场地-城市相互作用机理及其对结构地震响应的影响

The site-city interaction (SCI) is the coupled soil-structure interaction and structure-soil-structure interaction effects of building clusters in dense urban areas during earthquake ground shaking, and it influence the structure responses and ground motions greatly. In the last decade, SCI effects have received increased attention. Up to now, the study of SCI focused on the building cluster effects on the ground motions, and it was contemplated as a possible explanation for the characteristics of some of the strong motion signals recorded in Mexico city during the 1985 Michoacan earthquake. The simplified model and results are far away to the requirements of structure aseismic design. The main goal of this project is to develop an efficient numerical method for the analysis of SCI, and investigate the earthquke response of the urban structure considering the SCI effects through analytical study,numerical simulation and seismic records.The main content include: (1)How to model the structure simply in SCI under the goal of the same effective input with the strutural detailed model.(2) Develop an efficient method for the analsis of three-dimensional SCI, investigate the mechanism and rules of the SCI through case study.(3) develop a simple method to consider the SCI effect in structural aseimic design.This research will provide theoretical foundation for the aseismic design of structure in urban area and urban disaster prevention planning.

场地-城市相互作用是土-结相互作用的自然延伸，其对地面运动和结构反应都会产生较大影响。目前的研究主要考察城市建筑群对地面运动的影响，并作为墨西哥地震中异常地震记录特征（高放大系数、长持时、拍振、强空间差异性等）的另一解释，但其简化建模及分析不能满足结构抗震设计的需要。本项目拟通过理论分析、数值模拟，结合地震观测资料，发展一种考虑三维场地-城市相互作用影响的结构地震响应分析方法，为城市建筑结构的抗震设计提供理论依据。主要内容包括：（1）场地-城市相互作用分析中，结构简化建模的合理方法和论证。（2）发展一种三维场地-城市相互作用的高效分析方法，研究场地-城市相互作用机理和影响规律，并为结构详细建模分析提供有效输入。（3）提供一种考虑场地-城市相互作用的简便实用方法，便于工程应用。本项目的研究将为城市建筑的抗震设计和防灾规划提供理论依据。

场地-城市相互作用是土结相互作用的一个自然延伸，其对地面运动和结构反应都会产生较大影响。目前的研究主要考察城市建筑群对地面运动的影响，并作为墨西哥地震中异常地震记录特征（放大系数、长持时、拍振等）的另一解释，其简化建模及分析都不能满足结构抗震设计的需要。本项目拟通过理论分析、数值模拟，结合地震观测资料，发展一种考虑三维场地-城市相互作用影响的结构地震响应分析方法，为城市建筑结构的抗震设计提供理论依据。主要工作如下：（1）发展了一种高效的结构-土-结构相互作用分析方法，通过大量模型的计算分析，讨论了入射波类型（SH波、P波、SV波）、入射角度、结构排列方式、基础间距、结构相对大小对结构-土-结构相互作用的影响。（2）提出了一种场地-建筑群相互作用的高效并行分析方法。采用MPI通信协议, 提出了土-结构系统中土体区域的并行计算方法，以及土体区域与结构间的异步并行计算方法，并通过自编的Fortran源程序实现了地震作用下土-结相互作用分析的并行计算。以某一核电结构模型为例，验证了本文并行算法的可行性和高效性,可以用于场地-城市相互作用问题分析。（3）通过理论分析，确定了影响土结相互作用的六个无量纲参数，分别为无量纲频率、结构与土体的相对刚度比、结构与基础的质量比、土体与结构的质量比、基础宽度与结构高度比、基础埋深与基础宽度比。并通过大量模型的数值计算，对这些参数的影响规律进行了研究。（4）实现了桩基础的动力刚度分析，并与Kynia的解析解进行对比，验证分析方法的有效性。实现了桩-土-结构相互作用分析以及桩基础情形下的结构-土-结构相互作用分析，并对影响相互作用的参数进行了研究。（5）实现了饱和土-基础-结构动力相互作用分析。验证干土是饱和土的特殊情形，将干土统一到饱和土的计算框架中，进一步实现干土与饱和土混合情形时的土-结构动力相互作用分析，使得问题的模拟更贴近实际工程。