土-结构相互作用对耦合耗能连接件的CLT墙体系统地震需求与易损性的影响

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Soil–structure interaction effects on seismic demand and fragility of CLT wall systems coupled with dissipating connectors

　　

本文探讨了土-结构相互作用（SSI）对正交胶合木（CLT）墙体地震需求的影响，该墙体耦合了能量耗散连接件。该结构系统由带有自定心（self-centering）抗拔连接的气球框架（balloon-frame）CLT墙体组成，并与滞回钢阻尼器相耦合。为研究SSI对地震需求的影响，研究人员采用了时域内的子结构分析方法。数值SSI模型包含上部结构的非线性模型和土-基础系统的等效线弹性模型。研究考察了均质和非均质土壤剖面的参数化研究。为在时域内考虑土-基础的频率依赖性，采用了一个稳健的集总参数模型（LPM）来表示下伏土-基础子系统。随后，将此方法与常用的、简化的Kelvin–Voigt模型（包含与频率无关的弹簧和阻尼器）进行了比较。结果表明，对于低至中等强度的地震动，SSI增加了最大层间位移角和累积滞回能量的需求。此外，忽略土-基础阻抗的频率依赖性会导致对地震需求的非保守评估，特别是对于涉及软弱表土层的非均质土壤剖面，其中SSI效应显现为关键的设计考量。

近年来，由于环境问题及减少建筑领域碳足迹的协同努力，木结构建筑经历了显著的复兴。正交胶合木（Cross-laminated timber, CLT）因其在强度、刚度和尺寸稳定性方面具有显著提升而受到广泛关注。针对木结构建筑抗震设计与评估的研究已大量开展，但现有研究多集中于平台框架（platform frame），而包含连续垂直墙体的气球框架（balloon-frame）CLT系统被认为更适宜中高层建筑。同时，金属连接件与土-结构相互作用（Soil–structure interaction, SSI）均能显著改善抗震性能并增加阻尼。然而，目前大多设计指南和研究均假设基础为刚体，且认为轻型柔性的木结构中SSI效应微小或有利而将其忽略。事实上，质量木结构系统比传统木结构更重且更刚，其CLT墙体在地震下表现为摇摆响应，这种摇摆能力与基础固有的旋转柔性相耦合，将显著改变土壤与结构系统的动力特性。由于目前缺乏在易损性评估背景下CLT摇摆系统与SSI相互作用机制的系统研究，尤其是频率依赖的土-基础阻抗对此类系统响应的影响尚不明确，研究人员开展了本项研究。

本论文发表在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》上。研究旨在探讨SSI对气球框架CLT墙体系统（配置耗能连接件）地震需求与易损性的影响。研究采用子结构方法，上部结构建立非线性模型，土-基础系统采用线性等效模型；并利用集总参数模型（LPM）捕捉频率依赖性，将其与传统的Kelvin–Voigt模型进行对比。该研究得出了SSI会增加CLT摇摆墙体地震位移和能量需求，且频率无关模型会系统性低估地震需求的结论。这对于合理评估现代可恢复CLT结构的抗震性能与安全性具有重要学术意义和工程价值。

为开展此研究，研究人员采用了以下关键技术方法：构建二维有限元模型（FEM），利用OpenSees软件对上部结构进行建模，包含四边形元素的线弹性CLT墙、零长度双线性Steel01材料的U型阻尼器，以及具有旗帜型滞回特性的自定心抗拔连接；采用等效线性弹性模型模拟三组包含均质与非均质地层（土层厚度与剪切波速Vs不同）的土壤剖面；利用基于半解析法的集总参数模型（LPM）模拟具有频率依赖性的土-基础子系统阻抗，并与简化的Kelvin–Voigt模型对比；基于300条未缩放地震动记录将其放大2.0倍后进行非线性时程分析（NTHA），样本覆盖广泛震级与距离；通过云回归分析进行地震易损性评估。

归一化工程需求参数
为研究SSI效应，研究人员将600条地震动记录依据平均谱加速度分为6个区间，并定义了归一化参数J_θ、J_α、J_E和J_hd（分别对应最大层间位移角、最大楼层加速度、累积滞回能量和最大抗拔位移的SSI系统与固定基座系统响应之比）。分析发现，结构响应的离散性随非均质土壤剖面特性的增加而增大，且地层的刚度对比会直接放大SSI对系统地震响应的影响程度。

地震动频率成分的影响
以地震动的平均周期T_m作为频率成分指标进行NTHA分析，发现SSI效应的变异性显著增加。特别是在包含软弱表土层的非均质地层中，高T_m值的长周期地震动会诱发极大的SSI响应。即使极少数未缩放地震动未能使固定基座系统屈服，也会引起SSI系统屈服并放大顶部位移；而在缩放地震动下，两系统均发生显著非线性和屈服，峰值位移因此趋于接近。

建筑高度的影响
通过分析5层至20层不等的三种建筑结构响应，发现SSI效应对建于软弱非均质地层上的5层短周期建筑的层间位移最为不利，其位移比均值达到1.3。对于10层和20层结构，SSI效应的均值接近1.0，但方差较大，表明依然存在特定地震动显著放大SSI响应的情形。而在均质地层上，SSI效应在分析的所有建筑中较小；同时，SSI效应在楼面加速度表现上平均呈有利减震效果。

抗拔连接强度的影响
对比非弹性抗拔连接与完全弹性抗拔连接发现，增加抗拔连接强度会提高结构刚度，进而增加均质地层上SSI对层间位移的放大作用。但在具有较大柔性的软弱表土非均质地层上，抗拔强度的变化对SSI效应的差异并不显著，说明极度软弱的上覆土层主导了系统的SSI作用机制。

土-基础阻抗函数频率依赖性的影响
通过将频率依赖的LPM与频率无关的Kelvin–Voigt模型进行对比，研究人员发现频率无关模型对特征频率参考值的敏感度较低，但会系统性地低估SSI系统的非线性和位移响应，此现象在非均质软弱地层中尤为显著。随着地震强度的增加，结构非线性的发展削弱了SSI效应的影响，但频率相关模型计算出的滞回能量需求始终高于频率无关模型，由此证实了采用频率无关模型会导致非保守的损伤预测易损性分析结果
利用云回归方法对最大层间位移角进行易损性分析，将其阈值设定为0.025（对应破坏控制极限状态）。结果显示，在均质地层下SSI易损性曲线与固定基座相近，但在包含软弱表土的非均质地层中变异极大。在软弱地层下且特定加速度时，频率依赖的SSI系统超越概率较固定基座系统高出将近75%。同时，频率依赖SSI系统的易损性曲线在非均质剖面中明显高于频率无关模型曲线，表明忽略频率依赖特征将严重低估结构倒塌触发概率。

在结论部分，研究人员总结指出：土-结构相互作用（SSI）提升了对摇摆CLT墙体系统的地震位移与能量需求，且该现象在低至中等强度的地震动中最明显，而高强度地震动中材料与几何非线性的发展部分削弱了SSI的不利效应；频率依赖的土-基础阻抗对SSI响应起到关键作用，特别是在高刚度对比并含有软弱表土层的非均质地层中；使用简化的频率无关Kelvin–Voigt模型评估SSI效应会系统性地低估实际的地震需求，从而在针对位移及能量相关的结构工程需求参数预测上得出非保守结果；SSI效应显著改变了CLT墙体的地震易损性，在软弱土壤场地中其预估倒塌概率比固定基座假定最高可达75%。研究人员提出，在推广上述结论前仍需进一步开展三维耦合结构与针对场景定制基础设计的更细致研究。