考虑土—结构相互作用效应的消能减震结构振动台试验及分析

In the study of earthquake-resisting theory of building structures, the complicated question of structure energy dissipation considering soil-structure dynamic interaction is of great importance. In order to complete and promote the theory of earthquake-resisting and vibration control of building structures, and understand the mechanism of the interaction among soil, superstructure and energy dissipation devices, and develop the calculation method of the structure system response under earthquake, and guide the design of energy dissipation devices, the experimental and numerical simulation on this question should be properly carried out. The mechanism research about the effect on passive energy dissipation devices caused by soil-structure interaction will be conducted. The shaking table model test on the system of soil, superstructure and the passive energy dissipation devices will be conducted. Through numerical simulation analysis and the soil parameter identification on the shaking table model test, the analysis model of soil-structure-energy dissipation devices system will be developed, the mechanism and law of the effect caused by soil-structure interaction on the efficiency of energy dissipation devices will be studied. The three dimensional nonlinear mechanics model of soil-structure-energy dissipation devices system, computer simulation analysis method and optimization design method will be proposed to direct engineering practice.

在建筑结构的抗震理论研究中，考虑土-结构动力相互作用效应的消能减震结构的抗震性能研究是非常复杂和重要的研究课题。深入开展这个问题的振动台试验、数值模拟和优化设计方法研究，对于完善与发展结构抗震和振动控制理论，对于认识土-结构-消能减震器体系相互作用机理，发展土-结构-消能减震体系的地震响应计算分析方法及消能减震器设计方法都具有重要的理论和现实意义。本课题将进行土-结构相互作用对被动消能减震结构影响机理的研究，建立土-结构-被动消能减震器体系的振动台模型试验的实现方法，通过振动台模型试验的参数识别以及试验的数值模拟分析，发展土-结构-消能减震器体系相互作用的分析模型，建立相应的三维非线性力学模型、计算机仿真分析和优化设计方法，研究土-结构相互作用对结构消能减震器工作效率的影响机理及规律，提出合理的计算和优化设计方法并用于指导工程实践。

现阶段的消能减震结构设计依托于结构的动力特性，土－结构相互作用（简称SSI）对上部结构的动力特性会产生影响，对于软土地区尤为明显。然而，现有的抗震设计理论大多采用刚性地基假定，未考虑地基土体对上部结构的影响，这将给消能减震设计带来一定的误差，从而影响消能减震装置的效果。因此，研究土－结构相互作用对消能减震结构的影响十分必要。本文以软土地基上带黏滞阻尼器和软钢阻尼器的高层框架结构为研究对象，研究了土－结构相互作用消能减震结构的影响，主要内容如下：.1、设计实施了大比例的考虑土－结构动力相互作用效应的带黏滞阻尼器和软钢阻尼器结构的模型振动台试验。试验采用黄砂木屑混合物作为模型地基土；设计制作了大尺寸的层状剪切盒土箱。以相似比1:6的带3×3桩基的12层钢筋混凝土框架结构为模型结构，完成了6个模型的振动台试验。.2、根据试验数据，分析总结了土－结构相互作用对消能减震结构的影响规律。从试验现象、模型的动力特性、加速度反应、桩身应变、桩土接触压力、楼层的加速度、楼层位移、层间位移角、层间剪力、阻尼器出力、阻尼器滞回性能等方面进行了分析，对规律性结果进行了归纳。.3、根据试验数据，通过几个专题对振动台模型试验结果进行了全面分析，进行了考虑SSI效应的三个结构反应对比；刚性地基上的三个结构反应的对比等，进一步梳理了软土地基上结构－地基动力相互作用对黏滞阻尼器和金属阻尼器性能的影响。.4、采用通用有限元程序ANSYS，针对6个振动台试验模型进行了三维有限元计算分析，并将计算结果与试验结果进行了对照研究，以此来揭示设置消能减震装置的高层结构－桩－土动力相互作用时结构地震反应的有关规律。.5、提出了一种改进的简化方法用以计算结构－地基相互作用体系动力特性参数，并用振动台模型试验的数据资料进行计算分析。在此基础上进行了考虑SSI效应的黏滞阻尼器设计，并通过工程模型进行了时程分析与验证。