土-结构动力相互作用研究进展综述

摘要：土与结构动力相互作用是当代力学领域的前沿性研究课题，具有很强的实践性。本文对土与结构动力相互作用的研究历史与现状进行了介绍，简要综述了当前土与结构动力相互作用的研究方向和研究方法。

关键词：动力相互作用；地下结构；理论方法

1. 前言

地震时土体与结构的相互作用是一个普遍存在的问题，土-结构的动力相互作用问题是一个涉及到土动力学、结构动力学、非线性振动理论、地震工程学、岩土及结构抗震工程学、计算力学等众多学科的交叉性研究课题，也是一个涉及到非线性、大变形、接触面局部不连续等当代力学领域众多理论与技术热点的前沿性研究课题。随着科学计算技术的迅猛发展和实验手段的不断改进，重大和复杂体系工程的不断建造，促进了土与结构动力相互作用的深入研究，几十年来一直引起国内外的广泛重视和研究。

动力共同作用研究广泛存在于大型动力机械基础、核反应堆、海洋平台、地下铁道、高层建筑、桥梁隧道、大坝等领域中，动力激励则来自于机器扰动、地震、风、波浪及其他冲击等。从本质上来说，考虑土与结构动力共同作用最符合结构在动力作用下的特性，它对认识结构在动力荷载作用下的内在反应，进而控制或利用这一反应，具有举足轻重的作用，因此，这方面的研究有比较深远的意义。

2. 土-结构动力相互作用的研究过程

土-结构动力相互作用问题的实质是研究地基对结构物动力反应的影响。1904年Lamb对弹性地基振动问题的分析是最早进行的结构-地基相互作用问题的研究。1936年，Reissner通过对Lamb解的积分，研究了刚性圆形基础板在竖向荷载作用下的振动问题(即通常所称的基础振动问题Reissner理论)，从而奠定了土-结构动力相互作用问题研究的基础。到20世纪50年代，许多研究者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。但是，早期的模型都比较简单，不能很好地反映结构和地基之间在振动时的能量传递机制。直到1967年，Parmelee才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。

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，特别是随着核电站建设的兴起, 土-结构动力相互作用的研究得到迅速发展。土-结构动力相互作用的研究范围从动力机械基础逐步扩展到高层建筑、核电站的反应堆建筑物、水坝、海洋平台、桥梁、贮液罐和粮仓等结构。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现，土-结构动力相互作用问题己成为一个异常活跃的研究领域。

3. 土-结构动力相互作用的研究方法

关于土-结构动力相互作用问题的研究方法的分类总体上可以分为三类即：理论分析法、模型试验法和原型测试法。理论分析法是所有方法中的基础。

3.1 理论分析方法

土-结构动力相互作用的机理十分复杂，描述其动力学行为的数学模型（通常为一组控制方程）也十分复杂。结合具体问题的边界条件，寻找简捷而有效的计算模型及方法来求解边值问题，一直是土-结构动力相互作用研究的核心课题之一。目前已形成了多种求解动力相互作用控制方程组的方法。实际上理论分析是研究土-结构相互作用在时域或频域上的解析解和数值解。其中，解析解的主要代表是弹性半空间理论及弹性波绕射理论，这些解析解都是在经过简化和假设的基础上得到的，与实际情况相差较大，因而很少被应用。而数值方法由于假设少，与实际情况相接近，而且可以应用计算机进行计算比较容易实现而得到了广泛的应用。常用的数值研究方法有 ,整体数值分析方法、子结构方法及其杂合方法。

3.2模型试验法

土-结构动力相互作用问题的研究中，最大的困难是缺乏必要的实际数据，因而使土-结构动力相互作用的分析存在着许多不确定性，限制了其在实际工程设计中的应用。所以，进行模型试验验证就成为-种非常重要的研究方法。

日本动力工程试验中心从1980年至1987年在福岛核电厂进行了一系列的大比例尺模型试验，主要研究核电厂建筑物与地基相互作用问题，取得了大量的资料。台湾电力公司与美国电力研究所于20世纪80年代中期共同拟定了一项大比例尺结构抗震试验计划。参加该计划的单位有包括美国、日本、瑞士和台湾在内的十三个单位100多位研究人员。

关于土-结构动力相互作用的试验研究手段主要为大型振动台试验。近几年，大型振动台试验在国内得到了快速的发展，同济大学、中国地震局工程力学研究所、广州大学等单位均做了大量的结构动力特性振动台试验研究，并且在一些实验中，研究者开始注意到土对结构动力特性影响的研究。

吕西林等曾对软土地基上高层建筑进行过振动台试验研究，对土-结构动力相互作用效应对上部结构动力反应的影响进行了模拟试验。凌贤长等对液化场地上桩-土-桥梁结构动力相互作用进行了振动台试验研究。杨林德等对液化地基上土-地铁车站结构进行了模型振动台试验研究，分析了液化地基上地铁车站结构的动力学行为、动孔压增长规律及其液化规律[8]。庄海洋、陈国兴等对土-地铁车站结构进行了模型振动台试验研究，对地铁车站结构中地基土与车站结构侧墙之间的动土压力反应规律进行了分析。

3.3 原型测试法

原型测试包括激振试验和强震观测两个方面，在抗震研究中起着相当重要的作用, 它不仅可以获得真实的地震记录，而且可以通过埋设或安装在建筑物内的测量仪器得到建筑物的真实反应，由此可验证计算方法的正确性。1975年美国Hamboldt湾核电厂是国际上第一个取得强震记录并最早将观测结果与计算结果进行比较的一座核电厂。近年来，日本等国进行了一些原型的激振试验和地震观测，这些试验无疑对了解土-结构动力相互作用的机理和验证理论分析方法都有重要意义，特别是由实际地震观测得到的数据更有价值。松谷辉雄等对1995年1月17日发生在日本关西兵库县南部7.2级强烈地震中的一幢超高层钢筋混凝土建筑的地震反应记录以及震情作了详细的报告。这些实测记录的不断积累，将会有力地推动土―结构动力相互作用研究的进一步发展。

4. 结语

由于地震载荷具有随机性、难以预测性以及土体与结构物及其系统本身的复杂性，目前还没有哪一种手段能够独立地对土体-结构物动力相互作用问题进行全面而真实的解释和模拟。只有将这些不同的手段有机结合起来，才可能真正揭示动力相互作用问题的机理，并对其行为和过程进行较为准确的描述。例如，通过模型试验和原型观测可以再现实际现象、解释物理机制、推断变化过程、总结特性规律和分析灾变后果，在此基础上建立合理的能够反映实际动力相互作用规律的数理分析模型，发展相应的解析或数值分析方法，再通过模型试验和原型观测结果加以验证。这是研究和解决动力相互作用这-复杂问题的极为有效的途径。

参考文献：

[1] 杨林德,杨超,季倩倩等.地铁车站的振动台试验与地震响应的计算方法[J].同济大学学报,2003(10).

[2] 陈国兴,庄海洋,杜修力,李亮,左熹,朱定华.液化场地土-地铁车站结构大型振动台模型试验研究[J].地震工程与工程振动,2007,6(3).

[3] 沈朝勇,周福霖,黄襄云,罗学海,陈建秋,任珉,金建敏.高层结构考虑土与地下室相互作用的振动台试验和理论分析[J].地震工程与工程振动,2007,12(6).

作者简介：

王胜远（1983-），本科，现工作于大连大金马基础建设有限公司。

程相来（1982-），本科，现工作于大连大金马基础建设有限公司。