动力荷载下土-基础界面非线性行为的实验与数值研究：对土-结构相互作用系统动态响应的关键影响

《Soil & Environmental Health》：Experimental and numerical investigation of soil-foundation interface nonlinearity under dynamic loading

本研究针对浅基础在动力荷载下界面非线性行为表征的挑战，通过实尺自由与强迫振动实验及三维非线性有限元分析，揭示了结构重量、界面间隙和初始静应力分布对基础摇摆(rocking)的显著影响。研究发现界面非线性导致周期延长和阻尼降低，甚至在某些情况下引发刚度响应， lighter结构表现出更强的非线性。研究提出了改进的界面模型，为更精确模拟SSI系统响应提供了新方法，对工程抗震设计和振动控制具有重要意义。

　　

在土-结构相互作用(SSI)研究领域，浅基础的动力响应特性一直是工程实践的关注焦点。传统理论认为，与固定基础结构相比，SSI效应会延长结构的自振周期，并通过辐射阻尼和土体滞回效应增加系统阻尼。然而，对于容易发生摇摆的浅基础，其动力响应表现出复杂的非线性特征：基础摇摆可能进一步延长周期，但同时会限制能量向土体传播，降低辐射阻尼。这种界面非线性行为对SSI系统响应的影响机制尚未得到充分认识，特别是在实际工程条件下存在的界面间隙、静态应力分布不均等问题，给精确预测系统响应带来了巨大挑战。

为了深入探究土-基础界面非线性对SSI系统动力响应的影响，来自帝国理工学院的研究团队开展了这项综合性的实验与数值研究。研究人员利用EUROPROTEAS实尺模型结构，通过配置不同的结构质量（9Mg和18Mg），在软土地基上进行了系统的自由振动和强迫振动试验。研究特别关注了结构重量、界面间隙以及由结构自重和前期试验密实化产生的静态法向应力等关键参数的影响。

该研究发表在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》期刊上，采用了多项关键技术方法：首先建立了实尺钢框架结构模型，配备可调节的质量系统和浅基础；其次运用偏心质量激振器进行强迫振动试验，采用钢丝绳快速释放装置进行自由振动试验；同时布设了包括表层和孔内加速度计在内的全方位监测系统；在数值模拟方面，采用三维非线性有限元分析和Imperial College Finite Element Program(ICFEP)软件，结合改进的界面单元模型；并应用IC.G3S循环非线性弹性本构模型来模拟土体的应力相关刚度特性。

实验设置与结构配置

研究使用EUROPROTEAS结构，这是一个3×3米平面、5米高的钢框架结构，包含一个9Mg钢筋混凝土筏板基础、四个SHS柱子和可拆卸的L形交叉支撑系统。通过配置一个或两个RC顶板，实现9Mg和18Mg两种超级结构质量。结构设计保持弹性状态，基础竖向荷载远低于极限承载力，确保试验过程中不会发生基础破坏。

场地条件与土体特性

试验场地选择在Mygdonian山谷的TST场地，上层30米地层由非常软的沉积物组成，近地表剪切波速Vs估计在100-150m/s之间。研究人员通过共振柱和循环三轴试验确定了土体的刚度退化(G_sec/G_max)和阻尼发展(D)特性，并针对现场条件进行了校准，为数值模拟提供了准确的土体参数。

振动测试方法与响应分析

强迫振动试验采用偏心质量激振器，产生频率1-10Hz的单向水平正弦力。自由振动试验则通过连接配重和钢丝绳系统，施加准静态拉拔力后快速释放引发结构自由振荡。通过运动分解方法，研究人员将顶层板响应分解为结构弯曲变形、基础平移和基础旋转（摇摆）三个分量，发现基础摇摆是主导的运动模式。

界面非线性效应的实验证据

实验结果表明，界面非线性对系统响应有显著影响。较大的激振力导致较小的固有频率和较弱的归一化响应，表明更强的土体刚度退化和基础上抬。较轻的结构（FBr_9Mg）表现出更明显的基础旋转，显示更显著的界面几何非线性。自由振动试验进一步揭示了周期延长和阻尼随激励增加而增加的非线性现象。

数值模型与界面建模

研究人员建立了详细的三维有限元模型，采用改进的界面单元来模拟基础上抬和滑动。界面模型允许调整静态应力分布，更好地反映实际界面条件。参数分析比较了弹性界面单元、混合界面模型和弹塑性界面模型的不同表现，验证了界面条件对系统响应的关键影响。

静态界面应力分布的影响

研究发现初始静态界面应力分布对系统动力响应有重要影响。更均匀的应力分布促进了基础摇摆，增强了界面几何非线性效应。通过调整界面法向刚度K_n，可以实现不同的静态应力分布，从而影响系统的动力响应特性。

初始间隙大小的作用

弹塑性界面模型分析表明，初始间隙大小显著影响系统响应。较小的初始间隙允许更多初始开放界面区域在振动过程中闭合，增加了接触界面面积，从而提高系统刚度和阻尼。这种效应在较轻的结构中更为明显。

讨论与工程意义

研究表明，界面非线性可以在特定条件下导致系统响应变硬，这与传统认识相反。临时性的间隙闭合增加了有效接触面积，在早期振动周期中增强了刚度和阻尼。这种效应在较轻结构中更为显著，因为更强的摇摆运动导致更大的接触变化。

这项研究对工程实践具有重要指导意义。在实际基础应用中，现浇基础通常能确保良好的土体接触条件，但界面间隙可能在地震等强烈激励后发展，或在预制基础系统中存在。研究提出的界面建模方法为准确模拟这些条件下的SSI响应提供了有效工具，特别适用于海上重力基础项目和铁路轨道系统等工程领域。

研究发现还强调了在诱导振动问题中，较轻结构可能比较重结构表现出更强的界面非线性，这一认识与地震荷载下的传统SSI行为有所不同，提示需要针对不同类型的荷载条件制定差异化的设计策略。

总之，这项研究通过创新的实验和数值方法，深入揭示了土-基础界面非线性对SSI系统动力响应的影响机制，提出了改进的界面建模技术，为工程实践中更准确地预测和评估浅基础结构的动力性能提供了重要理论基础和技术手段。研究结果对抗震设计、振动控制和基础工程实践都具有重要的指导价值。