杜姣燕 龔旭棟 柳瑞清 包超

基金項目：國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃（G202210749033）；寧夏自然科學基金項目-優(yōu)秀青年項目（2023AAC05015）

第一作者簡介：杜姣燕（2000-），女，碩士研究生。研究方向為結(jié)構(gòu)減震控制。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.013

摘? 要：SSI效應是影響土體線性、非線性性能以及地震響應的重要因素之一，當土體進入非線性或變形較大時，會引起土體附近結(jié)構(gòu)動力特性發(fā)生變化。該文從數(shù)值模擬、振動臺試驗2個方面對國內(nèi)外現(xiàn)有SSI理論、研究成果等進行總結(jié)闡述。對比分析剛性地基和SSI效應作用下不同類別結(jié)構(gòu)的地震響應。結(jié)果表明，考慮SSI效應更符合結(jié)構(gòu)實際的震害情況。不同類別的場地對結(jié)構(gòu)動力特性的影響不同，SSI效應對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響存在兩面性。

關鍵詞：SSI；數(shù)值模擬；振動臺試驗；地震響應；結(jié)構(gòu)抗震設計

中圖分類號：TU375.4? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）16-0058-04

Abstract： The SSI effect is one of the important factors influencing the linear and nonlinear performance of soil and seismic response. When the soil undergoes nonlinearity or experiences significant deformation， it induces changes in the dynamic characteristics of the structure in close proximity to the soil. This paper summarizes and elaborates on the current SSI theories and research findings both domestically and internationally， covering numerical simulation and shaking table test aspects. The seismic response of various classes of structures under the influence of both rigid foundation and SSI effect is compared and analyzed. The results indicate that considering the SSI effect is more consistent with the actual earthquake damage scenario of the structure. The influence of different site classes on the dynamic characteristics of the structure varies， and the SSI effect has a dual impact on the seismic performance of the structure.

Keywords： SSI; numerical simulation; shaking table test; seismic response; design of seismic performance of the structure

我國東臨環(huán)太平洋地震帶，南接亞歐地震帶，地震頻發(fā)，幾乎每年都有因地震造成的重大損失[1]。地震的突發(fā)性、瞬時性以及破壞性都對人類生命財產(chǎn)安全產(chǎn)生了極大的威脅。地震造成的災害主要表現(xiàn)為對自然環(huán)境及設施建筑的破壞，其中地震對建筑物的破壞主要有結(jié)構(gòu)破壞、地基沉陷、坍塌、內(nèi)外部設備破壞和火災電力中斷等。因此建筑結(jié)構(gòu)的抗震及加固問題亟待解決。地震作用于結(jié)構(gòu)時，首先是地基發(fā)生振動，然后通過地基與基礎的相互作用帶動基礎與上部結(jié)構(gòu)發(fā)生振動，從而上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動[2]。結(jié)構(gòu)與土壤反應相互依賴的過程稱為土與結(jié)構(gòu)相互作用（Soil Structure Interaction，SSI）?；诖?，國內(nèi)外學者開始深入研究SSI效應對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響[3-5]。

目前，對軟土地基-上部結(jié)構(gòu)相互作用的研究方法主要分為原型觀測、模型試驗、數(shù)值模擬。為了深入認識不同條件下建筑結(jié)構(gòu)抗震性能變化規(guī)律，本文通過綜述近年來國內(nèi)外考慮地基土-基礎-上部結(jié)構(gòu)的共同作用（SSI）相關理論及研究成果，重點分析了SSI作用下結(jié)構(gòu)抗震性能演化規(guī)律以及性能提升方法，對建筑抗震性能評估和結(jié)構(gòu)加固處理提供一定的參考價值。

1? 土與結(jié)構(gòu)相互作用有利影響

在傳統(tǒng)建筑抗震設計中一般采用剛性地基假設，將該假設用于簡化和分析結(jié)構(gòu)在土壤上的基礎行為，其中結(jié)構(gòu)和土壤的變形相對較小，即忽略SSI效應[6]。然而隨著結(jié)構(gòu)振動控制技術以及對地下地基土復雜性認知的發(fā)展，學者發(fā)現(xiàn)，SSI效應是影響結(jié)構(gòu)線性、非線性性能以及抗震行為的關鍵因素之一[7-9]。在強震作用下結(jié)構(gòu)附近土體進入非線性，產(chǎn)生永久變形同時會引起體系周期改變、層間位移增大[10]。因此在抗震設計中忽略SSI效應將對結(jié)構(gòu)動力特性和地震響應產(chǎn)生影響。

1.1? 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬因其安全性、經(jīng)濟和高效性，被廣泛應用于結(jié)構(gòu)抗震設計研究中。在采用數(shù)值分析解決SSI問題時，一般通過子結(jié)構(gòu)法、直接法等將開放的無限域體系轉(zhuǎn)化為封閉的有限區(qū)域，并導入適當?shù)娜斯み吔缫阅M無限域體系對近場研究對象的影響[11]。

Ismail等[12]對位于粉質(zhì)沙土上的中高層框架結(jié)構(gòu)進行了一系列三維有限元分析，發(fā)現(xiàn)SSI效應對5—10層的中層結(jié)構(gòu)有利。Maheswari等[13]發(fā)現(xiàn)土壤介質(zhì)的非線性增加了結(jié)構(gòu)的響應，土-樁-上部結(jié)構(gòu)相互作用增加了結(jié)構(gòu)的周期。張望喜等[14]使用靜力推覆方法對RC框架結(jié)構(gòu)進行分析，指出考慮SSI效應更符合結(jié)構(gòu)在實際地震中的性能表現(xiàn)，更能有效保證結(jié)構(gòu)的安全。為了評估SSI對高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)的影響，Zhang等[15]建立了增強型土-結(jié)構(gòu)模型，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)考慮SSI效應的框架-核心筒結(jié)構(gòu)基底剪力均有不同程度的減小。Tahghighi等[16]設計和建立了一組RC框架有限元模型，采用非線性靜態(tài)分析和增量動力分析方法分別評估了剛性和柔性基礎假設下RC建筑的抗震行為和易損性，發(fā)現(xiàn)SSI效應在改善剛性基礎結(jié)構(gòu)的脆性和其他性能方面發(fā)揮了顯著作用。富騰等[17]采用子結(jié)構(gòu)方法，建立了采用摩擦擺支座（FPS）的隔震結(jié)構(gòu)考慮SSI效應的地震動力反應計算模型，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)考慮SSI效應時，剛性地基的平移和擺動角度都很小。綜上所述，在結(jié)構(gòu)抗震設計時考慮SSI效應更符合實際震害情況，結(jié)構(gòu)設計更安全。

圖1? 結(jié)構(gòu)-基礎-地基體系動力反應計算模型[17]

1.2? 振動臺試驗

由于SSI問題的復雜性，僅依靠理論分析和數(shù)值模擬進行抗震設計，未經(jīng)試驗研究的驗證，難以滿足實際工程需求。通過振動臺試驗分析SSI對結(jié)構(gòu)地震響應逐漸興起[18]。

樓夢麟等[19]通過振動臺試驗對比分析剛性地基與SSI結(jié)構(gòu)體系的地震響應，發(fā)現(xiàn)SSI效應使結(jié)構(gòu)自振周期延長，阻尼比顯著增加。楊金平等[20]對比了考慮SSI框架模型和剛性地基框架模型的結(jié)構(gòu)動力特性，發(fā)現(xiàn)考慮SSI效應后，結(jié)構(gòu)損傷出現(xiàn)得更晚，發(fā)展也更慢。陳國興等[21]通過SSI體系的大型振動臺模型試驗，發(fā)現(xiàn)SSI效應在剛性地基和柔性地基上的結(jié)構(gòu)地震響應存在較大差別，在一定條件下，SSI效應能減弱結(jié)構(gòu)的地震響應。許成順等[22]通過地下結(jié)構(gòu)靜力結(jié)構(gòu)推覆試驗發(fā)現(xiàn)，在地震作用過程中，周圍土體的存在提高了地下結(jié)構(gòu)的抗側(cè)向倒塌能力。為了探究上部和下部結(jié)構(gòu)平面及布置相同的層間隔震建筑在長期地震動與SSI相互作用下的動力特性和地震響應規(guī)律，李丹等[23]通過振動臺試驗發(fā)現(xiàn)，考慮SSI效應后，層間隔震結(jié)構(gòu)的樓層位移響應明顯放大。

由此可見，SSI效應對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移、破壞等方面均有所改善。與不考慮SSI結(jié)構(gòu)相比，地震響應均要降低。

2? 土-結(jié)構(gòu)相互作用不利影響

近年來，對于在結(jié)構(gòu)抗震設計中考慮SSI效應取得了較多的研究成果，研究普遍認為，考慮SSI效應能提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，對抗震設計有著重要意義[24-26]。

2016年全球鋼筋混凝土年產(chǎn)量接近于100多億m3[27]，歷次大地震均導致大量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞或倒塌[28]，給城市基礎設施和住房造成了嚴重破壞。夏坤[29]比較了我國和美國抗震規(guī)范基于SSI效應的結(jié)構(gòu)抗震設計理論，發(fā)現(xiàn)我國大陸地震規(guī)范對考慮SSI效應的結(jié)構(gòu)有太多的限制，需要進一步將SSI效應結(jié)合到抗震研究中。張昊等[30]對建筑進行Pushover和非線性時程分析，發(fā)現(xiàn)當考慮SSI效應時，結(jié)構(gòu)的破壞更符合實際的震害情況。陳國興等[31]通過大型振動臺試驗對比了剛性地基和柔性地基條件下調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）的減震效果，發(fā)現(xiàn)SSI效應有降低或抑制TMD減震效應的趨勢。岳慶霞等[10]通過試驗研究了10層RC框架在不同場地條件下的抗倒塌能力，發(fā)現(xiàn)在考慮SSI效應下，結(jié)構(gòu)頂點位移變大，結(jié)構(gòu)側(cè)移加大了結(jié)構(gòu)的整體二階效應，結(jié)構(gòu)上部塑性性能未能充分發(fā)揮，結(jié)構(gòu)抗倒塌能力顯著降低。

在實際建筑項目中忽略SSI或考慮不適當?shù)牡卣鹩涗浛赡軙e誤估計結(jié)構(gòu)的損壞程度并造成不安全的后果。Shirzadi等[32]發(fā)現(xiàn)SSI效應放大了上層的累積塑性鉸鏈旋轉(zhuǎn)，在高層建筑中扭轉(zhuǎn)和SSI效應相結(jié)合的局部放大效應更加嚴重。許立英等[33]指出偏心基礎隔震結(jié)構(gòu)在遠場長周期地震動下考慮SSI效應時，隔震層位移可能超限，總體減震效果較差。韓流濤等[34]采用數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方式，發(fā)現(xiàn)土壤條件越柔軟，SSI效應對結(jié)構(gòu)抗震分析的影響越大。張富有等通過建立土-并聯(lián)基礎隔震體系計算模型，發(fā)現(xiàn)考慮SSI效應對普通結(jié)構(gòu)自振特性的影響更大，且場地土的條件越差，影響程度越大。Hoseny等基于試驗研究發(fā)現(xiàn)不同地震激勵下柔性基體的側(cè)向位移放大，可能會影響結(jié)構(gòu)安全。孫杰等建立了考慮SSI效應的海上風機支撐結(jié)構(gòu)三維有限元分析模型，發(fā)現(xiàn)SSI效應會放大風機結(jié)構(gòu)的動力響應，且降低TMD的減震效果。蘇毅等通過有限元分析研究了土-隔震結(jié)構(gòu)相互作用下層間隔震結(jié)構(gòu)體系的地震響應，發(fā)現(xiàn)SSI效應使層間隔震結(jié)構(gòu)體系剛度軟化，在進行層間隔震結(jié)構(gòu)設計時采用傳統(tǒng)底部固支并不安全，需要考慮SSI效應對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。為了探究SSI效應對基礎隔震結(jié)構(gòu)地震響應的影響，Zhuang等通過振動臺試驗發(fā)現(xiàn)，SSI效應可能會放大基礎旋轉(zhuǎn)對隔震層的旋轉(zhuǎn)響應，從而削弱了隔震層的隔震效果。由此可見，由于不同特性的場地對結(jié)構(gòu)動力特性的影響不同，SSI效應對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響存在兩面性。因此在實際建筑設計中應根據(jù)地條件、建筑類型等進行考慮SSI效應的結(jié)構(gòu)抗震設計。

基于SSI效應下結(jié)構(gòu)抗震研究成果，王永洪等研制了一種樁土界面直剪儀，如圖2所示，能夠較真實地呈現(xiàn)黏性土中樁土界面在恒剛度加載條件下直線剪切的力學響應。尚守平等提出了一種基于彈性地基土假定條件下結(jié)構(gòu)自振周期的修正方法，能有效地減小計算周期與結(jié)構(gòu)實際自振周期之間的差別。龐瑞等研發(fā)了分布式連接全裝配RC樓蓋，能較好協(xié)同各榀抗側(cè)力結(jié)構(gòu)共同受力。

綜上所述，SSI是地震工程領域的前沿課題，許多學者和土木工程師長期致力于該領域的研究，取得了一些有意義的成果，逐步完善了SSI理論。其中，振動臺試驗為抗震研究提供了一個可控的實驗環(huán)境，使學者能夠深入了解結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時的行為，從而指導工程實踐并提高建筑物的抗震性能。

圖2? 恒剛度（CNS）直剪儀結(jié)構(gòu)圖

3? 結(jié)論

本文對現(xiàn)有SSI相關理論、研究方法以及研究成果等進行了梳理和歸納，得到以下結(jié)論：①SSI效應能有效減弱結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移、內(nèi)力和破壞程度等地震響應，且考慮SSI效應更符合結(jié)構(gòu)在實際地震中的性能表現(xiàn)，更能保證結(jié)構(gòu)的安全性。②不同特性場地條件下，SSI效應對結(jié)構(gòu)動力特性影響不同，土壤越柔軟，SSI效應對結(jié)構(gòu)抗震分析影響更大。強震作用下，土壤進入非線性，產(chǎn)生永久變形同時會引起體系周期改變、層間位移增大。③SSI效應削弱了隔震結(jié)構(gòu)的隔震效果，降低了TMD減震效果，使結(jié)構(gòu)處于不安全狀態(tài)。在減隔震設計時忽略SSI效應或使用不適當?shù)牡卣鹩涗浛赡軙e誤估計結(jié)構(gòu)的損壞程度或造成不安全的后果。

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