第四章 土-结构相互作用..
考虑土-结构的相互作用
考虑土摘要：当建筑物建造于比较软的地基之上，土-结构相互作用会导致土-结构相互作用体系的动力特性发生改变，以至于影响建筑振动的控制效果。
因此，在分析建筑振动的控制时要考虑土-结构相互作用。
本文主要是从土-结构相互作用下不规则建筑振动的被动控制、主动控制和半主动控制三个方面进行分析，综合论述了土-结构相互作用下不规则建筑振动的控制问题。
关键词：土-结构相互作用；振动；调频质量阻尼器；动力特性土-结构相互作用对不规则建筑振动的影响主要体现在可以减小建筑结构的自振频率、滤掉地震中的激励成份、增大高层建筑的结构阻尼。
土-结构相互作用对于建筑振动影响的好与坏主要是取决于地面运动的频率成分。
当地面运动的频率接近建筑地基频率，土-结构相互作用对于建筑振动的影响将是有害的。
对于建筑物较高地基较软的建筑，在计算结构地震位移时必须要考虑土-结构相互作用，因为二者与频率的平方成比例。
另外，地震一旦发生，建造于土层上的建筑物的上部会受到来自于瞬时土层的地震响应将会很大。
因此，在建筑物不规则振动的分析中应充分考虑土-结构相互作用的影响。
本文分别从被动控制、主动控制和半主动控制三个方面综合分析了在考虑土-结构相互作用下不规则建筑振动的控制问题。
一、被动控制方面的分析在考虑土-结构相互作用下不规则建筑振动被动控制方面，主要是研究土-结构相互作用对于调频质量阻尼器性能的影响。
这里提到的调频质量阻尼器是一种由质块，弹簧与阻尼系统组成的能够通过改变结构共振性达到减震效果的装置。
许多研究表明，当地基比较软的时候调频质量阻尼器对结构的减震效果不够理想。
如果不将剪切波速作为影响因素，通过数值仿真发现，随着土质的柔软程度增加，调频质量阻尼器的减震性能将迅速降低。
也有一些研究将结构动力特性的改变归为土-结构相互作用的原因。
在研究中，将建筑上部结构理想化为一线性单自由度结构系统，并将调频质量阻尼器调谐到该结构系统基础固定频率，通过建立二者的传递函数，模拟了土-结构相互作用对调频质量阻尼器减震行为的影响。
土与结构相互作用
土与结构相互作用在建筑结构的设计计算中，通常是将上部结构、地基和基础三者分开来考虑，作为彼此离散的独立结构单元进行静力平衡分析计算。
在上部结构的设计计算中，不考虑基础刚度的影响；而在设计基础时，也未考虑上部结构的刚度，只计算作用在基础顶面的荷载；在验算地基承载力和进行地基沉降计算时，亦忽略了基础的刚度，而将基底反力简化为直线分布，并视其为柔性荷载，反向施加于地基。
这种设计方法在50年前大型、高层建筑没有出现的情况下，可以说是适用的。
但随着高层、大型、复杂建筑的修建，地基相对上部结构来说相互柔性，因而，地基刚性的假设不再成立，在设计结构时，就必须考虑地基与上部结构的相互作用问题，把二者作为一个整体进行耦合分析。
土与结构相互作用理论研究已经有相当丰富的经验，已取得了一些成果。
土与结构相互作用分为静相互作用和动相互作用。
土与结构静力相互作用理论主要有：Meyerhof G G博士提出估算框架等效刚度的公式以考虑共同作用，在计算箱型基础土与结构共同作用时，按箱基抗弯刚度与上部框架结构考虑柱影响的有效刚度比例来分配总弯矩。
Cheung Y K应用有限元研究地基基础的共同作用，为共同作用的发展提出了另一发展方向。
Haddain M J利用子结构分析方法研究地基基础与上部结构的共同作用，为利用有限元分析高层建筑结构打下基础。
土与结构动力相互作用理论：Lsymer和Richart 提出了解决土与结构动力共同作用的集中参数法，为解决土与结构动力共同作用的计算奠定了基础。
Paramelee 率先对土和结构系统提出了比较合理的力学模型：将地基理想化为半无限空间，上部结构理想化为带刚性底板的单自由度刚架，其刚性底板搁置在地基土表面。
这一力学模型的提出，标志着土与结构动力共同作用的研究进入深化阶段。
Chopra ，Perumalswami 在分析大坝与基础在地震作用下的共同作用时提出了子结构法，使当时的数值计算分析方法能够在复杂体系中得以有效应用。
土与基础结构动力相互作用的饱和弹性半空间理论
土与基础结构动力相互作用的饱和弹性半空间理论土与基础结构动力相互作用的饱和弹性半空间理论引言：土与基础结构的相互作用是土力学和地震工程领域中的重要研究课题。
在地震和其他动力荷载作用下，土体的动态特性对基础结构的动态响应和稳定性起着至关重要的作用。
本文将介绍土与基础结构动力相互作用的饱和弹性半空间理论，该理论基于弹性连续体力学和Biot动力响应理论，并考虑了饱和土的非均匀渗流效应。
1. 土弹性力学基础土体是一种多孔介质，具有弹性和连续性。
土体的弹性性质可以通过与岩石和金属类似的弹性力学理论来描述。
弹性体在受力时产生应变，并且当撤离力时能够完全恢复到无应变状态。
土体的弹性性质是通过弹性模量和泊松比来表征。
弹性模量是土体在单位应力作用下发生的应变，泊松比是侧向收缩应变与轴向应变之比。
2. 土与结构动力相互作用的Biot理论Biot理论是描述多孔弹性体动力响应的重要理论。
Biot理论考虑了土体的质量，弹性性质和渗流特性，并基于弹性连续体力学和一组渗流方程，提供了解析土体动力响应的框架。
该理论考虑了土体的质量能量平衡、线弹性力学和物质平衡方程。
3. 饱和弹性半空间模型饱和弹性半空间模型是一种简化的土体模型，它可以有效地描述土与基础结构之间的动力相互作用。
半空间指的是没有边界的无限土体模型。
饱和弹性半空间模型的基本假设是土体是均匀饱和、各向同性、弹性均一的介质，且无边界限制。
4. 动力相互作用分析方法饱和弹性半空间模型可以通过数值方法进行分析，例如有限元法和边界元法。
数值方法可以建立基于弹性理论和Biot动力响应理论的土体和结构的数学模型，通过求解模型的运动方程和边界条件来预测土体和结构的动力响应。
5. 非均匀渗流效应的考虑饱和土体中的渗流对土体的动力响应有着重要的影响。
由于渗流，土体中的孔隙水压强度会发生变化，从而改变土体弹性模量和阻尼特性。
非均匀渗流效应的考虑可以通过将渗流过程纳入动力相互作用分析中的渗流方程来完成。
土-结构动力相互作用导论
土-结构动力相互作用是土木工程领域中一个重要的研究课题，涉及到土壤和结构物之间的相互作用及其对结构的影响。
本文将从以下几个方面介绍土-结构动力相互作用的基本原理、影响因素和分析方法。
一、土-结构动力相互作用的基本原理土-结构动力相互作用是指土壤和结构物在地震、风载等外部荷载作用下的相互作用过程。
土壤作为结构物的基础，承受着结构物的重力和外部荷载，并通过与结构物的相互作用传递给结构。
而结构物则通过与土壤的相互作用，受到土壤的约束和支撑。
土-结构动力相互作用的基本原理可以归纳为三个方面：1. 土壤的动力特性：土壤是一种具有非线性、随机性和时变性的材料，其动力特性包括刚度、阻尼和质量等。
这些特性直接影响着土壤对结构物的约束和支撑能力。
2. 结构物的动力响应：结构物在地震、风载等外部荷载作用下会发生振动，其动力响应包括位移、速度和加速度等。
结构物的动力响应受到土壤的约束和支撑作用，而土壤的动力特性则影响着结构物的振动特性。
3. 土-结构相互作用：土壤和结构物通过接触面的摩擦力、剪切力和支撑力等相互作用，传递结构物的振动能量，并通过共振、反射和散射等机制影响结构物的动力响应。
土-结构相互作用的复杂性导致了土-结构动力相互作用问题的研究具有一定的挑战性。
二、影响土-结构动力相互作用的因素土-结构动力相互作用的结果受到多种因素的影响，包括土壤性质、结构物特性、荷载条件和基础形式等。
以下是一些主要因素的介绍：1. 土壤性质：土壤的物理性质、力学特性和动力特性等直接影响着土壤的约束和支撑能力。
土壤的密实度、含水量、颗粒大小和土层结构等因素都会对土-结构相互作用产生影响。
2. 结构物特性：结构物的刚度、阻尼和质量等特性决定了其动力响应的特点。
结构物的形式、材料和构造等因素也会对土-结构动力相互作用造成影响。
3. 荷载条件：地震、风载、暴雨等外部荷载是土-结构动力相互作用的主要驱动力。
荷载的大小、方向和频率等对土-结构相互作用的影响至关重要。
土-结构相互作用对双塔连体结构的地震反应分析
Ｔｗｏ－ ｗｅ ・ ｎ ｃ ｅ ｔｕ ｔ ｒ ｎ ｉ ｅ ｉ ｇ －ｏ ｒＣｏ ｎｅ ｔ ｄＳ ｒ ｃ ｕ ｅ ｔ － Ｃｏ ｓｄ ｒｎ Ｓ ｉ． ｔｕ ｔ ｒ ｔ ｒ ｃ ｉ ｎ ｏ ｌＳ ｒ ｃ ｕ ｅ ｎ ｅ ａ ｔｏ Ｉ
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所 改变 ， 各峰值 也有所 减小 ， 但减 小幅度 不 一 。
效 果更 明显 ， 更好 的计算模 型有 待于进 一步研 究 。
【 考 文献 】 参
４ 结 语
１通 过对 袋 式除 尘器 在 ３种 不 同地 震波 作 用下 ）
的 时程分 析可 知 ，悬挂 布袋 对 除尘 器 主体 结构 有很 好 的减震 作用 ， 一定 范 围 内随着 布袋 质量 的增加 ， 在
ｓ ｉ ｓ ｕ ｔ ｒ ｎ ｅ ａ ｔ ｎ ａ ｄ ａ ｏ ｈ ｒ ｗｉ ｏ ｔ ｃ ｎ ｉｅ ｎ ｈ ｏ ｌ ｔ ｃ ｕ ｅ ｉ ｔｒ ｃ ｉ ｎ ｎ ｔｅ ｔ ｕ ｏ ｓｄ ｒ 析 。计算结果表 明： 在考虑土 一
结 构 相 互 作 用 后 ， 构 的 地 震 反 应 如 自振 周 期 、 移 、 震 剪 结 位 地 力都 受 到 明显 的 影 响 ， 予 以重 视 。 应
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土—结构动力相互作用文献综述
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。
土与结构相互作用
土与结构相互作用土与结构相互作用是土木工程中一个非常重要的问题。
在建筑物、桥梁、隧道等工程中，土体是承受和传递荷载的重要组成部分。
因此，了解土与结构相互作用的规律，对于工程的设计、施工和运营都具有重要的意义。
土与结构相互作用的基本原理是土体的变形和应力状态会对结构产生影响，而结构的荷载又会对土体产生影响。
因此，土与结构的相互作用是一个复杂的动态过程，需要综合考虑土体的物理力学性质、结构的力学性质以及它们之间的相互作用。
在土与结构相互作用中，土体的物理力学性质是非常重要的。
土体的物理力学性质包括土体的密度、孔隙度、含水量、压缩性、剪切性等。
这些性质会影响土体的变形和应力状态，从而影响结构的受力情况。
例如，在地基工程中，土体的压缩性和剪切性会影响地基的承载能力和稳定性，从而影响建筑物的安全性。
另外，结构的力学性质也是土与结构相互作用中需要考虑的因素。
结构的力学性质包括结构的刚度、强度、稳定性等。
这些性质会影响结构的变形和应力状态，从而影响土体的受力情况。
例如，在桥梁工程中，桥梁的刚度和强度会影响桥梁的变形和应力状态，从而影响桥墩和桥面板对土体的荷载分配。
在土与结构相互作用中，还需要考虑它们之间的相互作用。
土体和结构之间的相互作用包括土体对结构的支撑作用、结构对土体的约束作用、土体和结构之间的摩擦作用等。
这些相互作用会影响土体和结构的变形和应力状态，从而影响工程的安全性和稳定性。
为了研究土与结构相互作用的规律，需要进行大量的实验和数值模拟。
实验可以通过模拟实际工程中的荷载和变形情况，来研究土体和结构的相互作用。
数值模拟可以通过建立土体和结构的数学模型，来模拟它们之间的相互作用。
这些研究可以为工程的设计、施工和运营提供重要的参考依据。
总之，土与结构相互作用是土木工程中一个非常重要的问题。
了解土与结构相互作用的规律，可以为工程的设计、施工和运营提供重要的参考依据。
在实际工程中，需要综合考虑土体的物理力学性质、结构的力学性质以及它们之间的相互作用，来确保工程的安全性和稳定性。
土与结构相互作用
土与结构相互作用土壤是地球表面上的一种自然资源，它不仅承载着植物的生长，还为人类提供了重要的农田和建筑基础。
土壤与建筑结构之间的相互作用是一个复杂而重要的问题，它关系着人类的生活和发展。
本文将从不同角度探讨土壤与结构的相互作用。
一、土壤的力学性质对结构的影响土壤的力学性质是指土壤在受力时的变形和承载能力。
不同类型的土壤具有不同的力学性质，这将直接影响到建筑结构的稳定性和安全性。
土壤的压缩性对结构的影响非常明显。
当建筑物施加在土壤上的荷载超过土壤的承载能力时，土壤会发生压缩变形。
这种变形会导致建筑物沉降或倾斜，甚至造成结构的破坏。
因此，在设计建筑结构时，必须充分考虑土壤的压缩性质，采取相应的措施来减小土壤的压缩变形。
土壤的剪切性对结构的稳定性也有重要影响。
土壤在受到剪切力时，会发生剪切变形。
当土壤的剪切强度不足以抵抗剪切力时，土壤会发生剪切破坏，导致结构的倒塌。
因此，在设计建筑结构时，需要充分考虑土壤的剪切性质，采取相应的措施来增加土壤的剪切强度。
土壤的水分对结构的稳定性也有一定影响。
当土壤的含水量过高时，土壤会变得松软，失去承载能力，容易发生液化现象。
而当土壤的含水量过低时，土壤会变得干燥，容易发生收缩裂缝。
因此，在设计建筑结构时，需要充分考虑土壤的水分状况，采取相应的措施来控制土壤的含水量。
二、结构的影响对土壤的变化建筑结构的施工和使用也会对土壤产生一定的影响。
首先，建筑物的施工过程中会对土壤的物理性质和化学性质产生影响。
例如，挖掘基坑、压实土壤等施工活动都会改变土壤的结构和组成，使土壤变得更加坚硬或松软。
建筑物的使用过程中也会对土壤产生一定的影响。
例如，高层建筑物的重力荷载会对土壤产生压力，使土壤发生压缩变形。
地下管道和地基工程的施工和使用也会对土壤的水分状况产生影响，造成土壤的湿润或干燥。
建筑物的排水系统和雨水收集系统也会对土壤的水分状况产生影响。
合理的排水系统可以有效地排除土壤中的过剩水分，保持土壤的稳定性。
土与结构相互作用PPT课件
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地震波选取
●根据场地条件，通过调整实测地震波的幅值和时间尺度修正其 频谱。
地震加速度振幅的缩放：不改变频谱特性和持续时间。 地震波卓越周期调整： ●用实测地震波作为输入。 ●基于规范设计反应谱合成人工地震波。场地地震危险性分析，
汶川地震记录
15
地震动输入方式： 地震动水平输入 垂直向输入
●目前规范规定垂直输入为水平输入的2/3。
16
地震动输入方式的比较
土层地震 反应分析
17
设计地震动峰值加速度确定
●中国地震动参数区划图确定。 ●工程场地地震危险性分析中超越概率所提供的峰值加速度。
18
地震波
纵波(P波) ：速度最大最先达到。 振动方向与传播方向一致。 引起地面上下颠簸振动 。
Duncan-Chang模型
超弹性模型
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■每一次循环加载都有可恢复 的弹性变形和不可恢复的塑性 变形（永久变形）
■单调加载曲线是循环加载所 对应的骨干曲线。
Duncan-Chang模型 单调加载
循环加载
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3.弹塑性模型——双曲线模型
双曲线作为土的应力应变弹塑性模型的主干线（骨干曲线）它是对称于原点 的
给出不同超越概率下的峰值加速度作为基底输入的加速度。
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人工地震波的合成
Ⅳ类场地
Ⅲ类场地
Ⅱ类场地
Ⅰ类场地
＝0.05
＝0.1 ＝0.15
＝0.20
规范中四类场地标准加速度反应谱 曲线（烈度8度，设计地震动为1组）
同一场地不同阻尼比反应谱曲线 （烈度8度，二类场地）
土与结构相互作用
土与结构相互作用一、土的特性土，是构成地球地壳的一种天然物质，其特性与构造、成分以及环境条件密切相关。
了解土的特性对于建筑和结构设计至关重要。
1. 土壤颗粒与孔隙土壤主要由颗粒和孔隙组成。
颗粒可以是石英、黏土、砂质等物质，其粒度大小决定了土壤的类别和性质。
孔隙则是颗粒之间的空隙，控制着土壤的透水性、渗透性等重要参数。
2. 土壤含水量与含气量土壤含水量指土壤中水分的含量。
含水量的变化会导致土壤体积的变化，进而影响土体的力学性质。
土壤含气量则指土壤中气体的含量，也对土壤的力学性质产生影响。
3. 土壤力学性质土壤力学性质包括固结性、可塑性、剪切性、抗剪强度等。
这些性质决定了土壤对外力的响应及其稳定性。
二、土与结构之间的相互作用土和结构之间的相互作用是指土壤对结构施加力学效应，以及结构对土壤产生的影响。
这一相互作用主要表现在以下几个方面。
1. 荷载传递结构荷载通过基础传递到土壤中，土壤承受荷载后会产生反力，进而对结构产生作用。
土壤的力学性质会影响荷载的传递过程，因此要充分了解土壤力学性质对于结构设计至关重要。
2. 土壤侧压力当建筑物或其他结构物存在于土壤中时，土壤会对结构施加侧向压力。
这种侧压力会对结构的稳定性和安全性产生重要影响。
3. 土壤液化在地震等自然灾害情况下，土壤可能发生液化现象。
液化会导致土壤的强度和刚度急剧降低，从而对结构造成破坏。
4. 土体位移与沉降土壤的位移和沉降会对结构造成影响，并可能导致结构的不稳定性和损坏。
因此，在结构设计中需要考虑土体位移和沉降的影响。
三、土与结构相互作用的影响因素土与结构相互作用的影响因素众多，包括土壤类型、材料特性、结构形式、外部荷载等。
1. 土壤类型不同类型的土壤具有不同的力学性质和特性，对结构产生的作用也不同。
因此，在结构设计中要充分考虑土壤类型对结构的影响。
2. 材料特性结构材料的力学特性会影响结构与土壤的相互作用。
例如，弹性模量的大小会影响荷载的传递和土壤的反应。
土-结构动力相互作用导论
土-结构动力相互作用导论导论：土-结构动力相互作用是土木工程中一个重要的研究领域，研究土壤和结构之间的相互作用对工程结构的稳定性和安全性的影响。
本文将介绍土-结构动力相互作用的基本概念、影响因素和数值模拟方法。
一、基本概念土-结构动力相互作用是指土壤和结构之间的力的传递和能量的交换。
在地震、风载和交通振动等外力作用下，土壤和结构会发生共振现象，进而影响结构的稳定性和可靠性。
土-结构动力相互作用的研究对于工程结构的设计和抗震设计至关重要。
二、影响因素1.土壤特性：土壤的类型、密度、含水量等特性会影响土-结构动力相互作用。
不同类型的土壤在振动响应上具有不同的特点，例如砂土的刚度比黏土大，因此在同等振动力下，砂土的相对位移会比较小。
2.结构特性：结构的刚度、振动周期等特性也会影响土-结构动力相互作用。
刚性结构对外力作用更加敏感，而柔性结构则更容易发生共振。
3.外力激励：外力的频率、幅值和方向也会影响土-结构动力相互作用。
频率接近结构的固有频率时会引发共振现象，幅值越大，相互作用的影响也越显著。
三、数值模拟方法数值模拟是研究土-结构动力相互作用的重要工具之一。
其中最常用的方法包括有限元法和边界元法。
1.有限元法：有限元法是一种将结构或土壤划分为有限数量的单元，在每个单元上进行力平衡和位移平衡的数值方法。
通过有限元法可以模拟土壤和结构的共同振动响应。
2.边界元法：边界元法将结构和土壤分别划分为内边界和外边界，并通过边界条件来模拟土-结构动力相互作用。
边界元法的优势在于可以减少计算单元的数量，提高计算效率。
四、应用领域土-结构动力相互作用的研究在许多领域都有重要的应用价值。
其中包括土木工程、建筑设计、地震工程、风工程等。
研究人员通过数值模拟，可以进行结构的抗震分析、结构的疲劳分析、地震波传播分析等，提高结构的稳定性和可靠性。
总结：土-结构动力相互作用是土木工程中的一个重要研究领域，研究土壤和结构之间的相互作用对结构的稳定性和安全性的影响。
浅议土和结构的相互作用
、
研 究 现状
土 和结 构 的相 互作 用 从狭 义 上讲 ，就 是 建筑 物 地 基
运 动 的改 变 和 建筑 物 结 构 特 性 的改 变 之 间 的 相 互 作 用 。 无 法 进行 实 验研 究 ，这 时 ，我们 就 需要 选 择 理论 推 理 来 从 广 义上 讲 ，人 们 经 常讲 到 的土 的 液化 问题 ，也 是 土 和 进行 研 究 。例 如 ：当上 部 建筑 的结 构 刚度 不 断进 行 细微
杨 健
（ 北 电 网有 限公 司唐 山供 电公 司 ，河 北 华 唐山 ０ ３０ ） ６０ ０
摘 要 ：本 文概 述 了土 与结 构 的相互 作 用 问题 ，重点 研 究 了地 震 时 土 与 结 构 的 相 互 作 用 问 题 。通 过 对 六 栋 房 屋 分别 座 落在 不 同 的地基 上 进行 分 析 研 究 ，得 出不 同地 基 对 不 同结 构 类 型 的高 层 建 筑 的地 震 反 应 的 不 同影 响 ，进 而 给 出了 考虑 和不 考 虑相 互 作用 两 种情 况 下 结构 的周 期 、剪 力 、地 震 力 和 位 移 的变 化 情 况 ，有 助 于研 究 结 构 设 计
动 ，传 至基 础从 而 改变 了它 的频 谱组 成 ，加 强 了建 筑 结 容 易 获得 这 种 变化 值 。
构 自振 频 率 。 建筑物 结 构 特性 的 改变 ，是 由 于该 建 筑 物 用 以上 两种 研 究办 法 ，得 出同样 的结 论 ，就 是 随着 座 落 于软 弱 土场 地 ，它 的 地基 是 柔性 的 ，延长 了结 构 的 地震 加 速 度 的增 加 ，Ｓ Ｉ 应 对 高 层 建 筑 产 生 的 地震 力 Ｓ效 基 本周 期 ，改变 了结 构 体 系 的阻 尼 ，从 而 改变 了它 的 上 影 响 最 大 。 部 结构 的动力 特 性 。 以上 我 们 主要 对抗 震 的上 部结 构 进 行 了分 析 ，接下 土和 结构 的相互 作 用 ，从 目前来 看 ，它 的求 解 方 法 来我 们 对 其 下部 结 构 的主要 作 用 因 素—— 土 ，来 进行 分
土与结构相互作用2024
土与结构相互作用2024土与结构相互作用2024一、土体力学与结构相互作用1.土体力学概述土体力学是研究土体内各个颗粒之间力学性质和变形特征的科学。
土体力学的主要研究内容包括土的物理性质、力学性质、渗流性质和变形特征等。
2.土与结构相互作用关系土与结构之间的相互作用关系主要体现在力学性质和变形特征方面。
土的力学性质包括强度、刚度和稳定性等，而结构的刚度和稳定性受土的力学性质和变形特征的影响。
3.影响因素影响土与结构相互作用的因素有很多，主要包括土体的物理性质、土体的力学性质、结构的形状和刚度、结构的受力形式等。
这些因素对土与结构的力学性质和变形特征有直接或间接的影响。
二、结构力学与土相互作用1.结构力学概述结构力学是研究结构在外力作用下的变形和破坏规律的科学。
结构力学的主要研究内容包括结构受力分析、结构变形规律和结构稳定性等。
2.结构与土相互作用关系结构与土之间的相互作用关系主要体现在结构受力分析和变形规律方面。
土的力学性质和变形特征对结构的受力和变形有重要的影响。
3.影响因素影响结构与土相互作用的因素有很多，主要包括土的力学性质和变形特征、结构的形状和刚度、结构的荷载和施工方法等。
这些因素对结构的力学性质和变形特征有直接或间接的影响。
三、影响土与结构相互作用的因素1.土的物理性质土的物理性质包括粒径组成、水分含量、密度等。
不同的物理性质会导致土体的强度、刚度和稳定性等力学性质的变化，从而影响土与结构的相互作用。
2.土的力学性质土的力学性质包括强度、刚度和稳定性等。
土的强度和刚度会影响结构对土的作用力的传递和分布情况，土的稳定性会影响结构在土中的稳定性。
3.结构的形状和刚度结构的形状和刚度也会对土与结构的相互作用产生影响。
结构的形状会影响土体的应力分布和变形情况，结构的刚度会对土的应力和变形起调整作用。
4.结构的荷载和施工方法结构的荷载和施工方法也是影响土与结构相互作用的重要因素。
结构的荷载大小和施工方法会对土的应力和变形产生直接影响，从而影响土与结构的相互作用。
土与结构相互作用分析流程
土与结构相互作用分析流程一、啥是土与结构相互作用。
土与结构相互作用呢，就是土和结构之间互相影响的关系。
你想啊，就像人和衣服一样，结构就好比人，土就好比衣服，人穿上衣服，衣服会因为人的体型有不同的形状，人也会因为衣服的材质和款式有不同的感觉，土和结构之间也是这么个事儿。
土是一种很特别的存在，它不是像我们想象的那么简单。
它有自己的特性，比如说硬度啊、密度啊之类的。
结构呢，就是那些人造的东西，像房子、桥梁啥的。
当结构放在土上面或者土里面的时候，土就会对结构产生力的作用，结构也会对土有影响。
比如说，房子盖在土上，土会给房子提供支撑力，但是房子的重量也会让土有压缩变形的情况。
二、分析土的特性。
1. 土的类型。
土有好多类型呢，像砂土、黏土、壤土啥的。
砂土呢，颗粒比较大，就像沙子一样，它的排水性比较好，但是它的黏聚力就比较小。
黏土呢，颗粒很细，黏黏的，它的黏聚力比较大，但是排水性就不太好。
壤土就介于砂土和黏土之间啦。
不同类型的土对结构的作用是不一样的。
比如说在砂土上盖房子，可能要更多地考虑地基的稳定性，因为砂土容易松动。
在黏土上盖房子呢，就要注意排水问题，不然黏土吸水膨胀，对房子的地基可不好。
2. 土的力学性质。
土的力学性质也很重要。
比如说土的抗剪强度，这就像是土抵抗被破坏的能力。
如果土的抗剪强度不够，在结构的压力下，土就容易发生滑动或者变形。
还有土的压缩性，有些土一压就变得很扁，这对结构的沉降影响很大。
要是房子盖在压缩性很大的土上，房子可能会慢慢下沉，这可就危险啦。
三、分析结构的特性。
1. 结构的类型。
结构的类型多种多样。
有框架结构，就像那种由柱子和梁组成的框架，很多高楼大厦就是这种结构。
还有砌体结构，像那种用砖头砌起来的房子。
不同的结构类型，它和土相互作用的方式也不一样。
框架结构因为比较灵活，它对土不均匀沉降的适应能力可能会比砌体结构强一些。
比如说在一些软土地基上，框架结构可能就更能应对地基的变形，而砌体结构可能就容易出现裂缝。
第四章 土-结构相互作用
b b
1.13b
土－结构 统计学
STATISTICS
相互作用
3. 2.1 在刚性垫层上的SDOF（续）
b2 b1
注意：
b1与b2差别显著，等
效面积方法就不再适 用。
地基底板是柔性的而
不是刚性的，上述的 相互作用分析方法也 不再适用。
土－结构 统计学
STATISTICS
I mv mh I m m0 vg m m0 vg V0 t
mv 2m v kv mh mv mvg 0
I I g
进行Fourier变换得到子结构1的频域运动方程：
土－结构 统计学
STATISTICS
相互作用
3. 2.1 在刚性垫层上的SDOF（续）
统计学 STATISTICS 统计学 土－结构
相互作用
STATISTICS
SSI的直接分析
平动激励的运动学相互影响 直接包含边界土层
土－结构 统计学
STATISTICS
相互作用
3.1.1 平动激励的运动学相互影响
地面加速度函数为
vgx y, t aix t i y
土－结构 统计学
STATISTICS
相互作用
3. 2.1 在刚性垫层上的SDOF（续）
t I vg t v t v g g t
基底位移
取质量m为隔离体，得到它的水平力平衡方程：
mv 2m v kv mh mv mvg 0
I I g
把整个子结构（1）与弹性半空间隔离开来，获得子 基底相互 结构的水平力平衡方程：
i
波函数满足
土-结构相互作用地铁车站三维有限元分析
断面宽度， ｍｍ （ ａ ）位移量
Ｏ ． ｏ ３ ５
Ｏ ． ０ ３
０ ． ０ ２ ５
０ ． ０ ２ ０ ＿ ０ １ ５ ０ ． ０１
０ ． ０ ｏ ５ Ｏ ０ １ ％７ Ｏ ３ ９ ３ ４ ０ ５ ９ ０ １ ０ ７ ８ ６ ８ ０ ９ ８ ３ ５ ｏ １ １ ８ ０ ２ ０ １ ３ ７ ６ ９ ０ １ ５ ７ ３ ６ ０ １ ７ ７ ０ ３ ０ １ ％７ ０ ０ ９ ８ ３ ５ ２ ９ ０５ ５ ４ ９ １ ７ ５ ８８ ６ ４ ５ ８ ８ ５ １ ５ １ ８１ ０ ８ ０ １ ２ ７ ８ ６ ０ １ ４ ７ ５ ２ ０ １ ６ ７ ２ ０ ０ １ ８ ６ ８ ６ ０
的三 维强 度 准则 ． 二是 由 弥散 钢 筋 单 元 组 成 的整 体式 钢筋 模 型 ， 它 可 以在 三维 空 间 的不 同方 向分
（ １ ）
式 中， ［ Ｄ ］为混 凝土 材料 的弹性 矩 阵 ， 在 弹 性计
别设定钢筋的位置， 角度 ， 配筋率等参数．
１一
［ Ｄ ］＝ Ｅ ｃ （ １－ Ｉ － ） （ １—２ ｖ ）
式中 ， Ｅ 为钢筋的弹性模量 ， ｐ ｘ ， Ｐ Ｙ 、 ｐ ｚ 分别为沿
、
化白云质灰岩 等地质结构 物理力学性质差 异较
大， 岩土 界线清 晰 ． 地 质参 数如 附表 ．
ｙ ＿ 、 方向的配筋率．
附表
土层分布及其计算参数
１ ． ４ 模 型 的载荷 及边 界 条件
（ １ ） 车站模 型 载荷 地铁 车 站模 型受 到 土层竖 向 、 水平 土压 力 ， 水
断面宽度／ ｍ ｍ
（ ｂ ）应 力
图 ２ 土 一车站结构位移量 、 应力变化 曲线
土结构相互作用
0.757
因子可以显著地降低在这个基频上的激励，从 而相应地降低反应。
统土－计结构学
S相TA互TI作ST用ICS
3.1.2 直接包含有界土层
SSI的直接分析法：土直接表示在分析模型中，与 结构模型相结合。
缺点：有界土模型不允许在结构和土中的振动能 量传播出去，它忽略了有效阻尼机制。
适用范围：支承结构的土在非常刚性的岩石上。
地基和结构的连接：通过幅值相等但方向相 反，作用在两个子结构上的相互作用力提供。
交界面上的总运动＝自由场运动＋相互作用 导致的附加运动
统计学 统计学 S土TA－TIS结TI构CS
相ST互AT作IST用ICS
SSI反应的子结构分析
土体子结构的刚度和阻尼特性依赖于频率 相互作用分析：
——先变换到频域做地震反应分析 ——再变换回时域得到反应历程
v&&gx
t
1
2
Ai expit d
统土－计结构学
S相TA互TI作ST用ICS
3.1.1 平动激励的运动学相互影响 （续）
在任何其它 y值的运动可表示为：
v&&gx
y,t
1
2
Ai exp
i
t
y Va
d
ax
t
1 D
D 0
v&&gx
y,
t
dy
ax
t
1
2
A
i
exp
i
D
Va
i
D
Va
1
exp
it
d
统土－计结构学
S相TA互TI作ST用ICS
3.1.1 平动激励的运动学相互影响 （续）
土-结相互作用(SSI)
Investigations of soil-structure interaction have shown that the dynamic response of a structure supported on flexible soil may differ significantly from that when supported on a rigid base. One of the important reasons for this difference is that part of the vibrational energy of a flexibly mounted structure is dissipated by radiation of stress waves in the supporting medium and by hysteresis of the medium itself. Analytical methods to calculate the dynamic soil-structure interaction effects are well established. When there is more than one structure in the medium, because of interference of the structural responses through soil, the soil-structure problem evolves to a cross-interaction problem between multiple structures.
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。
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统计学 STATISTICS 统计学 土－结构
相互作用
STATISTICS
SSI的直接分析
平动激励的运动学相互影响 直接包含边界土层
土－结构 统计学
STATISTICS
相互作用
3.1.1 平动激励的运动学相互影响
地面加速度函数为
vgx y, t aix t i y
1 vgx t 2 1 vgx t 2
A i exp it d
vgx t vgx 0, t
A i exp it d
土－结构 统计学
STATISTICS
相互作用
3.1.1 平动激励的运动学相互影响 （续）
统计学 STATISTICS 统计学 土－结构
相互作用
STATISTICS
SSI反应的子结构分析
在刚性垫层上的SDOF
具有多点支承的MDOF
生成边界阻抗
统计学 STATISTICS 统计学 土－结构
相互作用
STATISTICS
SSI反应的子结构分析
SSI子结构分析：地基机理和结构是两个独立 的数学模型——子结构。 地基和结构的连接：通过幅值相等但方向相 反，作用在两个子结构上的相互作用力提供。 交界面上的总运动＝自由场运动＋相互作用 导致的附加运动
土－结构 统计学
STATISTICS
相互作用
3.1.1 平动激励的运动学相互影响 （续）
D
土－结构 统计学
STATISTICS
相互作用
3.1.1 平动激励的运动学相互影响 （续）
例：近海重力塔D=400ft，基础类型为软土，剪切 波速＝1000ft/s。
Va 1000 ft s
f 1Hz
vt t vt t m mg v t c cg v t k g g vt t kg v t 0 g
土－结构 统计学
2 4000 0.8 1000
0.757
因子可以显著地降低在这个基频上的激励，从而 相应地降低反应。
土－结构 统计学
STATISTICS
相互作用
3.1.2 直接包含有界土层
SSI的直接分析法：土直接表示在分析模型中，与 结构模型相结合。
缺点：有界土模型不允许在结构和土中的振动能 量传播出去，它忽略了有效阻尼机制。 适用范围：支承结构的土在非常刚性的岩石上。
mb vb t cb vb t kb vb t
mc、cc、kc 表示地基材料的性质。 mc、cc、kc 表示附加结构物的性质。
mb、cb、kb 表示地基中由基岩运动引起的力的耦合项。 t v vc 自由场运动。 c 结构物在该场地的附加反应。
vb 基岩的输入运动。
y A i exp i t Va d
在任何其它 y值的运动可表示为：
1 vgx y, t 2
1 D ax t vgx y , t dy D 0 D 1 exp i Va 1 ax t A i exp it d D 2 i Va
y j y dy 0 i j
假定一组合理的无量纲位移函数
土－结构 统计学
STATISTICS
相互作用
3.1.1 平动激励的运动学相互影响 （续）
刚体振型
2 y 1 2 y D 3 y
1 y 1
0 y D
统计学 STATISTICS 统计学 地震工程
EARTHQUAKE STATISTICS ENGINEERING
土－结构相互作用（SSI）
SSI的直接分析 SSI的子结构分析
统计学 STATISTICS 统计学 土－结构
相互作用
STATISTICS
SSI的直接分析
土－结构相互作用（Soil-Structure Interaction, SSI） SSI：土的刚度、结构的质量和刚度 动力学相互作用影响：与结构有关的相互作 用
弯曲振型 用任一波形函数左乘加速度函数两端，对y从0到D 积分，并且利用正交性关系，可得到加速度函数 的系数。
土－结构 统计学
STATISTICS
相互作用
3.1.1 平动激励的运动学相互影响 （续）
在整个区域沿x方向的均匀刚体平动
1 D a1x t vgx y, t dy D 0 3 D 2y a2 x t 1 vgx y, t dy D 0 D
关于绕竖向z轴的刚体转动
土－结构 统计学
STATISTICS
相互作用
3.1.1 平动激励的运动学相互影响 （续）
刚体基础最终的加速度可取为
1 D ax t vgx y , t dy D 0
If y=0，由波列产生的自由场地面加速度可以表示 为一系列谐振项的组合，用Fourier积分可表示为：
STATISTICS
相互作用
3.1.2 直接包含有界土层（续）
土－结构 统计学
STATISTICS
相互作用
3.1.2 直接包含有界土层（续）
缺点：地震激励被施加在土层底部，而地震输入 通常是根据自由场表面记录的加速度来表示的。
t t t m m v t v t c c v t v t k k v v c c c c c c c c c c c c t
土－结构 统计学
STATISTICS
相互作用
3.1.1 平动激励的运动学相互影响 （续）
反映在与结构接触的 区域内对自由场地面 运动的改变
刚性基础平动中谐波幅值与相应自由场幅值之比 定义为因子：
其中
波长
1
2 1 cos
D
Va
2 D
2 Va