Research on Dynamic Interaction Characteristics of Soil-pile-steel Frame Structure
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摘要: 利用振动台模型试验和有限元数值模拟的方法对土质地基-群桩-钢框架结构体系动力相互作用的规律和特征进行研究，并讨论了基桩长径比对于体系动力相互作用特征的影响。试验地基土体模型为均匀粉质黏土，剪切波速约为213 m/s；群桩基础由9根长2.0 m、直径0.1 m的基桩3×3对称布置；上部结构模型简化为三层钢框架结构。本文研究结果表明：土-桩-钢框架结构体系的阻尼比相较固定基础情形有所增加，输入相同地震动时其地震反应小于固定基础情形；动力相互作用体系中运动相互作用的贡献与惯性相互作用相当，不应忽略；随着基桩长径比的增大，运动相互作用增大，钢框架结构的加速度反应增大。Abstract: The laws and characteristics of dynamic interaction of soil-pile group-steel frame structure system were studied by shaking table model test and finite element numerical simulation, and the influence of pile aspect ratio on the dynamic interaction characteristics of the system was discussed. In the test, the soil model was uniform silted clay, and the shear wave velocity was about 213 m/s; The pile group foundation was composed of 9 piles with a length of 2.0 m and a diameter of 0.1 m, which were a 3×3 symmetrical layout; The superstructure model was simplified as a three story steel frame structure. The results show that comparing with fixed foundation structure, the damping ratio of the soil-pile-steel frame structure system is increased, and its seismic response is less than that of the fixed foundation structure under the same seismic input; The contribution of the kinematic interaction in dynamic interaction system is equivalent to that of inertial interaction which should not be ignored; With the increase of pile aspect ratio, the kinematic interaction and acceleration response of the steel frame structure increase.
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1. 2020年中国地震概况
2020年，中国境内共发生5.0级及以上地震28次（中国大陆地区发生20次，台湾地区及海域地区发生8次），其中5.0～5.9级地震25次，6.0～6.9级地震3次，最大地震为2020年7月23日发生在西藏那曲市尼玛县的6.6级地震（表1、图1）。2020年中国大陆发生的20次5.0级以上地震中有10次发生在新疆、6次发生在西藏，6.0级以上地震中有2次发生在新疆、1次发生在西藏。
表 1 2020年中国5.0级及以上地震事件目录及成灾事件Table 1. Catalogue of earthquakes (MS≥5.0) and disaster - causing events in China, 2020序号 时间 纬度/° 经度/° 震中位置 震级/M 成灾事件 1 2020-01-16 16:32:38 41.21 83.6 新疆阿克苏地区库车市 5.6 (1) 2 2020-01-18 00:05:50 39.83 77.18 新疆喀什地区伽师县 5.4 3 2020-01-19 21:27:55 39.83 77.21 新疆喀什地区伽师县 6.4 (2) 4 2020-01-19 22:23:01 39.89 77.46 新疆克孜勒苏州阿图什市 5.2 5 2020-01-25 06:56:05 31.98 95.09 西藏昌都市丁青县 5.1 6 2020-01-29 07:39:29 27.16 126.6 东海海域 5.3 7 2020-02-03 00:05:41 30.74 104.46 四川成都市青白江区 5.1 8 2020-02-15 19:00:07 23.95 121.49 台湾花莲县 5.4 9 2020-02-21 02:01:40 34.56 85.68 西藏阿里地区改则县 5.0 10 2020-02-21 23:39:14 39.87 77.47 新疆喀什地区伽师县 5.1 11 2020-03-10 02:12:11 32.84 85.52 西藏阿里地区改则县 5.0 12 2020-03-12 23:44:03 32.88 85.55 西藏阿里地区改则县 5.1 13 2020-03-20 09:33:15 28.63 87.42 西藏日喀则市定日县 5.9 14 2020-03-23 03:21:39 41.75 81.11 新疆阿克苏地区拜城县 5.0 15 2020-04-01 20:23:27 33.04 98.92 四川甘孜州石渠县 5.6 (3) 16 2020-05-03 11:24:40 23.29 121.6 台湾台东县海域 5.4 17 2020-05-06 18:51:00 39.71 74.1 新疆克孜勒苏州乌恰县 5.0 18 2020-05-09 23:35:59 40.77 78.76 新疆阿克苏地区柯坪县 5.2 19 2020-05-18 21:47:59 27.18 103.16 云南昭通市巧家县 5.0 (4) 20 2020-06-14 04:18:59 24.29 122.41 台湾宜兰县海域 5.5 21 2020-06-26 05:05:20 35.73 82.33 新疆和田地区于田县 6.4 (5) 22 2020-07-12 06:38:25 39.78 118.44 河北唐山市古冶区 5.1 23 2020-07-13 09:28:02 44.42 80.82 新疆伊犁州霍城县 5.0 24 2020-07-23 04:07:20 33.19 86.81 西藏那曲市尼玛县 6.6 25 2020-07-26 20:52:27 24.27 122.48 台湾花莲县海域 5.5 26 2020-09-29 04:50:53 22.29 121.1 台湾台东县海域 5.0 27 2020-09-30 12:37:18 24.85 122.14 台湾宜兰县海域 5.0 28 2020-12-10 21:19:58 24.74 121.99 台湾宜兰县海域 5.8 注：“（）”中表示为地震灾害事件。 
图 1 2020年中国5.0级及以上地震事件及成灾事件空间分布图Figure 1. Spatial distribution of earthquakes (MS≥5.0) in China, 20202. 2020年中国大陆地震灾害情况
2020年，中国大陆地区共发生地震灾害事件5次，造成5人死亡，30人受伤，直接经济损失约18.47亿元（表2）。其中，灾害损失最严重的地震为1月19日新疆伽师6.4级地震，造成1人死亡，2人受伤，直接经济损失15.26亿元。人员伤亡最严重的地震为5月18日云南巧家5.0级地震，造成4人死亡，28人受伤，直接经济损失约1.04亿元。
表 2 2020年中国大陆地震灾害损失Table 2. Losses caused by earthquake disasters in China mainland, 2020序号 时间 震中位置 震级/M 死亡人数/人 受伤人数/人 直接经济损失/万元 1 2020-01-16 16:32 新疆阿克苏地区库车市 5.6 0 0 712 2 2020-01-19 21:27 新疆喀什地区伽师县 6.4 1 2 152 642 3 2020-04-01 20:23 四川甘孜州石渠县 5.6 0 0 19 242.69 4 2020-05-18 21:47 云南昭通市巧家县 5.0 4 28 10 430 5 2020-06-26 05:05 新疆和田地区于田县 6.4 0 0 1 650 3. 2020年中国大陆地区地震灾害特点
（1）地震成灾事件总体偏少
2020年共发生5次地震灾害事件，低于2000年以来平均水平。
（2）地震灾害相对集中
5次地震灾害事件中有3次发生在新疆维吾尔自治区，共造成1人死亡，2人受伤，直接经济损失约15.5亿元。地震造成的人员伤亡主要集中在云南省，其中云南省巧家县5.0级地震虽未造成巨大的直接经济损失，但造成4人死亡，28人受伤。
发生在新疆维吾尔自治区的3次地震灾害事件分别为：①2020年1月16日16时32分阿克苏地区库车市发生的5.6级地震，震源深度16 km，未造成人员伤亡，直接经济损失712万元。震中位于库车市，极震区烈度为Ⅵ度，Ⅵ度区面积813.6 km2（表3）。灾区场地位于塔里木盆地腹地，场地对地震动有显著的放大作用，易产生不均匀沉降，加重了建筑物震害。灾区农居房屋抗震能力普遍提高，震中“安居富民房”与农村安居房均未出现破坏，有效保护灾区群众生命财产安全，同时缓解了抗震救灾和转移安置压力，仅少数建造年代较早的抗震安居房出现破坏。②2020年1月19日21时27分喀什地区伽师县发生的6.4级地震，震源深度16 km，造成1人死亡，2人受伤，直接经济损失152 642万元。Ⅵ度及以上区总面积为7 599 km2，其中，Ⅵ度区面积4 945 km2；Ⅶ度区面积为2 397 km2；Ⅷ度区面积为257 km2，主要涉及伽师县西克尔库勒镇、古勒鲁克乡。极震区烈度为Ⅷ度，农村安居房设防烈度为8度，安居房主要承重构件未发生明显破坏，有效抵御了本次地震灾害，在保障人民群众生命财产安全及震后转移安置、余震防范中发挥了重要作用。本次地震为前震-主震-余震型，前震为5.4级，主震为6.4级，最大余震为5.2级，对震中区产生多次震害影响，自建砖木结构房屋墙体为黏土砖砌筑，震害叠加效应显著。当地群众防震减灾意识在历次地震灾害实践中不断得到加强，防震减灾意识、应急避险知识和自救互救能力等得到明显提升。③2020年6月26日5时5分，和田地区于田县发生的6.4级地震，震源深度10 km，未造成人员伤亡，直接经济损失1 650万元。于田县阿羌乡3.5 km道路出现塌方，1座中桥出现多处裂缝，1座自建木桥受损，1个涵洞严重受损，1座拱桥受损。本次地震有感范围较广，但破坏性较小。震区附近乡镇村庄居民普遍反映地震造成的晃动强度一般，大部分区域房屋抗震设防水平高，“富民安居工程”房屋和早期的抗震安居房屋基本完好，仅个别民居院内的自建砖木结构房屋出现轻微程度破坏。
表 3 2020年中国大陆地震灾区范围统计Table 3. Statistics of range of earthquake disaster area in China mainland, 2020序号 时间 震中位置 震级/M 极震区烈度/度 震源深度/km 乡镇
/个人口
/人各烈度区面积/km2 Ⅴ Ⅵ Ⅶ Ⅷ 1 2020-01-16 16:32 新疆阿克苏地区库车市 5.6 Ⅵ 16 12 685 — 813.6 0 0 2 2020-01-19 21:27 新疆喀什地区伽师县 6.4 Ⅷ 16 12 279 388 — 4 945 2 397 257 3 2020-04-01 20:23 四川甘孜州石渠县 5.6 Ⅶ 10 6 — — 360 3 140 0 4 2020-05-18 21:47 云南昭通市巧家县 5.0 Ⅵ 8 6 67 083 — 330 0 0 5 2020-06-26 05:05 新疆和田地区于田县 6.4 Ⅷ 10 — — — — — — 注：新疆伽师地震Ⅵ度区之外的部分地区也受到波及，个别老旧房屋出现破坏受损现象，为Ⅵ度异常点；四川甘孜州石渠县地震位于Ⅵ度区之外色达县泥朵镇和其他地区也受到波及，零星房屋有破坏现象。 （3）地震次生灾害突出
今年发生的地震灾害中，次生灾害多发，如新疆伽师地震造成震区1座水库出现险情，当地政府紧急疏散安置受影响群众，云南巧家地震次生地质灾害造成2人死亡，数人受伤，震区交通等基础设施受损，再次为各级政府敲响警钟，应对西部地区地震次生灾害引起足够重视，才能进一步减轻地震灾害。
4. 1991—2020年主要震害情况
1991—2020年主要震害统计数据如表4所示，3个主要统计数据分布情况（许永江等，1999；郑通彦等，2012，2015a，2015b；陈通等，2016；文鑫涛等，2018；林向洋等，2018，2020a，2020b）如图2所示。由表4和图2可知，2011—2020年共造成2 063.08亿元的经济损失，其中2013、2014年地震造成的灾害是2011年以来最严重的，这两年造成灾害最重的地震分别为2013年4月20日四川芦山7.0级地震和2014年8月3日云南鲁甸6.5级地震，这2年合计的经济损失、人员死亡（失踪）和人员受伤数量分别占2011—2020年总数的82.9%、81.8%和65.5%。
表 4 1991—2020年主要震害统计数据Table 4. The statistics of the annual damage caused by earthquakes from 1991 to 2020年份 成灾次数/次 死亡人数/人 受伤人数/人 直接经济损失/亿元 2011 15 32 506 60.11 2012 11 86 1 331 82.88 2013 14 294 15 671 995.36 2014 10 736 3 688 355.64 2015 12 33 1 217 180.00 2016 16 2 103 66.80 2017 11 37 638 217.40 2018 11 0 81 27.30 2019 13 17 411 59.12 2020 5 5 30 18.47 2011—2020 118 1242 23 676 2 063.08 2001—2010 108 72372 398 917 8 984.90 1991—2000 130 564 52 668 120.18 
图 2 1991—2020年中国大陆成灾地震年度震害分布图Figure 2. Distribution of annual earthquakes losses in China mainland from 1991 to 2020近10年中国大陆年均成灾地震频次较1991年以来的总体水平略低，近10年期间地震灾害造成的经济损失、人员死亡（失踪）和人员受伤数量分别占30年来的18.47%、1.67%和4.98%，可见地震灾害造成的经济损失、人员伤亡数量均低于1991年以来的平均水平。
5. 结语
2020年我国大陆未发生特重大地震灾害事件，地震灾害损失总体偏轻，成灾地震次数较少，低于2000年以来的平均水平。地震灾害相对集中，5次成灾地震中3次发生在新疆维吾尔自治区，四川和云南各发生1次。地震次生灾害多发，小震致灾致亡现象突出，云南省巧家县5.0级地震造成4人死亡，28人受伤，其中次生地质灾害造成2人死亡。各级政府应对西部地区地震次生灾害引起足够重视，进而减轻人员伤亡。
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图 3 试验输入地震动加速度时程及反应谱
Figure 3. Acceleration time history and response spectrum input in the test
图 4 土-桩-钢框架结构体系模型的频率响应函数
Figure 4. Frequency response function of soil-pile-steel frame structure system model
图 5 固定基础钢框架结构模型的频率响应函数
Figure 5. Frequency response function of fixed steel frame structure model
图 6 钢框架结构加速度放大系数曲线
Figure 6. Acceleration amplification factor curve of the steel frame structure
图 7 承台加速度响应对结构顶部加速度响应的相干函数
Figure 7. Coherence function of acceleration response of pile cap to structure top
图 8 承台加速度响应对振动台加速度输入的相干函数
Figure 8. Coherence function of acceleration response of pile cap to shaking table input
图 10 数值计算和模型试验所得到加速度放大系数曲线
Figure 10. Acceleration amplification factor curve of the result from numerical calculation and model test
表 1 白噪声法求得试验模型的自振特性
Table 1. Natural vibration characteristics of experimental model by white noise method
测试时刻 土-桩-钢框架结构体系模型 固定基础钢框架结构模型 自振频率/Hz 阻尼比 自振频率/Hz 阻尼比 试验开始前 4.93 0.185 4.96 0.096 试验结束后 4.63 0.186 4.83 0.124 
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表 2 有限元模型材料参数
Table 2. Material parameters of the finite element model
材料参数 土体 基础-混凝土 钢框架结构-梁、柱以及底板 钢框架结构-楼板 钢框架结构-侧墙 密度/kg·m3 1800 2560 7850 36259 2700 弹性模量/MPa 204 19095 210000 210000 70000 泊松比 0.25 0.20 0.25 0.25 0.33
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表 3 不同基桩长径比模型的承台处加速度放大系数和相干函数比
Table 3. Acceleration amplification factor at the cap and coherence function ratio of different pile aspect ratio models
长径比 承台处加速度放大系数 相干函数比 12 1.49 1.20 16 1.56 1.19 20 1.59 1.19 24 1.61 1.18 28 1.62 1.16
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