利用原位土-结构相互作用测量实现地震阻抗函数的量化——小尺度概念验证

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Towards the quantification of seismic impedance function using in situ soil-structure interaction measurements –proof of concept at a reduced scale

　　

朱利安·克莱芒|大卫·布赫吉蒂|本杰明·理查德|让-弗朗索瓦·桑布拉

法国核安全与辐射防护机构，ASNR/DES/SES/LMAPS，法国

摘要

阻抗函数是分析土-结构相互作用的重要工具。自20世纪80年代以来，考塞尔E提出的叠加法因其简单性以及在低非线性条件下的合理性而成为常用方法。随着计算能力和数值方法的进步，如今可以处理更为复杂的结构体系。同时，通过强制振动试验也得以开展土-结构相互作用的实验研究，这些试验能够表征实际工况下的土-结构相互作用，并为模型验证提供参考数据。不过，数据后处理仍是关键挑战，只有做好这一环节才能准确获取真正的阻抗函数。本研究提出了一种创新的理论框架用于阻抗函数的后处理，该框架适用于浅层刚性基础的情况，且假设土壤或土-结构界面上的非线性程度较低。在实验室层面，我们通过基于强制振动试验的概念验证实验来实施这一框架：以硅胶块模拟土壤，用小型振动台产生正弦惯性力来模拟基础，随后对获得的阻抗函数数据进行后处理，并与有限元法数值模拟结果进行对比，以验证其一致性。最终，我们认为概念验证阶段的目标已经实现，这促使我们计划开展更大规模的实验，使用3米×3米的钢筋混凝土刚性基础置于真实土壤上并接受强制振动试验。

章节节选

关于土-结构相互作用阻抗函数识别方法的介绍

地震阻抗函数对土木工程师而言具有特殊意义。正是通过确定土壤的阻抗函数，考塞尔E[1]在其著名的叠加原理中描述了刚性基础与下方土壤之间的动态相互作用，该原理被用于计算土-结构系统在地震作用下的响应。这一方法自20世纪80年代以来一直被广泛应用，至今仍是地震工程领域的主流方法。其成功可能得益于该方法相对简单的特性

用于处理刚性基础强制振动试验所得阻抗函数的理论框架

由于利用强制振动试验似乎可以开发出用于测量任何足够刚性表面基础阻抗函数的方案，因此我们提出了以下方法，可直接获得阻抗函数（原理见图1）。具体而言，通过振动台在所需方向上施加单调的正弦惯性力，使基础承受强制振动试验（具体方向取决于阻抗函数表征的需要）。加载过程需逐步进行，以便

小型实验装置的设计与描述

在全面应用该方法并进行现场测量之前，我们希望先通过小规模试验证明该方法的可行性。目的是为上述阻抗函数测量装置提供概念验证。因此，本文后续部分将介绍我们为此目的进行的实验室规模试验。

由于此处的主要目标是验证第2节中提出的理论框架，因此我们并不一定需要确保

实验阻抗函数的数据处理方法与结果

本研究重点是对阻抗函数测量试验的结果进行处理。首先，我们对试验数据开展后处理，确定振动台运动与圆柱形钢质质量块运动之间的放大效应及时间相位差。随后，详细阐述方程（1）的推导过程及其在本次实验中的应用，用以计算阻抗函数。

基于数值模拟的对比分析

借助这些试验，我们证明了实验室测量的可行性和重复性，同时表明硅胶材料的不均匀性以及环境噪声仅会导致阻抗函数在预期方向上出现微小变化。为提升此类测量的连贯性与客观性，以及便于模型验证，我们在此采用有限元法进行数值模拟。所进行的模拟包括

结论

为了实现对地震阻抗函数的现场测量，本研究提出了一种理论框架，可用于严格处理基于刚性基础强制振动试验结果的阻抗函数。为验证该方法的可行性并作为概念验证，我们在实验室规模上对预定的实验装置进行了测试。实验中，土壤由体积为50×50×20立方厘米的硅胶块替代，基础则由直径为5厘米的

作者声明

所有符合作者资格的人士均被列为作者，所有作者均保证自己已充分参与该项工作，有责任对文章内容负责，包括参与研究的构思、设计、分析、撰写或修改工作。此外，每位作者都保证，在本文发表之前，该材料或类似材料未曾也不会被提交到其他任何刊物发表。

CRediT作者贡献说明

朱利安·克莱芒：概念构建、数据整理、正式分析、方法设计、结果验证、可视化处理、初稿撰写。大卫·布赫吉蒂：正式分析、项目管理、监督指导、结果验证、论文审阅与编辑。本杰明·理查德：监督指导、论文审阅与编辑。让-弗朗索瓦·桑布拉：监督指导、论文审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了法国ASNR、EDF、CEA和Framatome四方合作研究框架的支持。