土-结相互作用(SSI)

Structure-soil-structure interaction (SSSI), put forward in recent decades, refers to the dynamic interaction problem in a multi-structure system through soil horizon.
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
第一阶段：初级发展阶段
奠定基础
1904 Lamb 对弹性地基振动问题的分析。
1936 Reissn 研究了刚性圆形基础板在竖向荷载作用下 的振动问题（基础振动问题的Reissner理论）。 揭示规律 20世纪50年代 获得了圆形和矩形基础在应力边值条件下 的平移、摆动和扭转振动的瞬态和稳态解析解。 1967 Parmele 提出了比较合理的土-结构动力相互作用的 计算模型，将结构和基础作为互相耦连的体系来研究其在 地震作用下的动力反应。
将建筑物及其基础假设为无质量时所得 到的地震动输入与自由场的地震动输入 的差别。
由于地基的柔性和地基的无限性造成 在相同的地震动输入条件下, 按建筑 物-地基系统计算出的建筑物反应与刚 性地基上建筑物的反应之间的差异。
土-结相互作用叠加原理
土-结动力相互作用问题的研究内容

建筑物基础的地震反应或地震动的散射问题
In NPP called DCI
It is also called dynamic cross interaction (DCI),in literature about nuclear power plant (NPP).
History and status of SSSI
The through-the-soil coupling of foundations was first introduced by Whitman in 1969 as an important problem requiring study. The ensuing period of 1970s is the initial phase of study of SSSI. The mark of the beginning of SSI study is the theory about vibrational foundation proposed by Reissner in 1936; whereas the start of SSSI study should be the work of Richardson and his co-workers between 1969 and 1972.
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。
Meanwhile, the difference in dynamic characteristics of NPP buildings affects not only the aseismic performance of the buildings themselves but also the equipment associated with NPP safety.
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。
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.
recent decades
Rapid progress of SSSI research in recent decades was just stimulated by the needs of the nuclear power, which was generated from NPP where a reactor building was always adjacent to a turbine building and a control building. The SSSI effect should be considered as one of the dynamic characteristics of NPP buildings if the effect is too large to ignore.
(4)参数和地震激励的随机性对土-结构动相互作用的影响
(5)土-结构动力相作用对地基稳定的影响
(6)土-结动力相互作用对结构主、被动控制的影响
简化模型
模型1 SR模型 ( Swing- Rocking Model)
SR模型在结构基础部位设置与基础水平位移和 转动有关的水平弹簧和转动弹簧。主要用于了 解土- 结构动力相互作用对上部结构地震反应的 影响。
该模型基础处的输入地震动即为自由场地表面 的加速度反应。 为提高该模型高振型的分析精度, 可将水平、转 动弹簧刚度作为频率的函数, 将部分地基土作为 参振质量加到基础上予以考虑。该模型虽然应 用了叠加原理, 但场地土只能在线性范围内考虑。 由于该模型简单、实用, 仍不失为一种有效方法。
SR模型
模型2

土-结动力相互作用体系建模问题

自由场地Βιβλιοθήκη Baidu震反应分析问题

分析方法问题

上部结构的地震反应分析问题
土-结动力相互作用体系地震动输入问题
土-结动力相互作用研究成果的工程应用问题
土-结构动力相互作用研究的发展过程
第一阶段：初级发展阶段
第二阶段：理论与计算方法等发展、提高阶段
第三阶段：深化发展阶段
另外土层内各点地震动所含的频 率成分与基岩地震动的不同。
上部结构 输出 土层
在刚性地基假定下将该地震动作 为上部结构的基底输入, 则这种 处理方式的计算简图如图 (b) 所 示。
输入
基岩 （b）未考虑土-结相互作用
由于上部结构对地基土层的反作 用没有包括进去,虽然地基土层作 为变形体被考虑了, 但是没有把地 基土层与上部结构这两个事实上 联结在一起的对象作为一个交联 体系来考虑, 它们之间的相互作用 不能完全考虑。
模型4
集中质量模型
集中质量模型
简化分析模型
结构-土-结构相互作用 structure-soil-structure interaction
http://risedr.tongji.edu.cn/showjl.asp?id=44 楼梦麟（同济大学）
Introduction
As in a metropolis, like Kobe in Japan, building structures are built close to each other on soft soil deposit. In such circumstances, dynamic interactions among building structures exist via radiation energy emitted from a vibrating structure to other structures. Hence the dynamical characteristics as well as the earthquake response characteristics of a structure are unable to be isolated from those of adjacent structures. Thus, the interactions between neighboring buildings have to be investigated.
土-结相互作用
Soil-structure（dynamic）interaction
工程力学 黄灿
1
基本概念 简化模型 SSSI概述
2
3
1
土-结构动力相互作用的几个基本概念
上部结构
地震时基岩运动通过地基土层传播到 基底激起上部结构运动。
土层
如果地基土层较坚硬可作为刚体看 待, 则土层内各点地震动与基岩的相 同, 向上部结构输入的地震动与基岩 地震动也相同。
第二阶段：理论与计算方法等发展、提高阶段
20世纪70年代以后，由于数值计算理论和计算机技术的发展 为各种复杂工程结构物考虑土-结构动力相互作用的分析提供 了手段。 将有限元法、边界元法综合应用的混合元法使土-结构动力 相互作用的求解范围得到进一步拓展。 从1972年在罗马召开的第五届世界地震工程会议开始，土结构动力相互作用问题都作为历届会议的一个专题进行讨论， 有关土-结构动力相互作用问题的研究论文也大量出，土-结 构动力相互作用问题已成为一个异常活跃的研究领域。
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。
基岩
输入
（a）原型结构
在刚性地基假定下不存在地基土层 与上部结构相互作用问题。
上部结构 输出 土层
由于土体是一种变形体, 地震时土 层内各点的地震反应的时程曲线与 基岩地震运动的时程曲线有明显不 同。 一是土层内各点的地震反应的最 大值与基岩相应量的最大值不同。
输入
基岩 （b）未考虑土-结相互作用