考虑土-结构相互作用效应的多层粮仓结构地震响应振动台试验研究

本文通过振动台试验研究了考虑土-结构相互作用(SSI)效应的多层粮仓结构地震响应，基于广州某实际工程背景，设计了4种试验模型对比固定基础和SSI系统下满仓与空仓工况的性能差异。研究发现SSI效应会引入粮食颗粒与结构的运动相位差，满仓工况下结构加速度响应低于空仓，而固定基础位移大于SSI系统。研究为改进粮仓抗震设计提供了重要参考。

　　

Highlight

多层粮仓是一种新型散粮储存结构，其抗震性能研究对保障粮食安全至关重要。本研究通过振动台试验，首次系统探究了土-结构相互作用(SSI)效应对多层粮仓地震响应的影响机制。

工程背景

试验原型为广州某36.8米高的四层小麦储仓，1-3层为储粮层（最大储粮高度7米），顶层为设备层。通过设计固定基础和SSI系统下的满仓/空仓对比模型（表1），在结构实验室完成振动台试验。

相似关系设计

试验采用1:10缩尺模型，通过量纲分析确定相似关系。创新性地采用微型聚丙烯颗粒模拟小麦，其密度和摩擦系数与真实粮食相似。

动力特性

白噪声激励测试表明（表5）：

• SSI系统使结构基频降低15%-20%，阻尼比提高30%

• 满仓工况下粮食-结构耦合效应显著，呈现独特的"质量-弹簧"系统特征

加速度响应

SSI效应引入粮食颗粒与结构的运动相位差：

• 满仓时顶层加速度峰值比空仓降低25%

• 固定基础模型的加速度放大系数是SSI系统的1.3倍

层间位移

空仓工况与常规框架结构规律一致，但满仓时出现反常现象：

• 固定基础最大位移较SSI系统高18%

• 粮食颗粒的"缓冲效应"使位移差随激励增强而减小

侧向压力

储粮显著改变结构受力模式：

• 动侧压力系数达到静压的2.1倍

• SSI系统使压力分布更均匀，峰值压力降低12%

结论

1. SSI效应使结构周期延长，阻尼增强

2. 粮食-结构耦合产生独特的减震机制

3. 满仓工况下固定基础位移反超SSI系统

4. SSI效应整体有利于降低上部结构动力响应

创新点

首次揭示"粮食颗粒-结构-地基土"三重耦合作用机制，为储仓抗震设计提供了重要实验依据。研究发现粮食的"相位差减震效应"可降低15%-25%地震响应，这一发现对特殊结构抗震研究具有启发意义。