一种用于评估基础隔震（BI）与土-结构相互作用（SSI）之间相互影响的封闭形式方法

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：A closed-form approach to assess the mutual effects between base isolation (BI) and soil-structure interaction (SSI)

本研究提出了一种闭合式方法，用于评估基础隔震（BI）与土-结构相互作用（SSI）的协同效应，计算结构周期延长，考虑隔震参数和土壤特性。通过分析四种土壤条件的基准建筑，发现BI效率受地震动和土壤变形性影响，尤其周期接近结构基本周期时显著。该方法适用于低层规则建筑在均匀土层上，结论仅限此类结构。

　　

Davide Forcellini|Konstantinos N. Kalfas

圣马力诺大学，圣马力诺共和国

摘要

将基础隔震（BI）技术与土壤结构相互作用（SSI）效应带来的好处相结合，可以成为减轻民用结构地震灾害的有效方法。虽然同时考虑BI和SSI效应可以提供一种先进的地震灾害缓解方案，但这一领域尚未得到充分研究，目前也尚未提出封闭形式的解决方案。本研究旨在通过展示当前的技术水平，并提出一种新的封闭形式方法，根据BI系统的特性和土壤属性来表达周期延长量，以满足设计过程中的需求。研究表明，隔震比可以作为表示结构系统性能的主要参数。选择了一栋基准建筑，评估了四种不同的土壤条件。研究结果表明，BI的效率取决于地震地面运动，因为土壤的可变形性会在与隔离系统的固有周期相对应的情况下产生较大的放大效应。对于不同的土壤条件，比较了基础剪力和加速度时程，以评估土壤可变形性在BI和SSI效应相互作用中的作用。然而，这种封闭形式方法仅适用于均匀土壤层上的低层规则结构，其结论不能推广到其他类型。

章节摘录

技术现状

自20世纪70年代以来，通过专门设计的响应修改装置对结构进行地震保护和加固取得了显著进展[[1], [2], [3], [4]]。已经开发出了多种创新装置和系统，如弹性支座[[5], [6], [7], [8], [9], [10]]、流体阻尼器、滞回阻尼器[3,[11], [12], [13], [14], [15], [16]]、调谐质量阻尼器（TMD）、惯性器等[[17], [18], [19], [20]]，以达到可接受的性能水平。

土壤-结构相互作用（SSI）对基础隔震（BI）结构的影响

可以使用分析公式和数值分析来评估SSI效应对BI系统的影响。由于涉及的复杂性，这是一个具有挑战性的问题。分析方法虽然准确，但有时可能需要大量的参数才能有效评估系统。另一方面，数值模拟由于计算量和复杂性的原因，成本较高且耗时较长。本文的创新之处在于提出了一种表达周期延长的新方法。

考虑SSI和BI相互作用的分析公式

可以基于Kramer [81]提出的原始模型，通过构建一个2自由度（2-DOF）模型来计算位于可变形土壤上的结构的周期延长量。土壤-基础相互作用包括两个运动变量：绝对基岩位移和结构位移，假设运动方向为纵向，并忽略旋转。通过求解特征值问题可以得到系统的自然频率。

数值模型

本节讨论了使用OpenSees建模的3D基础-隔震-结构系统。图5展示了3D视图中的数值模型网格。

地震灾害

输入地震动力的选择具有以下特点：

1.

选择的地震输入动力为基岩型地震，以研究在适当场地效应（土壤类型A [[21], [22]]）影响下SSI的效果。

2.

选择的地震输入动力具有接近结构固有周期（0.206秒）的主导周期，以考虑其对选定结构的动态影响。

3.

地震输入动力

SSI和BI之间相互作用的讨论

已经计算了由于土壤可变形性导致的加速度放大效应。图8显示了当结构位于土壤类型B、C和D上时，在Northridge和Loma Prieta地震动力作用下的加速度谱变化。当结构位于土壤类型A上时，在远离结构固有周期的低频段，加速度放大效应明显。

优势与局限性

所提出的封闭形式方法具有许多潜在的优势：

1) 评估软土中地震隔震设计的效率，这是地震工程领域尚未充分探索的领域；

2) 开发一种统一的封闭形式表达式，用于描述BI-SSI相互作用；

3) 使用非线性3D连续介质土壤模型，通过OpenSees平台进行高级数值分析；

4) 应用非线性PDMY本构模型进行高级数值模拟

结论

本文通过提出一种封闭形式方法，研究了土壤结构相互作用（SSI）对低层建筑基础隔震（BI）效率的影响。该方法基于公认的SSI评估理论公式[81]和BI效应计算公式，能够快速评估周期延长量，这些参数包括隔震比、隔震周期、剪切速度和土壤层深度。

CRediT作者贡献声明

Davide Forcellini:撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，监督，软件开发，方法论研究，数据分析，概念化。Konstantinos N. Kalfas:撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，数据管理。

利益冲突声明

作者Davide Forcellini教授和Kostantinos Kalfas教授声明，在提交的论文“一种评估基础隔震（BI）与土壤-结构相互作用（SSI）之间相互作用的封闭形式方法”中不存在利益冲突。如需联系我，请使用上述地址或通过电子邮件 [e-mail]与我联系。