景立平,張建林,陸新宇,汪 剛,齊文浩
(1. 中國地震局工程力學(xué)研究所 地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150080; 2. 地震災(zāi)害防治應(yīng)急管理部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150080; 3. 防災(zāi)科技學(xué)院,河北 三河 065201)
常重力加速度下大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)是地震工程、結(jié)構(gòu)抗震的重要研究手段之一,最初利用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)主要研究的是結(jié)構(gòu)模型的動(dòng)力反應(yīng)特征,國內(nèi)外關(guān)于這方面的研究工作已不勝枚舉。隨著對(duì)工程結(jié)構(gòu)震害認(rèn)識(shí)的加深和地下空間的利用,采用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的工作逐年增多,然而,土-結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)的關(guān)鍵問題之一:動(dòng)力相似關(guān)系問題尚無明確的結(jié)論。眾所周知,對(duì)于常加速度條件下的結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),由于無法模擬重力相似條件,通常采用人工質(zhì)量模型或欠人工質(zhì)量模型,近似地滿足部分相似關(guān)系,在一定意義上可定量地反映結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)規(guī)律。然而在土體或土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用試驗(yàn)中,由于土是離散顆粒組成的特殊結(jié)構(gòu),無法通過放置人工質(zhì)量的方法滿足土體的重力相似關(guān)系。目前,研究者們進(jìn)行土-結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)時(shí),一種常用做法是采用結(jié)構(gòu)的近似相似關(guān)系而完全忽略土體的相似模擬,如:陳國興等[1],呂西林等[2],許成順等[3],高永武等[4],諶凱[5],試驗(yàn)時(shí)輸入的地震動(dòng)時(shí)程按結(jié)構(gòu)的相似關(guān)系處理;另一種做法是在土體中摻入鋸末等材料試圖降低土體的剪切波速以達(dá)到近似滿足相似關(guān)系,如:姜忻良等[6]在土-樁-結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中,以場(chǎng)地土的卓越周期是結(jié)構(gòu)等地震反應(yīng)的主要因素為依據(jù),提出了采用土的卓越周期相似比設(shè)計(jì)模型土的方法,在土中添加鋸末等成分調(diào)整土體成分配比以降低材料的剪切波速,試驗(yàn)時(shí)輸入的地震動(dòng)時(shí)程按土體的近似相似關(guān)系處理。但這種方法以改變了土的結(jié)構(gòu),也不能同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相似關(guān)系;第3種做法是土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中放棄相似關(guān)系,僅在制作結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)P瓦x取材料時(shí),考慮結(jié)構(gòu)的相似關(guān)系,試驗(yàn)時(shí)輸入地震動(dòng)時(shí)程采用原始地震記錄或人造地震動(dòng)時(shí)程,如楊迎春等[7],李燕雷等[8],王志佳等[9],這種地震動(dòng)輸入方法,可能出現(xiàn)的問題是輸入地震動(dòng)在模型土體介質(zhì)中傳播的波長(zhǎng)大小相較于模型尺寸過于懸殊,從而導(dǎo)致模型試驗(yàn)與原型體系的規(guī)律相去甚遠(yuǎn)。
為研究土-筏基-多層框剪結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用規(guī)律,開展了大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究。土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用包含運(yùn)動(dòng)相互作用和慣性相互作用[10],為了全面研究土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用規(guī)律,首先研究了水平自由場(chǎng)土層試驗(yàn)?zāi)P?自由場(chǎng)地模型)和土層表面有凹陷場(chǎng)地試驗(yàn)?zāi)P?凹陷場(chǎng)地模型)在相同的地震動(dòng)輸入情況下,2種土體模型動(dòng)力反應(yīng)的差異,即研究運(yùn)動(dòng)相互作用,然后,在凹陷地形上安放帶有筏板基礎(chǔ)的多層框剪結(jié)構(gòu),研究整體的動(dòng)力相互作用規(guī)律。由于土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)無法給出土和結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一相似關(guān)系,在制作上部結(jié)構(gòu)模型時(shí)近似采用結(jié)構(gòu)相似關(guān)系選取微?;炷?。為了研究時(shí)間相似比對(duì)振動(dòng)臺(tái)土-結(jié)構(gòu)相互作用中運(yùn)動(dòng)相互作用的影響,文中在2種模型場(chǎng)地條件試驗(yàn)中分別輸入原始人造地震動(dòng)時(shí)程和持時(shí)壓縮到1/5的地震動(dòng)時(shí)程進(jìn)行了試驗(yàn),通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析并結(jié)合2種場(chǎng)地條件下的數(shù)值模擬結(jié)果,考慮現(xiàn)有的地震模擬振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的相似關(guān)系和振動(dòng)臺(tái)的最高頻率響應(yīng),建議了土-結(jié)構(gòu)相互作用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中輸入地震動(dòng)的時(shí)間壓縮比例,同時(shí)利用地下結(jié)構(gòu)模型的數(shù)值模擬算例,驗(yàn)證了文中給出的輸入地震動(dòng)時(shí)程的時(shí)間壓縮比(相似比)的合理性,研究結(jié)論對(duì)類似的土-結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)具有重要的參考價(jià)值。
土-筏基-多層框剪結(jié)構(gòu)模型和原型的幾何相似關(guān)系為1∶30,也就是筏基基坑(凹陷地形)與原型幾何相似關(guān)系為1∶30。水平土層高度為2.3 m、直徑2.8 m,其中凹陷地形邊長(zhǎng)為1.6 m×1.1 m×0.3 m。試驗(yàn)采用的土體為某工程場(chǎng)地粉質(zhì)黏土和粉砂的混合土,比例為粉質(zhì)黏土∶粉砂=2∶1,成型過程中均勻淋水。每次成型10 cm時(shí)進(jìn)行夯實(shí),然后在土表面刮出毛面進(jìn)行后續(xù)成型。在每層成型完成后采用環(huán)刀取樣,測(cè)試容重、含水量和共振柱試驗(yàn)。經(jīng)試驗(yàn)確定土層成型后平均密度為1.70 g/cm3,含水量約為15%左右。經(jīng)共振柱試驗(yàn)計(jì)算模型土層的平均剪切波速cs約為208 m/s。在成型過程中按試驗(yàn)方案埋置了加速度傳感器。模型箱土體自由場(chǎng)成型后如圖1,土體表面凹陷模型成型后如圖2。
圖1 自由場(chǎng)地模型 圖2 凹陷場(chǎng)地模型
本次試驗(yàn)在自由場(chǎng)地模型土體中心處和左側(cè)邊沿高程按照一定的間隔布置了2列三向加速度傳感器,每列共6個(gè)三向加速度計(jì)測(cè)點(diǎn),凹陷場(chǎng)地土體中加速度計(jì)測(cè)點(diǎn)的布置與自由場(chǎng)地基本相同,僅自由場(chǎng)地模型的表面測(cè)點(diǎn)改為為AE-0。以下分析數(shù)據(jù)時(shí)所用到的測(cè)點(diǎn)為:自由場(chǎng)地模型表層(第6層)測(cè)點(diǎn)位置為A2-0,凹陷場(chǎng)地模型表層測(cè)點(diǎn)位置為AE-0;對(duì)于1~5層土的測(cè)點(diǎn)布置,2種模型都依次對(duì)應(yīng)為A1-1~A1-5(土箱中心1列加速度計(jì))以各測(cè)點(diǎn)加速度計(jì)監(jiān)測(cè)信號(hào)作為相應(yīng)土層的加速度響應(yīng),詳細(xì)布置如圖3。
圖3 加速度傳感器布置Fig. 3 Arrangement of acceleration sensor
試驗(yàn)過程中輸入地震動(dòng)時(shí),采用正常地震動(dòng)時(shí)程、地震動(dòng)持時(shí)壓縮到正常持時(shí)的1/5的2種輸入方法。文中試驗(yàn)輸入的地震動(dòng)為根據(jù)核電規(guī)范常用的RG1.60反應(yīng)譜合成的人工地震動(dòng),其時(shí)程和加速度傅氏譜,如圖4所示。
圖4 輸入地震動(dòng)時(shí)程及傅氏譜Fig. 4 Time history and response spectrum of input ground motion
圖5和圖6分別為2種輸入條件下,自由場(chǎng)地模型和凹陷場(chǎng)地模型各層土體測(cè)點(diǎn)的加速度放大系數(shù)和表層土體加速度反應(yīng)譜。由圖可見:采用正常地震動(dòng)輸入時(shí),2種模型的同一土層相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的加速度放大系數(shù)基本相同,即使在地表土層其差別也非常細(xì)微,同時(shí),表層土體的加速度反應(yīng)譜基本相同;當(dāng)?shù)卣饎?dòng)持時(shí)壓縮到1/5輸入時(shí),2種場(chǎng)地的相關(guān)量的差異明顯地表現(xiàn)了出來。分析其原因應(yīng)該是在正常地震動(dòng)輸入情況下,地震動(dòng)在模型土介質(zhì)的主頻波波長(zhǎng)大概為24 m;持時(shí)壓縮到1/5時(shí),地震動(dòng)持時(shí)壓縮之后,地震動(dòng)的傳播顯現(xiàn)出高頻特征,主頻波波長(zhǎng)為4.8 m。因此,在輸入地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間不變的情況下,土體模型中地震動(dòng)波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于矩形凹陷地形特征尺寸時(shí),局部不規(guī)則地形對(duì)地震動(dòng)的傳播特征基本沒有影響,當(dāng)?shù)卣饎?dòng)持時(shí)壓縮到1/5時(shí),地震動(dòng)波長(zhǎng)與凹陷地形的特征尺寸接近時(shí),局部地形引起的入射波散射效應(yīng)對(duì)地震動(dòng)傳播的影響才會(huì)較為明顯的表現(xiàn)出來。
圖5 2種持時(shí)輸入下的各土層加速度放大系數(shù)Fig. 5 Amplification factor of soil acceleration under two kinds of sustained time input
圖6 2種持時(shí)輸入下的地表土層加速度反應(yīng)譜Fig. 6 Acceleration response spectrum of surface soil layer under two kinds of sustained time inputs
振動(dòng)臺(tái)土體模型試驗(yàn)表明,當(dāng)輸入地震動(dòng)以低頻成分為主時(shí),其波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于局部地形的特征尺寸,因此,入射波散射效應(yīng)對(duì)地震波傳播的影響很小。為了探討局部地形的特征尺寸與波長(zhǎng)的相對(duì)關(guān)系對(duì)地震動(dòng)傳播的影響,本節(jié)采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行定性的討論。
采用ABAQUS軟件建立的二維自由場(chǎng)地和凹陷場(chǎng)地有限元模型如圖7所示。土層厚度為52 m,矩形凹陷區(qū)域的長(zhǎng)和寬均為13 m(深寬比為1),土體密度為1.8 t/m3,彈性模量為204 MPa,土體剪切波速為208 m/s,泊松比μ=0.3、阻尼比ξ=0.05,土體本構(gòu)為黏彈性模型,側(cè)邊界采用自由度綁定邊界,底邊界采用固定邊界。
圖7 ABAQUS中的場(chǎng)地模型與測(cè)點(diǎn)布置Fig. 7 Site model and survey point layout in ABAQUS
為了考慮輸入地震動(dòng)在土層中傳播波長(zhǎng)的影響,計(jì)算時(shí)采用雷克子波作為輸入波,雷克子波是地震子波的一種,延續(xù)時(shí)間短,收斂較快,其表達(dá)式為:
R(t)=[1-2(πft)2]exp[-(πft)2]
(1)
式中,f為輸入的雷克子波主頻,加速度時(shí)程和傅氏譜如圖8所示。
圖8 雷克子波的加速度時(shí)程和傅里葉振幅譜Fig. 8 Acceleration time history and Fourier amplitude spectrum of Ricker wavelet
為了研究凹陷地形特征尺寸對(duì)地震動(dòng)傳播的影響,引入無量綱參數(shù)即凹陷地形的幾何特征尺寸與入射波主頻波長(zhǎng)的相對(duì)大小。定義無量綱寬度α為凹坑寬度l與主頻波波長(zhǎng)λ的比值;定義無量綱頻率β為凹坑深度與主頻波波長(zhǎng)λ的比值[11],即:
(2)
圖9中為2個(gè)模型典型點(diǎn)A的反應(yīng)時(shí)程和加速度反應(yīng)譜。輸入雷克子波的主頻率分別為2、4、8 Hz,其在土層中傳播對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)分別為104、52、26 m,因此無量綱參數(shù)β(α=β)分別為1/8、1/4和1/2。通過圖中數(shù)據(jù)分析,在深寬比的條件等于1的條件下,無量綱參數(shù)β(α=β)等于1/4時(shí),2種場(chǎng)地典型點(diǎn)A的峰值加速度大小差異是最大的,所以凹陷地形的特征尺寸與地震動(dòng)傳播波長(zhǎng)大小相比過小時(shí),散射場(chǎng)對(duì)地震動(dòng)峰值參數(shù)的影響都是極為有限的,隨著無量綱參數(shù)β或α數(shù)值逐漸增大,散射體對(duì)介質(zhì)中地震動(dòng)傳播的影響會(huì)逐漸變大。
圖9 不同頻率子波輸入下的加速度時(shí)程和反應(yīng)譜Fig. 9 Acceleration time history and response spectrum under different frequency wavelet input
由上面分析可以看出:在土-結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)動(dòng)力相互作用試驗(yàn)中為了考慮輸入地震動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特征對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,需要根據(jù)土體的特征尺寸改變輸入地震動(dòng)的波長(zhǎng),也就是改變輸入地震動(dòng)的頻率。
由前述數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),矩形凹陷地形特征尺寸與地震動(dòng)在介質(zhì)中傳播波長(zhǎng)的相對(duì)大小對(duì)場(chǎng)地地震響應(yīng)的影響較大。同樣,對(duì)于土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用體系,由于土體的尺寸往往遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)的尺寸,該體系的特征尺寸一般為結(jié)構(gòu)埋置在土體部分的尺寸,因此,在該相互作用體系中,地震動(dòng)傳播對(duì)該系統(tǒng)的影響,主要表現(xiàn)為地震動(dòng)在土介質(zhì)中的波長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)體系特征尺寸的相對(duì)大小的影響。為了討論土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的時(shí)間相似比問題,首先引入結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的相似關(guān)系。
通常在大型振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行地震模擬試驗(yàn)研究結(jié)構(gòu)的抗震能力和破壞機(jī)理時(shí),采用的相似關(guān)系是基于π定理給出的人工質(zhì)量模型和忽略重力模型。張敏政[12]基于π定理首先給出了試驗(yàn)?zāi)P秃驮椭g應(yīng)該滿足:
(3)
(4)
(5)
式中:σr為應(yīng)力相似比;Er為彈性模量相似比;ρr為密度相似比;vr為(結(jié)構(gòu)響應(yīng))速度相似比;tr為時(shí)間相似比;Lr為尺寸相似比;ar為(結(jié)構(gòu)響應(yīng))加速度相似比;gr為重力加速度相似比;εr為應(yīng)變相似比;ωr為(結(jié)構(gòu)自振)圓頻率相似比。
由于土-結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)涉及到結(jié)構(gòu)和土體2種材料,而土作為一種特殊的離散體材料,同時(shí),重力加速度不可改變,無法通過施加人工質(zhì)量的方法給出和結(jié)構(gòu)一樣的相似關(guān)系。目前試驗(yàn)中通常的做法一種是不考慮土的存在,試驗(yàn)過程中輸入地震動(dòng)按照結(jié)構(gòu)的相似關(guān)系進(jìn)行,這一種做法,雖然不能將試驗(yàn)結(jié)果嚴(yán)格反演到土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用試驗(yàn)的原型,但按照第2章的分析,這種輸入方法需要將地震動(dòng)時(shí)程進(jìn)行壓縮,間接地考慮地震動(dòng)傳播過程的影響;另一種輸入方法是不考慮相似關(guān)系,試驗(yàn)中按設(shè)定的地震動(dòng)進(jìn)行輸入,不對(duì)持續(xù)時(shí)間進(jìn)行特殊處理,這種輸入方法,地震動(dòng)傳播過程的影響無法考慮。為了定性分析土-結(jié)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的合理性,下面給出試驗(yàn)中可以近似采用的時(shí)間相似比。
考慮到振動(dòng)臺(tái)的尺寸限制,在進(jìn)行土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)時(shí),土體的特征尺寸較小,為了突出地震動(dòng)傳播的影響,只能改變地震動(dòng)在土體介質(zhì)中傳播的波長(zhǎng)大小。地震動(dòng)在介質(zhì)中的波長(zhǎng)為:
(6)
式中:v為土體介質(zhì)的波速;T、f分別為輸入地震動(dòng)的周期和頻率。由于土體的特殊性,無法用其它材料代替土,土體的波速通常很難改變。為了達(dá)到縮短地震動(dòng)波長(zhǎng)的目的,可對(duì)輸入地震動(dòng)進(jìn)行時(shí)間上的壓縮,提高輸入地震動(dòng)的頻率。
由于在常重力加速度下的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),無法通過增加人工質(zhì)量的方法改變土體的慣性性質(zhì),因此,采取土體的加速度相似比為1(ar=gr),由式(4)、式(5)可以得到:
(7)
一般在試驗(yàn)室內(nèi),土體成型后的波速往往在200 m/s左右。幾何相似比為1∶30左右,輸入地震動(dòng)的卓越頻率為10 Hz左右,按式(7)給出相似關(guān)系,壓縮后的地震動(dòng)頻率約為60 Hz,在土體中傳播的波長(zhǎng)約為4 m,振動(dòng)臺(tái)滿載時(shí)的反應(yīng)頻率約為60~70 Hz,因此,振動(dòng)臺(tái)可以滿足試驗(yàn)的要求。式(7)可以作為定性反映地震動(dòng)傳播特征對(duì)土-結(jié)構(gòu)相互作用體系的動(dòng)力反應(yīng)的輸入地震動(dòng)時(shí)間或頻率的近似的相似關(guān)系。
為了驗(yàn)證前述討論的土-結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)采用的時(shí)間相似比是否可以定性地反應(yīng)出地震動(dòng)傳播對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,使用有限元軟件ABAQUS建立土體-地下結(jié)構(gòu)體系振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的二維數(shù)值計(jì)算模型,如圖10所示。模型體系中土層厚度為2 m,地下結(jié)構(gòu)尺寸為0.4 m×0.32 m,墻體厚度為0.027 m,埋置深度為0.3 m。材料參數(shù)為土體密度ρ=1.8 t/m3、彈性模量E=204 kPa、泊松比μ=0.3、阻尼比ξ=0.05,土體本構(gòu)為黏彈性模型,側(cè)邊界和底邊界分別采用自由度綁定邊界和固定邊界。輸入地震動(dòng)為El Centro地震加速度記錄。
圖10 ABAQUS中的模型體系與測(cè)點(diǎn)布置Fig.10 Model system and measuring points layout in ABAQUS
圖11 模型體系在不同壓縮波輸入下的反應(yīng)譜Fig. 11 Response spectra of the model under different compression wave inputs
為了檢驗(yàn)按照不同的時(shí)間壓縮方案處理后的地震動(dòng)輸入下模型體系對(duì)原型的模擬近似程度,按1∶30幾何相似比例建立地下結(jié)構(gòu)-土體的動(dòng)力相互作用原型體系的數(shù)值模型,不改變材料參數(shù)。計(jì)算給出表層土測(cè)點(diǎn)D的加速度反應(yīng)譜及放大系數(shù),并將不同時(shí)間壓縮比輸入下的模型體系計(jì)算結(jié)果,反演到原型體系,相關(guān)結(jié)果如圖12。
圖12 模型體系反演到原型的結(jié)果Fig. 12 Results of model system inversion to prototype
從圖12中可以看到,ABAQUS中模型體系在輸入不同持時(shí)的地震動(dòng)后,隨著時(shí)間壓縮比的增大,反演到原型體系時(shí),定性上更接近原型的反應(yīng)。數(shù)值模擬的結(jié)果再次說明凹陷地形振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)時(shí),采用持時(shí)壓縮到1/5的地震動(dòng)輸入方案,振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)完全可以展示出局部地形的影響。從本小節(jié)的數(shù)值模擬結(jié)果可以推斷出,隨著輸入波持續(xù)時(shí)間壓縮的幅度的增大,振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該和原型的相關(guān)結(jié)果會(huì)越來越接近,然而振動(dòng)臺(tái)的反應(yīng)頻率是有限的,比如國內(nèi)多數(shù)的大型振動(dòng)臺(tái)滿載時(shí)的反應(yīng)頻率最多到達(dá)60~70 Hz,因此在振動(dòng)臺(tái)上的土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用試驗(yàn)必須考慮尺寸效應(yīng)和實(shí)際振動(dòng)臺(tái)的輸出能力,比如在幾何相似比為1∶30的條件下,采用第3節(jié)式(7)的時(shí)間相似關(guān)系處理輸入地震動(dòng),不僅可以使縮尺模型定性地模擬出原型的規(guī)律,而且也不超出振動(dòng)臺(tái)的工作頻率范圍。
隨著非基巖場(chǎng)地重要工程的建設(shè)和地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的需要,利用大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用規(guī)律的工作逐漸增多,由于土-結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中土和結(jié)構(gòu)的材料不同,尤其受制于土體的特殊性,無法給出合適且統(tǒng)一的相似關(guān)系,沒有反映地震動(dòng)在介質(zhì)中的傳播特征(波長(zhǎng)與場(chǎng)地等的尺寸)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。