土-结构相互作用体系的振动台试验及模拟分析成果分享

实验室模型试验主要有土工动力离心模型试验和模拟地震振动台结构模型试验。室内模型试验可以有目的性和针对性地控制动力过程及材料特性，是土-结构动力相互作用规律的定性分析乃至定量分析中的重要手段。

土工动力离心模型试验技术，能够使模型与原型的应力应变相等、变形相似、破坏机理相同，因此在国际上得到十分广泛的应用，应用范围已涵盖浅基础、挡土墙、沉箱基础、护岸、隧道、桩基础等各种结构形式，并已能实现对地基液化过程的模拟。但目前土工动力离心试验还存在一些问题有待解决，如模型较高的激振频率可能引起原型并不存在的惯性效应，用黏滞性较大的液体可能改变土的阻尼特性，单向激振输入在另一方向产生正交加速度等。(www.xing528.com)

模拟地震振动台可以很好地再现地震过程和进行人工地震波试验，是实验室中研究土-结构相互作用动力特性、地震反应和破坏机理的最直接的方法。地震模拟振动台于20世纪60年代末出现在美国加州伯克利大学，建成了6.1 m×6.1 m的水平、竖向两向振动台，到目前为止，据不完全统计[85]，世界上已拥有近百座地震模拟振动台，分布在以日本、中国和美国为主的许多国家，其中日本振动台的规模最大、数量最多。许多振动台可以同时模拟三向六个自由度的多重地震激励。在过去几十年中，地震模拟振动台在结构抗震研究和工程实际中发挥了重要作用。20世纪60年代末，日本就开始了针对土-结构动力相互作用问题振动台试验研究，但直到目前，大部分动力相互作用试验研究的注意力仍集中在地下部分，主要围绕桩基问题，如单桩-土动力相互作用、桩-土-桩动力相互作用体系的动力特性和地震响应特性的研究。在60年代末至80年代中的土-结构体系的动力试验，总体来说是一些不十分注重相似关系的小型模型试验，其主要目的是测试动力p～y曲线，了解动力作用下不同深度处“土弹簧”的实际变形特性，以便获得尽量真实的基础动力阻抗。20世纪90年代后主要开展了一些比例模型试验，特别是一些大比例土-结构相互作用模型的地震模拟振动台试验研究，较具有代表性的，如Tamura等[86]在日本地震科学和防灾国家研究院(NIED)的15 m×15 m承载力为500吨的振动台上，进行了土-结构相互作用体系大比例模型试验研究(其模型是将4个直径0.15 m、长6.0 m的钢筋混凝土桩置于12.0 m×3.5 m×6.0 m的薄层剪切盒，剪切盒内为饱和砂土，上部结构由重14.1吨的集中钢板代替，桩与结构刚性连接)，考察了液化砂中土-结构相互作用体系的动力响应和砂土液化过程中钢筋混凝土桩的破坏机理等。1997年至1998年，美国太平洋地震工程研究中心(PEER)[87]，为了深入调查地震作用下土-结构相互作用的变化规律，校核地震作用下土-结构动力响应的数值计算模型，对十组模型进行了系列性的、模拟地震作用下的振动台比例模型试验，得出了许多新的结论。