结构、地基动力相互作用体系的振动台试验及计算模拟分析

模型试验结果的可靠性取决于在试验中模型是否真实地再现原型结构体系的实际工作状态。为了使模型试验结果能真实地反映原型结构体系的性状，在模型设计中必须考虑模型与原型的相似性，包括几何形状、材料特性、边界条件、外部影响(荷载)和运动初始条件等[124-125]。在结构-地基动力相互作用振动台试验的相似模拟时，应使土、基础、上部结构遵循相同的相似关系。当然，在设计具体的模型时，完全满足模型与原型的相似关系是非常困难的，应该根据试验研究目的抓主要矛盾。

本次试验的主要目的是研究地震作用下结构-地基体系的动力相互作用特性，据此确定模型相似设计的基本原则如下：

(1)本试验强调土、基础、上部结构遵循相同的相似关系；

(2)允许重力失真，同时考虑到在土中和基础中附加人工质量十分困难，整个模型体系不附加配重；

(3)控制动力荷载参数满足振动台性能参数的要求；

(4)满足施工条件和试验室设备能力(如本试验室行吊的最大起吊能力仅为15 t)。

根据上述原则，本试验采用非原型材料忽略重力模型，按Bockinghamπ定理导出各物理量的相似关系式，见表2-2。在综合考虑现有的试验条件、模型材料和施工工艺的前提下，选取一个双向单跨的12层钢筋混凝土框架为原型单元，其柱、梁、板均设计为现浇；地基土原型为上海软土，可以认为原型体系为典型的上海小高层建筑体系。模型的缩尺比例为1/10和1/20两种，质量密度相似系数Sρ=1，土和结构的弹性模量相似系数约为SE=1/4，并按试验后的实际材料性能确定相似系数。表2-2中列出了缩尺比例模型各物理量的相似关系式和相似系数。土、基础、上部结构遵循相同的相似关系。

表2-2　动力模型试验的相似关系(www.xing528.com)

在第一阶段试验中，上部结构采用单柱质量块来模拟，因而上部结构未遵循相似关系，但基础和土仍按相似关系设计。在第二阶段试验中，上部结构采用12层钢筋混凝土框架模型，这时，土、基础和上部结构均遵循相似关系设计。模型的缩尺比例为1/10和1/20两种，模型尺寸及配筋如图2-4所示。

图2-4　模型尺寸和配筋

上部结构和基础的模型材料为微粒混凝土和镀锌铁丝。微粒混凝土是一种模型混凝土，它以较大粒径的砂砾为粗骨料，以较小粒径的砂砾为细骨料。由于微粒混凝土的施工方法、振捣方式、养护条件以及材料性能都与普通混凝土十分相似，在动力特性上与原型混凝土有良好的相似关系，而且通过调整配合比，可满足降低弹性模量的要求[126]。

第一阶段试验的模型土为均匀土，采用上海砂质粉土；第二阶段试验的模型土为分层土，自上而下分别为粉质黏土、砂质粉土和中砂。砂质粉土为高敏感性土，扰动后的性能会有很大的改变，因此，在模型土制备时，通过适当地加水、搅动，改变土的特性，使之接近模型土的要求。试验前，模型所用材料均进行材料性能试验，实测材料性能参数。

在第一阶段试验中，通过增加或减少顶部质量块的方式来改变单柱质量块的振动特性，从而达到模拟不同上部结构的试验目的。1/10模型采用80、160、320、480 kg四种规格的质量块，1/20模型采用10、20、40、60 kg四种规格的质量块，所用质量块采用配重铁块搭配而成。

在第二阶段试验中，浇筑了缩尺1/10的框架结构加箱形基础一个，缩尺1/10的框架结构及其底梁一个。12层框架结构模型采用逐层现浇，施工中严格控制构件尺寸和混凝土配合比。为了便于对比，减少模型制作带来的影响，模型同时施工。