支盘桩–土–高层建筑结构振动台试验的研究

　　1 引 言

　　地震时高层建筑、桩基础和地基组成一个复杂的动力体系，并产生相互作用。地震波通过地基和基础激励上部结构产生振动和变形，而上部结构又将变形能反馈到地基和基础上，使整个动力体系处于相互制约、相互影响的变形协调之中[1]。然而，地震中建筑物的倒塌和破坏表明抗震设计存在一定的缺陷，并引起了人们对建筑物抗震问题的极大关注，对模拟地震反应的振动台模型试验也就越来越引起重视。吕西林等[2，3]开展了振动台模型试验，研究结构物与地基基础的动力相似关系和相互作用的关键技术问题。研究表明地震作用下结构–地基–基础相互作用与刚性地基上结构的反应不同，如结构的动力特性发生改变(自振周期、阻尼比和振型的改变)、结构的地震反应发生改变(内力及位移的改变)和地基的运动特性发生改变(结构自振频率、加速度幅值的改变)。这些研究成果为振动台模型试验奠定了基础，对改进或提出合理的理论计算模型和分析方法起到了重要的作用[4～6]。

　　随着模型相似理论和结构抗震试验技术的发展，振动台模型试验已成为研究地基和结构动力相互作用的有效方法和必要途径。但是，无论是国外还是国内，也无论是振动台模型试验还是计算机动态仿真试验，均是采用常规的直杆桩基础进行试验和研究的。众所周知，地基变形导致对基础的作用力发生改变，从而直接影响上部结构的稳定性及其破坏形式。因此，根据支盘桩抗拔、抗压和抗震的性能，笔者于 2009 年元月在同济大学土木工程防灾国家重点实验室进行了支盘桩–高层建筑结构体系的振动台试验。试验结果表明：相互作用体系对结构的动力特性和结构的地震反应均有较大的影响，结构破坏形式与基础形式、土层性质等因素有关。

　　2 振动台模型试验设计

　　2.1 动力相似关系

　　振动台模型试验的一个重要基础性研究课题是动力相似理论，这种相似关系也是地震工程领域中最难解决的问题。动力相似关系包括几何尺寸、动力特性、材料性质和地震波输入等，原型和模型必须满足相似学第二定律[7]。根据原型与模型处于相同的重力场和惯性力与重力的比值相等，导出了相似关系[7，8](如表 1 所示)。本次试验进行了模型的相似关系设计，模型的缩尺比例为 1∶10，质量密度相似系数 Sρ= 1，土、结构的弹性模量相似系数均为ES = 3.76，按照 Bockingham 的π定理导出各物理量之间的相似关系式和相似系数。

　　2.2 土体边界条件及土箱设计

　　自然条件下，地基是无边界的土体，而在振动台试验中，由于振动台实际尺寸的限制，只能用有限尺寸的容器来装土。容器边界上的波动反射以及体系振动形态的变化将会给试验结果带来一定的误差，即所谓的“模型箱效应”。因此必须使容器中的模型土与土体自由场的边界条件在地震作用下以同样的方式变形。