基于振动台试验的超高层建筑对液化地基动力响应影响的研究*

戴启权 钱德玲 丁森林 鲍仕杰

(合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥 230009)

地震导致的地基液化可能会对建筑结构造成大规模破坏已是人们的共识。如在1975年的海城地震、1976年的唐山地震和2008年的汶川地震等几次大震中，均有地基液化导致建筑结构发生严重倾斜和沉降，甚至倒塌的现象。针对该现象，国内外学者进行了大量研究工作。Kagawa等对液化地基条件下结构的抗震性能进行了研究［1］。陈文化等开展了建筑物存在条件下的饱和砂土地基液化振动台模型试验［2］。李培振等通过振动台试验再现液化地基上高层建筑结构沉降和倾斜现象，并对高层结构动力响应进行研究［3］。黄春霞等探索饱和砂土地基模型的设计、制备及试验加载方式，通过振动台试验研究了饱和砂土地基液化特性［4］。周燕国等提出含黏粒砂土地基模型的制备技术，在振动台上再现了地基液化现象，研究了地基液化灾变特点［5］。刘晶波等在离心环境下进行地基自由场振动台试验，分析不同类型地基条件下土体加速度、剪应力-剪应变响应的差异［6］。综上所述，前人针对液化地基自由场或结构-液化地基体系的研究取得了丰硕成果［7-10］，然而，结合两类试验进行超高层建筑对液化地基动力响应影响的研究还鲜见报道。

开展超高层建筑对液化地基动力响应的研究具有重要意义。我国相关设计标准针对液化地基上的建筑结构设计给出了部分规定，但都过于宏观，指导意义有限。原因之一是人类对工程结构存在条件下，液化地基动力响应规律的认识还不够，不能量化该影响。

因此，本研究以某超高层建筑工程为背景，设计超高层建筑结构及其液化地基模型，进行自由场振动台试验(简称“自由场试验”)和超高层建筑 -液化地基相互作用体系振动台试验(简称“相互作用试验”)，计算并对比分析地基的加速度及其傅氏谱、位移响应，研究超高层建筑对液化地基动力响应的影响，以期为液化地基上超高层建筑结构的设计、液化地基的处理提供依据。

1 振动台试验概况

1.1 相似关系

模型的长度相似系数SL=1/50(模型/原型)，弹性模量和加速度相似系数分别为SE=1/3，Sa=3.8，根据 Bockingham π定理推导出其他各物理量的相似系数。本试验设计的主要物理量相似系数见表1。

表1 主要物理量动力相似系数Table 1 Primary dynamic similarity coefficients of model

1.2 模型设计和传感器布置

地基模型由砾石、粉细砂和粉质黏土分层均匀填筑而成，总厚度为1.1 m，见图1。底层土由最大粒径为10 mm的砾石构成，厚度为0.5 m，为整个结构体系提供稳定的桩基持力层。中间液化层采用普通粉细砂模拟，厚度为0.5 m，所用粉细砂的颗粒分布曲线见图2，试验设计砂土相对密实度Dr=30%。上层为重塑的粉质黏土覆盖层，厚度为0.1 m，覆盖层土性参数见表2。

图1 试验模型相关数据Fig.1 Dimensions of test model

图2 粉细砂颗粒分布曲线Fig.2 Grain size distribution of fine sand

表2 覆盖层土的物理参数Table 2 The physical indexes of overlaying stratum soil

土体填筑完成后，通过预留的管道加水静置处理24 h，使土体尽可能接近饱和状态。

超高层建筑原型为40层的框架-核心筒结构，结构高度为178 m，简化后的模型为20层的框架-核心筒结构，结构高度为3.566 m。建筑模型平面尺寸为 0.68 m ×0.68 m，基础采用 3×3群桩，桩间距为0.34 m，桩长为 0.72 m。使用微粒混凝土、镀锌铁丝和白铁皮制作群桩和超高层建筑模型。根据原型结构楼层质量与模型结构质量相似关系，确定模型各楼层的配重质量为91 kg。“相互作用试验”模型体系组装完成后的照片见图3。

图3 “相互作用试验”模型照片Fig.3 Photograp of model“system of interaction test”

群桩内地基不同高度处预埋有三个加速度传感器，编号S1—S3，传感器与容器底面之间的距离分别为 0，500，1 000 mm，距离群桩中心线均为170 mm。群桩外相对应 S1—S3的位置预埋有三个加速度传感器，编号S4—S6，传感器距离群桩中心线均为820 mm。地基中布置有6个孔隙水压力传感器，编号K1—K6。上述传感器均位于模型箱圆形上、下底的两个直径所组成的平面内，详细位置见图1。

1.3 地震波加载方案

选取El Centro波、Kobe波和上海人工波(SH2)作为地震激励，根据试验模型的相似系数调整地震波的加速度峰值和持时，调整后的加速度峰值分别为 0.133g、0.380g、0.760g 和 1.140g(g 为重力加速度)，以模拟不同强度等级的地震。上海人工地震波的加速度时程及其相应傅氏谱见图4。

先进行“自由场试验”，加载方案见表3。再进行超高层建筑-液化地基动力相互作用体系试验，加载方案见表4。

表3 “自由场试验”地震波加载方案Table 3 Seismic wave loading schemes in“free field test”

图4 上海人工波Fig.4 The SH-wave

表4 “相互作用试验”地震波加载方案Table 4 Seismic wave loading schemes in“interaction test”

2 液化地基加速度响应及其傅氏谱对比

通过对“自由场试验”与“相互作用试验”地基相同位置加速度响应及其傅里叶幅值谱的比较，分析超高层建筑的存在对液化地基动力响应的影响。图5为加速度峰值为0.760g的El Centro波激励下“自由场试验”与“相互作用试验”中地基加速度响应及其傅氏谱的对比。

通过图5中地基加速度时程可以看出：在相同地震波激励下，两个试验中地基的动力响应明显不同。首先，超高层建筑的存在使地基的加速度响应峰值降低，地基上部(S3处)降幅最大，降幅最大处为24.7%(S3处地基：“自由场试验”峰值为-0.465 66，0.589 21 m/s2;“相互作用试验”峰值为-0.350 56，0.585 08 m/s2)。其次，超高层建筑还使部分时段内地基的加速度响应滞后，且上层地基的滞后现象更明显。同时，对比加速度响应的傅氏谱不难看出：超高层建筑使地基振动的高频成分减少、低频成分增加，使傅氏谱的幅值减小，说明超高层建筑的存在使地基的动力响应特性发生了显著改变。

两个试验的结果对比表明：超高层建筑的存在明显改变了液化地基的动力响应及响应特性。原因是“相互作用试验”中超高层建筑-群桩结构耗散了一部分地震波能量，且液化地基与超高层建筑-群桩之间存在动力相互作用。因此，进行超高层建筑结构的地基设计时，应考虑建筑结构对地基动力响应的影响程度，以更加准确地进行设计。

图5 加速度峰值为0.760g的El Centro波激励下地基加速度响应及其傅氏谱Fig.5 Acceleration response and Fourier spectrum of foundation under El Centro seismic excitation at 0.760g

3 液化地基位移响应对比

试验中地基内部位移的量测十分困难，因此通过对地基加速度进行两次频域积分来获得地基位移。积分过程中通过合理选择加速度基线修正的方式，确定加速度带通滤波时的低频和高频阈值，保证积分的准确性。根据分析，地基底部与容器之间未产生相对滑移，将地基底部的加速度积分位移(dsoil)与台面传感器记录位移(dbase)进行比较，以判断试验中位移积分获取方法的准确性。加速度峰值为0.133 g的El Centro波作用下，dsoil与 dbase对比见图6。由图6中两组数据的对比可知：地基底部的积分位移与台面记录位移基本保持一致，说明通过对加速度进行两次频域积分获取地基位移的方法准确性高。

图6 加速度峰值为0.133g的El Centro波激励下台面位移与地基积分位移(S1处)Fig.6 Table displacement and soil integral displacement(S1)under El Centro seismic excitation at 0.133g

利用上述加速度积分获取位移的方法，计算得到加速度峰值为0.760g的 El Centro波激励下地基的位移响应，见图7，从中可见：“自由场试验”与“相互作用试验”中地基各部位的位移响应有明显区别，在地基位移最大峰值方面，“相互作用试验”大于“自由场试验”，其原因可能是“相互作用试验”中建筑结构与地基之间发生了共振。从地基位移随时间变化的角度来看：2～6 s时间段内，“相互作用试验”中地基上部(S3)的位移突然减小，这可能是地基上部受群桩和承台的约束较大所致。由此可知：建筑结构的存在对液化地基的位移有明显的影响，该影响因地基的不同位置有所不同。所以，工程设计中选取地基时应考虑建筑结构对地基造成的影响。

图7 加速度峰值为0.760g的El Centro激励下地基位移响应时程Fig.7 Earth displacement under El Centro seismic excitation at 0.760g

4 结束语

通过对液化地基自由场振动台试验和超高层建筑-液化地基动力相互作用体系振动台试验，分析比较了两组试验中地基的加速度响应及其傅氏谱、位移响应，得出以下结论：

1)超高层建筑的存在使地基的加速度响应峰值降低，还使部分时段内地基的加速度响应滞后。

2)超高层建筑使地基振动的高频成分减少、低频成分增加，使傅氏谱的幅值减小，说明超高层建筑的存在使地基的动力响应特性发生了显著改变。

3)“相互作用试验”中地基位移最大峰值大于“自由场试验”，可能是“相互作用试验”中建筑结构与地基之间发生共振所致。

4)工程设计中选取地基时应考虑超高层建筑结构对液化地基造成的影响。研究结果对液化地基的动力响应计算具有重要参考意义。

·信 息·

“2018中国钢结构大会暨七届二次会员代表大会”于11月2—4日在河北省石家庄市隆重召开。会议由中国钢结构协会、国家钢结构工程技术研究中心、中冶建筑研究总院有限公司主办，河钢集团有限公司、河北津西钢铁集团股份有限公司、中国二十二冶集团有限公司、金环建设集团有限公司共同承办，多维联合集团有限公司、北京赛博思建筑设计有限公司等单位协办。出席本次大会的代表有国内外相关企、事业单位、高校和科研院所的专家、学者600余人。

全体代表对《中国钢结构协会章程》(2018修订稿)、《中国钢结构会费管理办法》(2018修订稿)进行了投票表决，听取了中国钢结构协会2018年度财务报告，形成了七届二次会员代表大会决议和七届四次理事会决议。

会上对获得2018年度“中国钢结构协会科学技术奖”和“钢结构杰出人才奖”的单位和个人颁发了奖牌证书。2018年协会年度科学技术奖21项，其中，特等奖2项，一等奖5项，二等奖5项，三等奖9项;年度杰出人才奖获得者6人。

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本次会议以“把握机遇，打造钢结构事业发展”为主题，借助“雄安新区建设”和“一带一路倡议”的契机，系统研判钢结构行业面临的机遇和挑战，促进钢结构行业创新发展。