桩-土-钢、砼结构动力相互作用试验对比研究

余佳科; 景立平; 王展; 陆新宇; 齐文浩

doi:10.11899/zzfy20240115

桩-土-钢、砼结构动力相互作用试验对比研究

doi: 10.11899/zzfy20240115

余佳科^1,,
景立平^{1, 2, ,},
王展¹,
陆新宇¹,
齐文浩¹

1.
中国地震局工程力学研究所, 哈尔滨 150080
2.
防灾科技学院, 河北三河 065201

基金项目: 中国地震局工程力学研究所基本科研业务费专项（2019B10）

详细信息

作者简介:
余佳科，男，生于1997年。硕士研究生。主要从事桩-土-结构相互作用方面研究。E-mail：928665173@qq.com

通讯作者:
景立平，男，生于1963年。博士，研究员。主要从事岩土工程和工程地震方面的研究。E-mail：jing_liping@126.com

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出版历程
- 收稿日期: 2022-09-17
- 刊出日期: 2024-03-31

Comparative Experimental Study on Dynamic Interaction of Piles-Soil-Steel and Piles-Soil-Concrete Structures

Yu Jiake^1
,,
Jing Liping^{1, 2
, ,},
Wang Zhan¹,
Lu Xinyu¹,
Qi Wenhao¹

1.
Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, Harbin 150080, China
2.
School of Disaster Prevention Science and Technology, Sanhe 065201, Hebei, China

摘要

摘要: 为了分析不同上部结构-桩-土相互作用规律，分别进行了钢框架结构-桩-土模型和混凝土结构-桩-土模型的振动台试验，并对试验模型进行了相应的有限元数值模拟分析。试验采用三维叠层剪切模型箱，土体为均匀粉质黏土，钢结构和混凝土结构模型为简化的3层框架结构，桩基为3×3根群桩，桩径为10 cm，桩长为200 cm，输入为人工地震动时程，按时间相似比压缩1/5。振动台对比试验结果表明，相同几何尺寸的结构试验模型，混凝土结构的整体刚度大于钢结构，因此振动频率大于钢结构；相同地震作用下，钢框架结构模型加速度反应明显大于混凝土结构，桩身加速度放大系数前者为后者1.15～1.2倍，上部结构可达2倍，钢框架结构模型反应谱的卓越周期更长。有限元数值模拟的结果定性地验证了试验结果的合理性。
- 钢结构 /
- 砼结构 /
- 桩基础 /
- 振动台试验 /
- 动力相互作用
Abstract: To analyze the laws of different superstructure interaction of piles-soil, the shaking table comparative tests of piles-soil steel frame structure model and piles-soil concrete structure model were carried out respectively, and the corresponding finite element numerical simulation analysis of the test models was carried out. The three-dimensional laminated shear model container is used in the test, in which the soil is uniform silty clay, the steel structure and concrete structure model are simplified three-layer frame structures, the pile foundation is 3×3 pile groups, the pile diameter is 10 cm, and the pile length is 200 cm. The input is the artificial ground motion time history, which is compressed by one-fifth according to the time similarity ratio. The results of shaking table comparison test show that the overall stiffness of concrete structure is higher than that of steel structure for the same geometric dimensions structure test model, so the vibration frequency is higher than that of steel structure. Under the same earthquake action, the acceleration response of steel frame structure model is obviously greater than that of concrete structure, and the predominant period of steel frame structure model response spectrum is relatively longer. To be specific, the acceleration amplification factor of the pile shaft in the former is 1.15-1.2 times of the latter, and that of the superstructure can reach as high as 2 times. The results of finite element numerical simulation qualitatively verify the rationality of the test results.
- Steel structure /
- Concrete structure /
- Pile foundation /
- Shaking table test /
- Interaction of piles with soil

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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 (M_S≥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。

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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 (M_S≥5.0) in China, 2020

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2. 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

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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
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	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。

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（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

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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

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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。

图 1 结构模型

Figure 1. Structure model

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图 2 压缩1/5的人工地震动时程与反应谱

Figure 2. Compressed 1/5 earthquake motion time history and response spectrum

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图 3 数值模拟模型

Figure 3. Numerical simulation model

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图 4 不同输入幅值下结构3、4层实测加速度反应谱

Figure 4. Response spectra with different input amplitudes

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图 5 压缩1/5的天然地震动时程与反应谱

Figure 5. Compressed 1/5 earthquake motion time history and response spectrum

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图 6 各工况加速度反应谱对比

Figure 6. Comparison of acceleration response spectrum of working conditions

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图 7 桩身内力分布图

Figure 7. Internal force distribution of pile shaft

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图 8 桩顶位移时程

Figure 8. Time history of pile top displacement

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图 9 桩身相对变形

Figure 9. Relative deformation of pile shaft

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图 10 上部结构相对位移

Figure 10. Relative displacement of superstructure

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表 1 土体参数

Table 1. Soil parameters

结构模型	深度/m	土样密度/（g·cm⁻³）	最大动剪切模量/MPa	剪切波速/（m·s⁻¹）
钢框架模型	2.15	1.80	81.664	212.9
混凝土模型	2.30	1.80	81.664	212.9

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表 2 结构模型振动特性

Table 2. Measurement of vibration characteristics of model structure by white noise method

结构模型	长轴方向频率/Hz	短轴方向频率/Hz	阻尼比/%
混凝土模型	20.67	17.75	5.57
钢结构模型	4.95	5.73	5.80

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表 3 上部结构自振周期

Table 3. Natural vibration period of superstructure

结构模型	1阶/Hz	2阶/Hz	3阶/Hz
混凝土模型	16.175	19.379	26.016
钢结构模型	5.161	5.248	9.118

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表 4 均方根加速度放大系数对比

Table 4. Amplification factor of root mean square acceleration

测点位置	0.05 g工况				0.1 g工况
	钢框架结构		混凝土结构		钢框架结构		混凝土结构
	试验	计算	试验	计算	试验	计算	试验	计算
S4	6.268	5.596	2.692	2.639	5.940	5.702	2.424	2.640
S3	4.663	3.846	2.027	2.012	4.406	3.917	1.829	2.013
S2	3.011	2.507	1.660	1.455	2.810	2.528	1.514	1.456
Z5	1.489	1.295	1.276	1.231	1.317	1.295	1.167	1.232
Z4	1.306	1.204	1.097	1.168	1.200	1.205	1.019	1.169
Z3	1.276	1.121	1.143	1.099	1.249	1.121	1.075	1.099
Z2	1.209	1.038	1.156	1.031	1.175	1.038	1.095	1.031
Z1	1.000	1.000	1.000	1.000	1.000	1.000	1.000	1.000

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