砂土-桩基-高层建筑地震响应分析：振动台试验与模拟分析成果

该计算实例为一幢框架体系高层结构，地上16层，标准层层高2.8 m，底层层高4 m，地下一层，层高2 m，标准层平面布置图如图6-12。建筑物重量荷载标准值(包括活载)，标准层为13 k N/m2，顶层为10 k N/m2，底层为15 k N/m2，地下室为18 k N/m2。其基础为桩筏基础，筏基厚1 m，桩截面尺寸为450 mm×45 mm，桩长43 m，桩的布置为每柱下设一桩基。地基为70 m厚的均质饱和砂层，其下为基岩。根据第6.3.1节有关建筑桩基地震反应计算的简化假定，该结构可以简化为平面问题。桩-土-框架系统的计算简图如图6-13。计算采用的砂土静、动应力应变关系、阻尼公式、有关的计算参数与第6.5.1节的算例相同。计算中土体和桩用二维平面应变单元模拟，柱、梁用二维梁单元模拟。地基两侧计算侧边界为简单的截断边界，各取在离结构60 m远处，为结构宽度的10倍。计算采用的输入地震波为El Centro波，如图6-14所示，加速度峰值调整为0.3 g。计算的网格划分如图6-15所示。计算时每一时段取为1 s。

图6-12　结构平面布置图

图6-13　计算简图

图6-14　El Centro波时程及其傅氏谱

图6-15　网格划分图(www.xing528.com)

图6-16给出了土的孔压比增长曲线。从图中可以看出，距土表4.5 m深的土约在3 s开始液化，距土表14～22.5 m的土约在4 s开始液化，而距土表30～70 m的土在整个振动过程中都没有液化，尤其在桩端的振动孔隙水压比很小，小于0.10。

图6-16　土中各点孔压比增长曲线

图6-17　有效应力法和总应力法计算的加速度时程比较

图6-18　有效应力法和总应力法计算的土中各点加速度傅氏谱值比较

图6-17给出了有效应力法和总应力法计算的加速度时程比较，图6-18给出了土体中各点有效应力法和总应力法计算的加速度傅氏谱值比较，图中“土中”为距地表25 m处两排桩之间的点，“土表”为距结构30 m远处的土表点。由图示可见，地基土的液化和软化具有明显的低频放大和高频滤波作用，对5 Hz以上成分的波动，几乎全部被过滤。对于总应力法，土中和土表加速度反应的频谱成分主要集中在0.5～2.5 s，这也正是输入的El Centro波能量最大的频段。对于有效应力法，由于考虑了振动孔隙水压力的影响，使得计算体系更具柔性，高频滤波效应更加显著，傅氏谱曲线向低频一侧移动，与总应力法相比，有效应力法求得的土表、土中的加速度反应峰值要小10%，有效应力法求得的底层加速度反应峰值要小10%，而顶层加速度反应峰值要小17%。因浅层土在3 s以后液化，不能再传递地震波，其后的地表加速度反应很小。上部结构的加速度反应在大部分地基土液化以后也逐渐减小。图中距地表25 m的“土中”点，因为此处的土一直没有液化，因而此处的加速度反应一直较大。