土-结相互作用(SSI)

１引言
由 震 源 出发 ， 过 场 地 土 传 播 的 地 震 通 波 输 入 到 结 构 体 系 ， 其 振 动 。 时 ， 构 使 这 结 体 系产 生 的惯 性 力如 同新 的震 源 又 反过 来 作用 于场 地 ， 引起 的 场 地 变 形 将 使 土 一 结 构 体 系 交 界 面 的 运 动 不 同 干 自 由场 地 情 况 。 种现象称为土结相互作用（０ｌ 这 Ｓ ｉ Ｓ ｒ ｃｕ ｅ Ｉ ｔｒｃｉｎ Ｕ Ｓ Ｉ 。 ｔ ｔｒ ｎ ｅａ ｔ ，ｐ Ｓ ） 桥梁结 构的 ｕ ｏ ￣ 地 震 响应 是 由 于 场 地 运 动 引起 的 ， 究 桥 研 梁地 震影 响 时 不 能 忽 略 场 地 对 它 的 影 响 。 土与 结 构 之 间 的相 互 作 用 可以 从 振 动能 量 传递 过 程 来 理 解 。 本 文 出 于 研 究 目的 ， 某 客 运 专 线 上 对 的 一 个 圆 端 形 板 式 桥 墩 在 三 种 不 同 场 地 下 进 行 了 非 线 性 时 程 分 析 ， 究 土 结 相 研 互 作 用 （ Ｓ ） 其 地 震 响 应 的 影 响 ， 求 Ｓ Ｉ对 寻 其 破 坏 规 律 ， 而 进 一 步 了 解 地 震 作 用 从 下桥 梁 结 构 的 性 能 。
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２基本假设与建模计算
基 于 弹 塑 性 理 论 的 延性 设 计 方 法 允 许 结 构 在 强地 震荷 载 作 用 下发 生 有 限 度的 损 伤 ， 用 结 构 的弹 塑性 力 学 特 性 吸 收 地 震 利 能 量 达 到 减 轻 地 震 荷 载 ， 靠 其 良好 的 变 依 形 能 力 实现 结 构避 免 倒 塌破 坏 的 目的 。 故 分 析 时 首 先要 对 结 构 进入 弹 塑 性 阶 段后 的 些 性 质进 行 假 设 与 计 算 。 ２ ｆ 效 塑 性铰 长 度 的 计算 ．等 Ⅸ公 路 桥 梁 抗 震 设 计 细 则 （ ＴＧ／ Ｊ Ｔ ０ － ｌ ２ ０ ） （ 下称 为《 则》６ ２ ２ Ｂ ２ ０ 一 ｏ ８ 以 细 ）．． 条规 定 ： 顺 桥 向 ， 支梁 桥 墩 柱 的底 部 区 沿 简 域 为 塑性 铰 区域 。 根据 Ⅸ 则》 细 的第 ７ ４ ３ ． ．条 规 定 ， 效 塑 性 铰 长 度 为 以 下 两 式 计 算 结 等 果的较小值 ： ， 三 ００ Ｈ ＋ ． ２ ． ４ ＝ ．８ ００ Ｌｄ ≥０ ４ ， ２ ０

基于SSI的桥梁地震脆弱性发展概述摘要：本文首先介绍地震脆弱性研究的发展，而后介绍ssi方法的研究与变革，然后介绍基于ssi的桥梁地震脆弱性曲线的发展与展望。

针对传统方法存在的问题，将ssi方法与基于脆弱性分析的桥梁抗震设计理论结合起来，介绍了基于ssi的桥梁抗震脆弱性分析方法。

关键词：地震脆弱性分析；土—结构相互作用（ssi）；fema440；反应谱方法abstract: this paper firstly introduces the development of seismic vulnerability analysis and the research and change of ssi method, then it introduces the development and prospect of the seismic vulnerability line of bridges based on the ssi method. this paper will combine the bridge seismic design theory based on vulnerability analysis with ssi method against the problems of traditional methods. it introduces the seismic vulnerability analysis method of bridges.key words: the seismic vulnerability analysis;soil-structure interaction(ssi); fema440; response spectrum method中图分类号：u442.55 文献标识码：a 文章编号：桥梁脆弱性分析也称为桥梁易损性分析，是通过绘制桥梁结构的脆弱性曲线来判别桥梁脆弱性的一种方法。

上部结构
图 ( c) 能够完全考虑地基土层与 上部结构之间的相互作用。 因为在这个体系中, 将地基土层 与上部结构作为一个整体来考虑 了。
土层
输入 基岩 （c）考虑土-结相互作用
动力相互作用
静 力 土 — 结 相 互 作 用 运 动 动 力 惯 性 如由上部结构-桩筏基-土构成的体系, 考 虑桩侧土的摩擦力、筏板底面土体的弹 性支承力对抵抗竖向静荷载的贡献问题 属静力相互作用问题。
有限元模型
模型3
子结构模型
该方法将上部结构与地基在基础面处分为两个子结 构, 分别研究其反应, 利用边界连续条件将两个子结 构在它们的接触面处联系起来。 早期对土- 结动力相互作用的研究大多采用此法, 目前该方法已能应用于三维地震动输入下的结构 地震反应分析。
子结构模型
子结构模型在频域可方便地用于阻抗函数法, 处理 有限元模型 线性地震反应分析; 在时域可用于线性和非线性地 震反应分析。该方法可节省一半的计算机内存空间, 计算速度较前述有限元法明显提高。但其输入数据 准备工作量仍较大。
第三阶段：深化发展阶段
近年来，非线性分析已经成为研究的主流方向，在继续 进行各种理论分析方法研究的同时，模型试验研究和原 型测试的分析研究也日益受到各国学者的关注，并有可 能成为土-结构动力相互作用研究的新一轮热点。
发展趋势
(1) 计算模型的深入研究
(2)非线性土-结构动力相互作用
(3)大比例尺模型的现场试验的强震观测
有限元模型
上部结构为梁元组成的框架, 质量集中在各个节点。 结构下地基土部分采用平面应变单元, 其左右两侧 用能量传递边界反应地震能量向自由场地的逸散 效果; 面外用附加粘性边界模拟场地土的三次元效 果, 地面为刚性边界。 地震动可在自由场地任一深度处输入。将土单元 底部边界改用粘性边界( 日本: 奥田光男、T. K. Udaka、多田和美等) 可减少土层计算深度, 节省 计算单元。该模型适用于复杂的结构形式和场地 条件, 有利于处理不规则的场问题及非线性问题, 且有较好的解的稳定性和收敛性。但要求计算机 的容量大,消耗机时多, 输入数据准备工作量大。

土—结构相互作用地震反应研究的文献综述（长春工程学院2012级硕士研究生结构工程李斌）内容提要：大量的研究结果表明：考虑土与结构的相互作用后，一般来说，结构的地震荷载将减少，但将增加结构的位移和由P-Derta效应产生的附加力。

但土体的性质是复杂的，土与结构相互作用下，有时求得地震力反而会增大。

按传统的刚性地基假定计算出的地震荷载进行抗震设计并非总是偏于安全。

本文总结了部分研究者们对土—结构相互作用地震反应研究方面的内容，对学习结构设计有所帮助。

一、概述由于地基的索性和无限性。

使得按刚性地基假定计算出来的结构动力特性和动力反应与将地基和结构作为一个整体计算出来的结果有所不同；由于将地基与结构作为一个体系进行分析。

使得输入地震动的特性与刚性地基假定的也有所不同。

这些差别就是由土与结构动力相互作用引起的。

地基土与结构相互作用表现在两个方面,即地基运动的改变和结构动力特性的改变[1]。

中国地震局工程力学研究所的窦立军博士在研究土与结构相互作用时提出[2]：上部结构振动的反馈作用改变了地基运动的频谱组成,使接近建筑结构自振频率的分量获得加强。

同时,地基的加速度幅值也较邻近自由场地小。

而地基的柔性改变了上部结构物的动力特性:结构的基本周期得以延长,基本周期可延长10%—150%。

由于地基的无限性，使结构的振动能量部分通过波传播向无限地基发生散射，形成了能量幅射，相当于结构体系的阻尼增大。

同时，考虑土一结构动力相互作用的结构位移是由基础平移、基础转动和结构本身变形三部分组成的，与刚性地基假设计算结果相比，结构顶点位移一般都相应地增大。

结构刚度越大，场地越软，结构顶点的位移增大得越多。

影响土与结构相互作用效应的主要因素有：（1）入射地震波的特性和入射角度；（2）土的动力特性、土层的厚度及土层的排列顺序；（3）基础的形式及埋置深度；（4）基础的平面形状和抗弯刚度；（5）结构的动力特性和相对高度。

二、土与结构相互作用的研究现况进入70年代后，由于数值计算理论和计算机技术的发展，以及一些重大工程的相继修建，推动了土与结构动力相互作用问题研究的迅速发展。