陷地形的特征尺寸與地震動(dòng)在試驗(yàn)土體中傳播的波長(zhǎng)相比很小,運(yùn)動(dòng)相互作用不明顯。因此,在本文的試驗(yàn)條件下土與結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用主要是慣性相互作用。
圖6 幅值為0.10 g工況下相同測(cè)點(diǎn)的加速度反應(yīng)譜Fig.6 Acceleration response spectrum of the same measurement point at 0.10 g amplitude
為了探究地震動(dòng)在土體中的傳播規(guī)律,對(duì)比了0.05 g工況下考慮SSI效應(yīng)時(shí)土層底部輸入、筏板基礎(chǔ)底部的加速度反應(yīng)譜,如圖7 所示。由于存在土結(jié)相互作用,使得經(jīng)過(guò)土層傳到結(jié)構(gòu)底部的地震動(dòng)的頻譜成分發(fā)生了變化,在1 s之前的頻率成分被明顯放大,1 s后的頻率成分基本不變甚至被削弱,因此土層有明顯的放大效應(yīng),但濾波效應(yīng)并不明顯。
圖7 柔性地基下土層底部和基礎(chǔ)底部的加速度反應(yīng)譜Fig.7 Acceleration response spectrum at the bottom of soil and foundation under flexible foundation
為了進(jìn)一步分析SSI 效應(yīng)對(duì)土體的影響,對(duì)比了自由場(chǎng)地、凹陷場(chǎng)地、柔性地基振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)體系不同高度處的加速度時(shí)程的增減來(lái)反映土層對(duì)地震動(dòng)的放大和濾波作用,同時(shí)加速度時(shí)程峰值的變化也能體現(xiàn)土體的地震反應(yīng)。定義加速度峰值放大系數(shù)為不同標(biāo)高處的加速度時(shí)程峰值與底部輸入的加速度時(shí)程峰值之比。考慮到外界噪聲和采集設(shè)備可能會(huì)對(duì)土體中采集到的加速度時(shí)程有所影響,如果直接對(duì)采集到的加速度時(shí)程進(jìn)行峰值選取,會(huì)產(chǎn)生一定的誤差,所以在進(jìn)行加速度峰值放大系數(shù)的計(jì)算中,采用均方根RMS方法來(lái)代替加速度時(shí)程峰值的選取:
式中:a( )t為觀測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的加速度時(shí)程,T為地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間,aRMS為作用在單質(zhì)點(diǎn)體系單位質(zhì)量上地震動(dòng)的能量,adRMS代表底部輸入加速度對(duì)應(yīng)的地震動(dòng)能量,acRMS代表測(cè)點(diǎn)加速度對(duì)應(yīng)的地震動(dòng)能量,aac為測(cè)點(diǎn)的加速度峰值放大系數(shù)。
圖8給出了自由場(chǎng)地、凹陷場(chǎng)地、柔性地基下的土體加速度峰值放大系數(shù)隨土層高度變化的分布圖。圖8 中,自由場(chǎng)地和凹陷場(chǎng)地的加速度峰值放大系數(shù)差別不大,表明運(yùn)動(dòng)相互作用不明顯,原因是振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中場(chǎng)地尺寸的限制,凹陷場(chǎng)地的尺寸較小,難以清晰體現(xiàn)運(yùn)動(dòng)相互作用。本文的場(chǎng)地條件下,自由場(chǎng)地和凹陷場(chǎng)地中土層表面的加速度峰值增大97%-135%,柔性地基中土層的放大效應(yīng)可使得結(jié)構(gòu)底層的加速度峰值增大68%-78%,而且隨著地震動(dòng)輸入幅值的增大,土體中的放大效應(yīng)減弱。此外,不同輸入幅值下柔性地基的加速度峰值放大系數(shù)均明顯低于自由場(chǎng)地和凹陷場(chǎng)地,但隨著地震動(dòng)輸入幅值的增大,差距逐漸縮小。這表明上部結(jié)構(gòu)的存在抑制了土體的地震反應(yīng),隨著地震動(dòng)幅值的增大,土體進(jìn)入了非線性階段,抑制效應(yīng)減小。
圖8 不同工況下的加速度峰值放大系數(shù)分布圖Fig.8 Amplification coefficient distribution of peak acceleration under different working conditions
為了確定結(jié)構(gòu)模型和土-結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力特性,對(duì)實(shí)際制作完成的上部結(jié)構(gòu)和土-結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行白噪聲掃頻,頻率測(cè)試結(jié)果如表3 所示。上部結(jié)構(gòu)頻率為20 Hz 左右。相比于不考慮SSI 效應(yīng)(剛性地基),考慮SSI效應(yīng)(柔性地基)的體系自振頻率明顯降低,阻尼比明顯增大。此外,試驗(yàn)結(jié)束后,考慮SSI效應(yīng)的體系頻率有所下降,阻尼比增大;而不考慮SSI效應(yīng)的體系頻率略有下降,阻尼比基本不變,表明上部結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有損傷,處于線彈性范圍。
表3 體系自振頻率表Table 3 Structural system natural frequency table
為了研究SSI 效應(yīng)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響,本文對(duì)比了上部結(jié)構(gòu)在剛性地基和柔性地基兩種工況下的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果。為了分析相同地震作用下上部結(jié)構(gòu)的各層加速度的變化規(guī)律,將剛性地基和柔性地基的各層加速度時(shí)程峰值繪制圖9中。
圖9 SSI效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)加速度的影響Fig.9 The effect of SSI effect on structural acceleration
剛性地基的加速度峰值隨樓層的高度增長(zhǎng)得較快,柔性地基的加速度峰值隨樓層的高度增長(zhǎng)得較慢。對(duì)比相同地震作用下兩種地基形式的結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng),在土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用體系中結(jié)構(gòu)加速度明顯小于剛性基底下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)。對(duì)于本文中的三層框架剪力墻結(jié)構(gòu),考慮土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用后,1層至4層(三層屋面)的加速度峰值分別降低了29.42%、24.09%、30.18%、33.88%,因此,多層框架剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)也需要考慮土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用,應(yīng)將土層、基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)作為整體進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。
圖10為柔性地基和剛性地基的結(jié)構(gòu)位移分布圖。從圖10 可以看出,兩種基礎(chǔ)形式下結(jié)構(gòu)1-4 層之間的位移相差不大,上部結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)保持一定的整體性,但是土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用體系中的位移明顯大于剛性基底下結(jié)構(gòu)的位移,考慮土結(jié)相互作用后,1 層至4 層的位移分別放大到1.06 倍、1.07 倍、1.08 倍、1.15 倍,原因是體系變?nèi)?,結(jié)構(gòu)發(fā)生搖擺運(yùn)動(dòng)。
圖10 SSI效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)位移的影響Fig.10 Influence of SSI effect on structural displacement
圖11為柔性地基(輸入幅值0.05 g)的結(jié)構(gòu)頂部、剛性地基(輸入幅值0.12 g)的底部輸入和結(jié)構(gòu)頂部處的歸一化反應(yīng)譜。由于土-結(jié)動(dòng)力相互作用作為一個(gè)系統(tǒng),土體的剛度相對(duì)結(jié)構(gòu)要小很多,土-結(jié)構(gòu)體系也會(huì)變?nèi)幔虼?,土-結(jié)動(dòng)力相互作用結(jié)果就是體系的反應(yīng)譜周期變長(zhǎng)。考慮土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用后,由于土層的放大作用,同時(shí)體系頂部的加速度不只是平動(dòng)加速度,可能還包含了筏板輕微搖擺產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)加速度,因此體系頂部反應(yīng)譜峰值也略有增大。
圖11 柔性地基和剛性地基的歸一化反應(yīng)譜Fig.11 Response spectra on top of structures with flexible and rigid foundations
為了研究本次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中地震動(dòng)在體系中的傳播規(guī)律,需要確定體系在不同標(biāo)高處的加速度時(shí)程的變化規(guī)律。圖12 給出了不同幅值大小的地震動(dòng)輸入工況下柔性地基體系的加速度峰值放大系數(shù)分布圖。從圖12 中可以看出,隨著體系高度的增加,加速度峰值放大系數(shù)越來(lái)越大,體系加速度反應(yīng)放大越來(lái)越明顯,結(jié)構(gòu)頂部加速度放大3.3-3.7 倍;體系加速度峰值放大系數(shù)呈現(xiàn)雙折線分布,上部結(jié)構(gòu)的加速度峰值放大系數(shù)增長(zhǎng)較土中增長(zhǎng)更快;輸入幅值為0.05 g時(shí),加速度放大系數(shù)最大,輸入幅值為0.10 g時(shí)次之,輸入幅值為0.20 g 時(shí)放大系數(shù)最小,原因是隨著地震動(dòng)輸入幅值的增大,土體進(jìn)入了非線性階段,對(duì)體系的加速度響應(yīng)有一定影響;不同輸入幅值下,土層監(jiān)測(cè)到的加速度相比于輸入均有所放大,表明土層對(duì)輸入的加速度有明顯的放大作用。
圖12 不同輸入幅值下的加速度峰值放大系數(shù)Fig.12 Peak acceleration amplification coefficients at different input amplitudes
圖13給出了考慮SSI 效應(yīng)時(shí)輸入幅值分別為0.05 g、0.10 g、0.20 g 的地震動(dòng)后體系頂部的反應(yīng)譜結(jié)果圖。在體系頂部,地震動(dòng)不同輸入幅值工況下對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜峰值分別為0.92、1.33、2.48,隨著輸入地震動(dòng)幅值的成倍增加,同一位置處反應(yīng)譜的峰值并未出現(xiàn)相應(yīng)的倍數(shù)放大,同時(shí)反應(yīng)譜呈現(xiàn)單“尖峰”到多“尖峰”的轉(zhuǎn)變趨勢(shì),表明地震動(dòng)輸入幅值的增大拓寬了頻率敏感區(qū)間,不利于結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。
圖13 不同強(qiáng)度地震動(dòng)輸入下體系頂部的反應(yīng)譜Fig.13 The response spectrum of the top of the system under the input of different intensity ground motion
本文完成了自由場(chǎng)地、凹陷場(chǎng)地、柔性地基、剛性地基振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),研究了考慮土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用與不考慮土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的土層和結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力響應(yīng),得出以下結(jié)論:
(1)在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的小模型情況下,局部不規(guī)則地形的特征尺寸與地震動(dòng)在試驗(yàn)土體中傳播的波長(zhǎng)相比很小,運(yùn)動(dòng)相互作用不明顯,本文的試驗(yàn)結(jié)果主要反映了土-結(jié)構(gòu)慣性相互作用。
(2)存在上部結(jié)構(gòu)時(shí),地基的加速度峰值放大系數(shù)明顯低于自由場(chǎng)地和凹陷場(chǎng)地,表明上部結(jié)構(gòu)的存在抑制了土體的地震反應(yīng)。
(3)考慮土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的體系頻率明顯降低,阻尼比明顯增大。相同地震作用下土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用體系中結(jié)構(gòu)加速度明顯小于剛性基底下的結(jié)構(gòu)反應(yīng),加速度峰值降低24%-34%;但位移明顯大于剛性基底下結(jié)構(gòu)的位移,位移幅值放大1.06倍-1.15倍。
(4)軟土地基-筏基礎(chǔ)核電廠房結(jié)構(gòu)中,隨著體系高度的增加,加速度時(shí)程在土層和結(jié)構(gòu)中均有所放大,且結(jié)構(gòu)中的放大效應(yīng)比土層中的更為明顯,3 層框架剪力墻頂面加速度放大最高可達(dá)3.7 倍。隨著地震動(dòng)輸入幅值的成倍增大,土層進(jìn)入非線性階段,土-結(jié)構(gòu)分析體系的加速度放大效應(yīng)有所削弱。
(5)考慮土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用后,樓層反應(yīng)譜的峰值周期明顯延長(zhǎng)。工程抗震設(shè)計(jì)中不僅應(yīng)該研究上部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特征,而且需要將地基土、基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)作為整體來(lái)分析體系的振動(dòng)特征,這樣可以使得抗震設(shè)計(jì)更為合理。