地基——结构相互作用的原理

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1、结构与地基动力相互作用问题近几十年来在工程中引起相当大的关注。随着建设工程安全性要求的不断提高和抗震防灾工程的迫切需要，结构与地基相互作用问题已成为结构工程领域内研究的热点课题之一。1．1前言结构与地基动力相互作用的问题近几十年来在工程中引起相当大的关注。结构与地基动力相互作用是土动力学、结构动力学、固体力学和计算数学等多学科相互交叉和渗透的学科，主要研究结构与地基相互作用的力学机理、计算分析方法、耦合效应等等，为结构工程、岩土工程、地下工程等领域的动力分析提供理论基础和分析方法11J。随着建设工程安全性要求的不断提

2、高和抗震防灾工程的迫切需要，结构与地基相互作用问题己成为结构工程领域内研究的热点课题之一。结构与地基共同作用的设计理念得到了学术界和工程界的极大重视，其计算理论也得到了长足的进步，尤其是在数值分析理论方面得到了很大的发展，出现了有限元、有限元／边界元、有限元／无限元等组合分析方法以及随机共同工作分析方法等，极大的完善了共同作用的抗震计算理论【2】。有限元分析结构与地基相互作用的地震反应已得到了广泛的应用，有限元能有效地模拟结构与地基介质的几何性质与力学性质，并能直观地得到地震时上部结构由于地基的作用而发生的反应。然而

3、，有限元模型难以反映无限域介质的辐射影响效应，只能引入虚拟的人工边界来模拟地基远场的影响，即在用有限元网格离散实际的半无限地基时，为了使地基对结构的作用能反映出来，常常将网格区域延伸足够远，以保证辐射能量基本被吸收，避免结构的地震波在边界上引起反射，但这样做将引起计算工作量的增大，同时还会导致极大的误差。由于地震波的反射和散射效应，有限地基模型的应用受到了极大的限制。结构与地基相互作用的问题实际上是结构与无限域的问题。无限元是二十世纪七十年代发展起来的一种解决无限域地基问题的数值方法。设计人员在进行建筑结构或水工结构

4、设计计算时，常把结构和地基作为两个独立系统分别考虑，一般把基础作为上部结构的固定支座，在荷载作用下求解上部结构的内力，这种常规的设计方法只考虑了地基与基础的相互作用，未考虑结构与地基的相互作用问题。在地震作用下，结构的响应不同于地基。地震作用下结构的运动是地基和结构共同作用、相互影响的结果。在抗震设计过程中，如果只是按常规的设计方法进行设计，相会影响到了建筑结构的安全性，甚者引起工程事故，这在国内外工程中不乏经验和教训。因此，进行结构与地基相互作用的动力响应研究，寻求一种合理的分析方法，如实的反__映结构与地基相互作

5、用的实际情况，有着深远的理论意义和工程意义。1．2结构与地基相互作用研究综述1．2．1国外研究概况[31[41结构与地基动力相互作用的研究可以追朔到1904年Lamb【5J对弹性地基震动问题的分析，Lamb从波动理论出发，推导出半空间表面在竖向集中谐和力作用下表面位移的积分型式解。1936年Reissner[6l通过对Lamb解的分析，研究了刚性圆形基础板在竖向集中谐和力作用下，弹性半空间地基的振动问题，首次引进了两个重要的参数：无量纲频率和地基的质量比，从而将地基与基础作为一个综合的系统来考虑，开始了结构与地基动力

6、相互作用的真正研究。自从梅耶霍夫(G．G．Meyerhof)【7】于1947年提出基础与上部结构相互工作的概念以来，地基与上部结构相互作用课题受到国内外工程界的广泛重视。其后，岑米斯基(S．Chamecki)Is】，格罗斯霍夫(H．GrosshoO唧相继研究单独基础上多层多跨框架结构的共同作用。六十年代，萨玛(H．Some01101提出考虑上部结构刚度计算基础沉降、接触应力和弯矩的方法。1965年，张佑启(Y．K．Cheung)茅1]申凯维茨(O．C．ZeinKeiwicz)⋯l应用有限元法研究地基的共同作用，普齐米

7、尼斯基0．S．Przemienicki)【l2】提出子结构法分析上部结构，为哈达丁(M．J．Haddadin)It3]首次利用子结构法研究地基与上部结构共同作用打下基础。随后，克里斯琴(J．T．Christian)[14】在高层建筑的规划与设计会议上，阐述高层建筑与地基共同作用问题。Hain和Lee等Il5J用子结构法和有限元法分析了Winkler地基和半空间地基上的空间框架结构一筏板一土的共同作用。Kingj矛lChandrasekarand!16】则用有限元法分析了超固结粘土上的空间框架结构一筏板一地基共同作用的

8、瞬时及长期变化情况。Wood和Lamach[171根据Temz曲iIl81固结理论分析了一维竖向固结情况下的共同作用问题。1976年召开了结构与地基相互作用国际学术会议。1978年第九届国际土力学与基础工程会议也列有专题讨论。1981年第十届国际土力学与基础工程会议等也列有专题讨论，1987年在巴黎召开“士与结构物共同作用的国际会议”。1997