关键词：
土-结构动力相互作用
桩基础
OpenSees有限元模拟
柔性基础
刚性基础假定
传递函数
脉冲响应函数
摘要：
土-结构动力相互作用(SSI)在地震工程领域发挥着重要作用。大量的理论和实验研究结果发现土-结构动力相互作用会对建筑物及构筑物的动力特性产生显著的影响。这些理论主要基于理论分析和对数值模型的研究,其中假设基础嵌入柔性场地并发生刚体运动。刚性基础假定使模型自由度数量大幅减少,很大程度上降低了计算成本。然而,在现实中,结构的基础并不是绝对刚性的,在地震波通过时会发生变形。模型中刚性地基假设对预测SSI对结构响应的影响的理论研究非常少。因为没有足够数量的加速度计安装在整个建筑物内,在过去很长一段时间内都无法在一幢建筑物中观察到影响结果。第一个完全监测的足尺结构是同德广场悦中心(TPYC),这是一个位于昆明市的48层摩天大楼,地下室有4层,桩基埋深至地下50米。天津大学对该结构进行了密集的加速度计安装,以作为土-结构相互作用和结构健康监测研究的足尺试验平台。该系统于2021年1月投入使用,在其运作的第一年已经记录了8次地震的小振幅地震响应。本论文研究的目的是构建TPYC地基土、桩基、地下室和上部结构的有限元模型,该模型可以用于解释考虑土-结构相互作用体系中观察到的地震反应,并深入研究土-结构相互作用对结构地震响应的影响。为此,使用Open Sees构建了一个三维有限元模型,Open Sees是一个开源的有限元软件,与商业软件相比,它在参数化研究方面具有灵活和高效的优势。根据结构施工图纸和地勘资料确定模型的几何形状和材料属性,考虑了地下100米的土壤范围。在本论文中,主要工作为:(1)使用Open Sees对TPYC建立有限元模型;(2)使用该模型计算在垂直入射的SV波作用下结构在平面内的动力响应;(3)分析有限元模型的传递函数和脉冲响应函数(自由场、结构固端、土-结构相互作用体系的响应)。地下室和桩基础部分进行精细化建模,地面以上部分简化处理以能够足够反映整个结构的主要动力特征。分析传递函数的目的是研究柔性基础对土-结构相互作用系统响应的影响(基础柔性对于系统响应峰值与频率的影响)。因此,该模型是用来预测实际地下室和桩基刚度下的结构固定基础响应和土-结构相互作用系统响应,以及具有绝对刚性的桩基和地下室的模型。其次,比较了前三个模态频率的减少和这些频率的频谱响应。脉冲响应函数分析的目的是研究虚拟脉冲波在地基土、桩、地下室、上部结构中的垂直传播,并计算脉冲在每个部分中的传播速度。脉冲传播速度时衡量土-结构相互作用系统中每个部分的合理性的一个简单的标准。此外,通过比较使用有限元模型计算的脉冲响应函数和TPYC实际受到地震期间记录的地震响应计算的脉冲响应函数来验证该有限元模型。除了这些主要的目标外,该有限元模型还用于对场地土进行参数化研究,以及考虑了土-结构相互作用对TPYC响应的影响,如一系列不同剪切波速的地基土和一系列不同刚度的基础。TPYC有限元模型在垂直入射的剪切波作用下,计算了四种地震加速度的在时域内的响应。然后,将加速度响应进行傅里叶变换,用来计算模型中指定位置的响应与输入运动之间的传递函数。土壤中的剪切波速度以及桩基和地下室的刚度是参考变量,后者的变化是通过改变桩的材料、桩之间的土壤和地下室的材料实现的。研究了土-结构相互作用对模态频率和对模态频率频谱响应振幅的影响,研究了前三个横向振动模态和一系列土壤剪切波速度(V=125m/s～2000m/s)以及地基和地下室刚度。本文得出的结论是:(1)从自由场运动的脉冲响应函数推断,脉冲在土壤中的传播速度与输入模型参数中指定的土壤剪切波速不同。脉冲在自由场模型内的传播速度始终小于自由场土体的横波传播速度,其差值可达30%左右。(2)土壤剪切波速越小,土-结构相互作用系统的振动频率越低,且第一振型的振动频率变化最大。例如V从125m/s增大到2000m/s,系统频率f下降16%,f下降10%,f下降4%。(3)基础刚度对土-结构相互作用引起的频率和峰值响应的降低程度有重要影响。基础刚度越大,土-结构相互作用效应越明显。例如,如果基础和地下室刚度增大至实际结构的10倍,地基土剪切波速V=125m/s相较于V=2000m/s,系统频率f,f,f减少量依次为19%、14%、7%;而对于实际刚度的基础,相应的减少量依次为15%、10%、4%。类似地,如果基础和地下室刚度增大至实际结构的10倍,地基土剪切波速V=125m/s相较于V=2000m/s,f、f和f处峰值响应分别降低了71%、81%、94%,实际刚度分别降低了46%、55%、82%。(4)对观测到的双柏地震进行脉冲响应分析,带通滤波在0.3～8 Hz之间,发现波穿过上部结构的时间τ≈0.5 s,穿过地下室的时间τ≈0.03 s,穿过桩的时间τ≈0.30 s,在上部结构中的传播速度c≈440 m/s,在地下室中的传播速度c≈590m/s,在
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