地震观测与振动试验：结构动力相互作用分析与模拟研究

土-结构动力相互作用分析研究的各种方法都或多或少包含一些假定，有其局限性：如关于地震动的输入、土性的模拟、土-结构体系的模型化以及运动方程的数值求解等。因此，在将某一种方法用于实际之前，检验其可靠性是十分必要的。现场模型或原型强迫振动试验与地震观测作为有效的分析方法，受到了较为广泛的重视。

震害是最真实的“原型试验”结果，震害调查所观测到的现象，是研究土-结构动力相互作用问题的可靠方法，往往能为重要理论的建立提供线索和实际数据。因此震害调查一直受到世界地震工程界的高度重视，而震害调查数据亦正在不断积累之中。美国Hamboldt湾核电厂是国际上第一个取得强震记录，并最早将观测结果与计算进行对比的一座核电厂。Celebi[75-76]根据美国1987年Whittier地震，对两个相距16.3 m的钢排架结构强震观测数据进行分析。结构A采用桩长为8.6～11.6 m的钢筋混凝土桩基础，纵横向第一自振频率均为0.65 Hz；结构B采用箱基，纵横向第一自振频率分别为0.76 Hz和0.83 Hz。分析表明，存在结构-地基-结构相互作用，结构基底的地震动比自由场运动小。Sivanovic[77]利用对位于洛杉矶市区一栋7层支承于摩擦桩上钢筋混凝土结构的旅馆从1971年到1994年长达20多年获得的9次地震观测资料进行分析，可见土-结构相互作用十分明显，主要表现为基础的摆动；同时认为土的非线性行为是影响在强震下结构体系地震反应的重要因素，由于土体的能量耗散作用，对于上部结构而言这是有利的。Celebi和Safak[78-79]对加州Pacific Park Plaza(30层，桩筏基础)根据1989年Loma Prieta地震观测结果进行了分析。Meli[80]等人对位于墨西哥城的一栋14层钢筋混凝土建筑进行了观测和分析。这些研究都极大地丰富了人们对结构-地基动力相互作用的认识。

现场模拟地震动试验，从理论上说是比较理想的，它能提供一种比较接近天然地震的环境，能检验土-结构动力相互作用的各个环节。但是试验对象离振源较近，波阵面和波的组成较复杂，因此，目前仍以稳态激振为主。

基础稳态强迫激振试验(FVT)的试验对象有两种：一种是在现场浇铸的置于地表或部分埋入的混凝土或钢筋混凝土块体式基础；另一种是按一定比例缩小的结构模型。实验目的在于测定土-结构动力相互作用体系的自振特性，利用测量结果计算地基阻抗。由于FVT试验不涉及自由场地震反应、波的散射以及土的刚度退化等问题，这种试验主要用于测定土-结构惯性相互作用。

对房屋结构的激振试验，研究发现：在结构顶部激振时体系的频率较底层激振时体系的频率有所降低，但阻尼显著增大；室外地面激振时结构底层反应特征和底层激振时相同；对刚性基础，用S-R模型可以对土-结构动力相互作用体系的自振特性与强迫振动反应作出较满意的预测，对柔性基础，则有必要使用更为细致的模型。对日本福岛核电厂进行的一系列大比例尺模型试验[81]，P.S.Theocaris等进行的小比例试验。这些试验结果表明：激振力增大，地基刚度降低，体系自振频率降低，但体系的阻尼、侧移及回转成分则没有明显变化；由波动方程解析解以及三维有限元解得到的地基阻抗函数，与强迫振动试验结果相比，一般而言，高频段理论值的实部(弹簧刚度)有偏低现象，虚部有偏高现象；有限元法得到的虚部都偏高。

中国台湾罗东大型土-结构动力相互作用试验[82-83]，是台湾电力公司(TPC)与美国电力研究所(EPRI)共同进行的一项大比例尺结构抗震试验计划，目的是为了研究土-结构动力相互作用对核电厂结构地震反应的影响，验证分析方法的可靠性。参加该计划的单位包括美国、日本、瑞士和中国台湾地区共13个单位100多位专家学者。罗东试验表明：对参加预测的模型方法，包括简单模型，只要对土的材料参数、分层、阻尼等做出合理的考虑，这些模型都是可用的。(www.xing528.com)

日本大场1982年对高度在31 m以下刚度较大的钢筋混凝土结构、劲性钢筋混凝土结构进行了常时脉动试验，考察不同地基条件和基础形式对建筑物基本自振周期的影响。测试结果表明：建筑物固有周期受地基性质、状态和形式的影响；带桩基的结构比不带桩基的结构固有周期长；由地表至10 m深处地基土层的平均N值与建筑物的固有周期间有较强的相关性，不论基础形式如何，随着地基土层平均N值的减少，固有周期延长。

日本山道对92栋钢筋混凝土及劲性钢筋混凝土结构进行了常时脉动试验，提出：对钢筋混凝土结构，地下部分使固有周期延长；对劲性钢筋混凝土结构，地下部分使固有周期缩短。松下等人根据1968年7月1日东松山地震记录，对东京都内25栋建筑进行考察，发现建筑物的基本周期较以前测得的基本周期延长30%左右。田中等人对17栋建筑物进行了分析，得出建筑物的基本周期比微振测量时增加20%、阻尼比增加25%的结论。阿部等人对200栋建筑物在地震前后进行脉动测量，指出其基本自振周期平均延长1.31倍。

北京工业大学与美国国家地震工程研究中心合作，对地基-基础-上部结构动力相互作用问题展开了一系列研究工作。研究表明，在相同地基条件下，随上部结构相对地基刚度的增加，土-结构动力相互作用体系固有周期延长的效果愈明显，地基土的存在是导致整个土-结构动力相互作用体系阻尼比增大的一个重要原因[84]。

现场试验接近实际，但实际的边界条件与材料特性很复杂，难以分析各个因素对反应的影响，且试验费用很高、耗时很长。因而，在实验室进行模型试验研究是努力的方向。