目前，国际上许多设计规范和工程师在抗震设计时忽略了结构嵌入深度的作用，一般的抗震分析方法也忽略了土-结构相互作用（SSI）对建筑地震响应的影响。因此，需要深入研究土-结构相互作用和结构嵌入深度的耦合作用对建筑地震响应的影响，特别是对于中软、软弱土场地上的多高层建筑。本文采用小型振动台进行小比例模型试验，并与数值模拟相结合的方法对此问题进行深入研究。 考虑土-结构相互作用和结构嵌入深度的耦合作用，本文提出了一种基于位移的复杂结构小比例振动台试验方法，首先根据小型振动台的规格选择合适的几何相似系数（1:50）建立试验模型，再通过几何相似系数推导出运动学和动力学相似性。试验建立了总高度（含嵌入深度）分别为7层和15层的两种结构，分别考虑了三种嵌入深度（无、1层和2层地下室）和两种土体约束条件（刚性和柔性）对结构地震响应的影响。考虑到实际工程中的场地土是半无限体，试验通过构建一个层状剪切土箱来模拟土的作用。 通过对十二个不同总高度、不同嵌入深度和不同土体约束条件的缩尺模型进行一系列振动台试验，得到了各个缩尺模型的固有频率、侧向位移、侧向加速度和侧向剪力。试验结果表明，与刚性约束相比，柔性约束模型的侧向位移增大，固有频率、顶层的侧向加速度和侧向剪力有所降低；模型的固有频率会随着嵌入深度的增加而增加，侧向位移会随着嵌入深度的增加而减小，嵌入深度对顶层的侧向加速度和侧向剪力的影响规律则取决于地震波特征。通过不同建筑总高度的对比分析，发现高层建筑（15层）的SSI效应更为显著，而低层建筑（7层）受嵌入深度的影响更大。可以看出，土-结构相互作用和结构嵌入深度的耦合作用会对结构的地震响应产生显著影响。 基于PLAXIS 3D建立了土-结构相互作用和结构嵌入深度耦合作用的三维数值模型。将土体模型的四个侧边界设置为自由边界，在侧边界的切向和法向上设置阻尼器模拟周围土体的作用，同时可以避免地震波反射到土体中；在土体底部设置刚性边界以表征基岩面。刚性约束时地震波作用在基础底面，而柔性约束时地震波作用在土体底部。通过数值模拟分析了缩尺模型和原型结构的地震响应，结果表明，在不同地震波作用下，缩尺模型的固有频率和侧向位移与试验结果具有一致性，验证了数值模型的正确性。在地震波作用下，原型结构的数值模拟结果与缩尺模型的试验和数值模拟的相似关系结果相吻合，进一步说明考虑土-结构相互作用和结构嵌入深度时，小比例模型试验可以很好地模拟建筑的地震响应，同时本文的数值模拟方法可以用于其它参数的研究。 对72个多高层建筑案例进行了数值模拟，包括不同总高度（7层、10层、12层和15层）、不同嵌入深度（无、1层和2层地下室）、不同土体约束条件（刚性和柔性）以及三种不同地震波，得到了侧向位移和柱剪力沿结构高度的分布规律。结果表明，在不同地震波作用下，与刚性约束相比，柔性约束的结构侧向位移有所增加，最多可增大99%。对于多层建筑（7层），柔性约束会降低侧向剪力，但嵌入土体部分相反。对于高层建筑（10层、12层和15层），柔性约束的结构侧向剪力可能会根据地震波的特性而增大或减小，这与国际规范中柔性约束会降低结构侧向剪力的规定不同。结构嵌入深度的影响方面，与无嵌入深度的结构相比，有嵌入深度的结构侧向位移普遍更小，有一层和两层地下室的结构侧向位移最多可分别减小28%和55%。可以发现，无论有没有SSI效应，嵌入深度对上部结构的剪力分布影响不大，而对嵌入土体结构的剪力分布有显著影响。嵌入深度的存在会对结构的抗震产生有利影响，尤其是对于无SSI效应但有嵌入深度的结构；而当考虑SSI效应时，这种有利影响会减弱，这说明在研究建筑地震响应时将SSI效应和嵌入深度的耦合作用考虑在内尤为重要。通过比较嵌入深度对不同总高度建筑的地震响应，可以发现嵌入深度对地震响应的影响随总高度的增加逐渐减小。 综上所述，在对多高层建筑进行抗震分析时，结构嵌入深度对地震响应的影响不可忽略，特别是在考虑土-结构相互作用时。所以，本研究建议国际设计规范的相关规定应进行更新，将土-结构相互作用和结构嵌入深度耦合作用对建筑地震响应的影响纳入其中，以实现安全与经济的统一。 关 键 词：嵌入深度；小比例振动台试验；多高层建筑；地震响应；土-结构相互作用；数值模拟 |
