结构—地基动力相互作用体系的振动台试验与模拟分析

第一阶段试验共进行了2次均匀土-箱基-单柱质量块动力相互作用体系的振动台模型试验。其中BC20试验的模型比为1∶20，BC10试验的模型比为1∶10，模型土基本上没有固结时间。箱基与上部结构的模型是整体浇筑的，将模型安装到模型土体中静置2天后进行振动台试验，在这两天中，土体有析水，但水量不多。

BC20、BC10试验原计划各进行52个工况的振动试验，在实际试验中分别进行到第48和31工况后，因结构严重倾斜而终止试验，加载过程见表2-7。试验中通过装拆配重改变上部结构的质量块，共4级，分别为a、b、c和d。输入地震波为El Centro波、上海人工波和正弦波三种。为了方便，在以下叙述中以工况代号表示各工况，如BC20试验中EL1a表示上部结构质量块为a(10 kg)时、峰值为0.487 9 g的El Centro波作用下的工况，工况代号见表2-7。试验时的模型如图2-15、图2-16所示。

图2-15　BC20试验模型

图2-16　BC10试验模型

1.试验现象

试验中的宏观现象主要有：①在较小台面输入时，容器及土体反应较小，摆动不大，上部结构的位移反应也不大；随着台面输入峰值的增加，土体、结构的反应增强；②随质量块的增加，上部结构的位移反应有下降的趋势；③在不同地震波输入情况下，土体及上部结构的地震动反应在上海人工波输入下最大，El Centro波的反应较小。

在试验过程中没有砂土或粉土在地震中发生液化时所表现的典型的“喷水冒砂”现象，但有少量析水现象。在试验中可明显观察到土体变软，并由此引起了较严重的结构整体沉降；当加速度输入激励的峰值较小时，结构尚能保持垂直，当激励较大时，结构出现严重倾斜。BC20试验时倾斜方向为正西方向，BC10试验时倾斜方向为南偏东方向，倾斜的方向不一定在振动方向，而与振动方向、地基均匀性以及地基首先失效的部位等因素有关。这些现象与软土地基上箱形基础建筑的震害现象是一致的，说明本试验较好地再现了实际箱形基础结构的可能震害。

试验结束后，挖出箱基模型，没有发现任何裂缝。

2.主要试验结果与规律

1)加速度峰值放大系数的分布

在BC20和BC10试验中，S1、S2、S3、A1和A2为在同一平面位置、不同高度处的测点，S1点位于容器底部土体中，S2、S3点位于土体中，A1点布置在箱基顶面、距离容器底面0.65 m或1.3 m，而A2点位于上部结构柱顶、距容器底面1.4 m或2.8 m。由这些测点得到的加速度记录相对容器底板上测点S8记录的加速度输入的峰值放大系数，绘出在不同峰值大小的不同地震波输入情况下、不同上部结构时，土-箱基-结构相互作用体系上不同高度处的加速度反应的峰值放大系数与测点高度的关系曲线，见图2-17～图2-19。从这些图中可以看出以下几点规律：

图2-17　不同高度处测点的加速度峰值放大系数(BC10试验、上部结构a)

图2-18　不同高度处测点的加速度峰值放大系数(BC20试验、峰值0.975 8 g的地震波输入、不同上部结构)

图2-19　不同高度处测点的加速度峰值放大系数(BC10试验、峰值0.244 g的地震波输入、不同上部结构)

(1)整个体系的加速度峰值反应放大系数在高度上呈“K”形分布；在土体中，离底面的距离越大，土体的加速度峰值放大系数越小；箱基顶面测点的反应较小；而上部结构的反应与箱基顶面测点的反应相当，数值上略大或略小。

(2)相对于台面输入的加速度峰值，各点的加速度峰值放大系数均小于1，软土起到减振隔震作用。

(3)随着输入激励的增大，加速度峰值放大系数减小。其原因可能是由于随着试验振动次数的增加和输入振动的增强，土体不断软化、非线性加强，土传递振动的能力减弱。(www.xing528.com)

(4)随着上部结构质量块的增加，各测点的加速度峰值反应的变化不大，而上部结构柱顶的加速度反应峰值放大系数略有下降的趋势。

(5)在上海人工波输入下的反应较El Centro波下的大。这与试验中观察到的现象一致，原因是上海人工波的低频成分丰富，而土体和体系的频率也很小。

2)柱顶加速度反应组成分析

柱顶位移由平动、转动和柱子的弹性变形三部分组成(图2-20)，故有：

式中：——柱顶总加速度反应，通过柱顶点A2给出；

——柱底平动加速度反应，可通过基顶点A1给出；

、——基顶的点R 1、R 2的竖向加速度反应。

图2-20　柱顶加速度反应组成分析

这样，柱子弹性变形引起的部分可由上式计算得到。

图2-21为BC20试验在部分工况下，组成柱顶加速度反应的各部分的时程及其傅氏谱。图中自上而下分别为柱顶总加速度反应、由基础转动引起的摆动分量、平动分量和上部结构弹性变形分量。从图中看到如下的规律：

①柱顶加速度反应主要由基础转动引起的摆动分量组成，平动分量次之，而上部结构弹性变形分量很小。

②从图2-21的傅氏谱图看到，柱顶总加速度反应u ··与由基础转动引起的摆动分量很相似，主要在低频区段两者有区别，而这正是平动分量反应较大的频率段。

3)相互作用对基底地震动的影响

图2-22为BC20试验中，输入均为峰值0.4879 g的上海人工波，质量块分别为A、B、C、D的工况下测得的土表面测点S6和基顶测点A1的加速度时程，图2-23为相应的傅氏谱。从时程图看到，A1点的加速度峰值均比相应工况的S6点的峰值略小，即基础处的有效地震动输入比自由场地震动略小。从傅氏谱图看到，上部结构质量块大小的改变对S6点反应的影响很小。比较A1与S6点加速度反应的傅氏谱可见，A1点反应与S6点反应明显不同，土表测点S6反应的频谱组成单纯，仅反映了土体的特性；而基础处测点A1的反应频谱组成丰富，反映了结构惯性相互作用的影响。

图2-21　组成柱顶加速度各分量的时程和傅氏谱(BC20试验、EL1a工况)

图2-22　土表测点与基顶测点的加速度时程(BC20试验)

图2-23　土表测点与基顶测点的加速度傅氏谱(BC20试验)