结构-地基动力相互作用体系的振动台试验成果

第二阶段试验进行了1个分层土-箱基-高层框架结构动力相互作用体系的振动台模型试验，试验编号BS10，模型比为1∶10，模拟上海软土上箱形基础的小高层结构在地震作用下的反应。BS10试验共进行39个工况的振动激励，加载过程见表2-8。为了方便，在以下叙述中以工况代号表示各工况，工况代号见表2-8。试验时的模型和容器在振动台上就位的情况如图2-24所示。

图2-24　BS10试验

1.试验现象

BS10试验中的宏观反应现象主要有：在较小台面加速度输入时，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；随着台面输入加速度峰值的增加，土体、结构的反应增强；在不同地震波输入情况下，土体及上部结构的地震动反应以在上海人工波输入下最大，El Centro波输入下反应较小，而Kobe波的反应最小。

试验中观测到结构的沉降和倾斜现象。在振动激励很小(相当于原型体系承受七度多遇地震)时，结构尚能保持垂直不倾斜；在承受相当于原型体系承受七度地震时，结构向西倾斜约1%；之后，随着振动工况的进行，沉降和倾斜不断增加。试验结束时测得基础沉降约为6.5 cm；结构倾斜度为：向西约5.6%；向北0.6%。本试验中体系受到较小的地震动激励即产生结构沉降和倾斜的现象与前面所述均匀土-箱基-结构体系试验中的情况相似，这是因为箱基底面均置于砂质粉土层中。而本试验中结构倾斜程度明显小于均匀土-箱基-结构体系试验中的结构倾斜程度，则体现了上层黏性土对箱基侧面的约束作用，增大了基础转动刚度，从而提高了结构的抗倾覆能力。由此可见，在实际工程中，箱基的埋置深度和箱基侧面土体的性质与刚度，对于减小地震中的倾斜震害是很重要的影响因素。

试验结束后，挖出箱基模型，在箱基上没有发现任何裂缝。观测框架结构上的裂缝，在框架柱的底层柱底有细微裂缝，缝宽约0.05 mm；在1～5层平行于振动方向的框架梁的梁端有细微的垂直裂缝，缝宽均小于0.08 mm；其他部位没有裂缝。

在BS10试验过程中也观察到了如同砂土或粉土在地震中发生液化时所表现的“冒砂”现象。在强震激励下，不透水黏性土层覆盖下的砂质粉土层发生液化，水带着砂质粉土颗粒从黏性土层的薄弱处冒出，形成“冒砂”现象。在试验结束、静置约4小时后，土体有析水现象。

2.主要试验结果与规律

1)加速度峰值大小的分布

利用试验中位于上部框架结构、箱基顶面及土体内不同高度处测点的加速度记录，得到相对容器底板上测点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，分层土-箱基-高层框架结构动力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。图2-25为BS10试验在单向地震波输入时体系水平方向加速度反应峰值放大系数的分布曲线。从这些图中可以看到：

(1)对于土体部分，土层传递振动的放大或减振作用与土层性质、激励大小等因素有关。对砂土层，一般起放大作用；对中间砂质粉土层，由于该层土较软，起减振隔震作用。

(2)对于上部框架结构，在小震时，各层加速度反应峰值略有不同；在较大的地震激励下，由于土体的隔震作用，上部结构接受的振动能量很小，各层反应均很小，主要是由基础平动和转动引起的刚体反应。

(3)随着输入加速度峰值的增加，加速度峰值放大系数一般减小。其原因是随着试验振动次数的增加和输入振动的增强，土中孔隙水压力上升、土体不断软化、非线性加强，土传递振动的能力减弱。但其影响因素很多，如输入地震波的频谱特性、各层土在该级工况激励时的频率特性、框架结构中细微裂缝等。

(4)在相同峰值的加速度输入时，上海人工波激励下的反应较El Centro波和Kobe波激励下的反应大，这是由于上海人工波的频谱特性所致。

图2-25　不同高度处加速度峰值放大系数(BS10试验、不同峰值单向地震波输入)

2)结构顶层加速度反应组成分析(www.xing528.com)

按图2-20和式(2-1)对分层土-箱基-高层框架结构相互作用体系的结构顶层加速度反应进行组成分析，图2-26分别为BS10试验在EL2工况下，组成结构顶层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结构顶层总加速度反应、由基础转动引起的摆动分量、平动分量和上部框架结构变形分量。

图2-26　组成结构顶层加速度各分量的时程和傅氏谱(BS10试验、EL2工况)

从图中看到，结构顶层加速度反应主要由基础转动引起的摆动分量组成，平动分量和上部框架结构的变形分量相对较小。与均匀土-箱基试验的规律相似。结构顶层加速度反应组成取决于基础转动刚度、平动刚度和上部结构刚度的相对大小。在均匀土-箱基试验和分层土-箱基试验中，箱基置于较软的砂质粉土层，基础转动刚度较小，上部结构刚度相对较大，由基础转动引起的摆动分量是结构顶部加速度反应的主要组成分量。

3)软土的滤波隔震作用

一般认为，场地土会对基岩传来的地震动起放大作用，但试验中观测到软土地基对地震动的滤波和隔震作用。

图2-27　土中不同高度处测点的加速度时程及其傅氏谱(BS10试验、EL2工况)

图2-27是分层土的BS10试验工况EL2时部分测点测得的加速度时程及其傅氏谱，其中S8、S7、S6、S5是同一平面位置、自上而下不同高度的土中测点(参见图2-10)，SD位于容器底板上。从图中看到，从SD点到S5点，加速度时程变化不大、峰值略微增大，两者的傅氏谱图相似，说明砂土层有效地传递了振动，略起放大作用；从S5到S7点，加速度峰值依次减小，傅氏谱图向低频移，高频地震动分量减少，表明砂质粉土层起滤波和隔震作用。在小震下软土可能起放大作用，在较大的地震动激励时软土则起减振作用，而且随着振动激励次数增加、输入加速度峰值增大，软土的过滤和隔震作用更明显。由此可见，地基土层对地震动的影响与场地土特性、地震动大小等有关，不一定是放大作用，也可能起滤波隔震作用。

在日本神户地震后，人们发现地震烈度与地震加速度的实际分布不符合。认为原因可能是软土地基会加重地震烈度又会过滤一些高频地震动，从而减小地震动加速度[127]。试验正好反映了这种情况：软土地基起滤波和隔震作用，地表测得的加速度峰值较小，而结构反应主要取决于基础转动引起的摆动，地基失效时，地震烈度加重，而地震峰值加速度减小。

4)相互作用对结构动力反应的影响

通过结构-地基动力相互作用体系BS10试验与刚性地基上结构S10试验的试验结果的对比得出，相互作用引起结构动力特性的改变，自振频率减小，阻尼增大，振型改变；在相同的自由场地震动输入下，考虑相互作用的结构加速度、层间剪力、弯矩以及应变反应通常比刚性地基上的情况小；而位移则比刚性地基上的情况大。

5)竖向地震激励的影响

为了了解竖向地震对体系加速度反应峰值放大系数分布的影响，图2-28给出在X、Z双向地震波输入时，体系水平方向加速度反应峰值放大系数的分布曲线。

图2-28　不同高度处加速度峰值放大系数(BS10试验、双向地震波输入)

比较图2-28和图2-25，可看出，竖向地震波激励使体系在水平向的加速度反应峰值放大系数略有增大，其对分布曲线的规律没有明显的影响。