1.目的及意义

1.1引言

相比较1995年神户地震中（按传统的基于承载力抗震设计方法设计）的18 跨高架桥破坏严重；1999 年土耳其地震中细长结构虽倾斜（由于地基土的局部破坏）但其上部结构却保存完好；再反观自公元前540年至今仍屹立于希腊高地震区的阿波罗神庙柱，国内外学者不免开始思考摇摆以及自复位结构在地震中的所用和效应。

再者，随着我国发展，现已成为能源需求大国，由于核电具有清洁、高效等显著优点，发展核电是当前的热点；核电站结构一般使用刚度较大的基础直接位于地基土上，一旦核电站结构基础发生了提离，进而会影响到结构各楼层的地震响应及其相应的设计谱曲线，从而影响结构各楼层上附属设备等的响应；基础发生提离后会发生“应力重分布”现象，在与结构基础依然接触部分的土体内产生较大的脚趾压力（toe pressure），而当地震峰值过后，基础再次与地基土接触时，将会产生较大的冲击力，这些都会影响到结构的安全以及下卧地基土的稳定性。

因此，本文拟将以摇摆柱作为细长结构研究对象，通过建立刚 柔摇摆柱计算模型，并模拟实验工况与解析解对比检验试验和数值计算的合理性，探讨刚性摇摆柱在地震作用下的响应，分析其作用规律。本文研究成果可为摇摆及自复位结构的抗震设计提供依据。

1.2国内外研究现状

如何在地震发生后，使建筑结构、整个城市甚至整个国家具有快速恢复功能的能力，引起了地震工程界的密切关注^[1-3] 。在国外，20世纪80年代，Aik-Siong Koh等对柔性基础上刚性快谐振的研究成为早起的经典之作^[4]，随后2003年Nii Allotey,以及2006年Chad Harden等分别对刚 柔模型和基础抬升的影响进行了全面的公式理论推导^[5]，并且，其他学者也列举和论证了许多工程摇摆隔震相关的工程震害案例^[6]。

在国内，早期的结构抗震设计有两个基本假设：将结构基础下的土体简化为理想的刚性体，即不考虑土-结构的动力相互作用效应（SSI）； 认为结构基础与地基土是“绑定”在一起的，即不考虑结构基础提离(uplift)的影响； SSI效应已得到了广泛认可；由于震后调查较困难，目前针对建筑物基础提离的观测还不够丰富，但这并不意味着建筑物在地震中不会发生这种现象。同时，我国《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第4.2.4条规定：高宽比大于4的高层建筑，在地震作用下基础底面不宜出现脱离区（零应力区）；其他建筑，基础底面与地基土之间脱离区面积不应超过基础底面积的15%。我国《核电厂抗震设计规范》（GB50267-97）第6.4.3条给出了矩形基础底面接地率简化计算公式。但由于基础提离问题是一个复杂的非线性（几何非线性和材料非线性）、时变问题，在结构基础与地基土之间设置节理(Joint)或接触面(Contact)单元，计算参数难以合理确定，同时非线性计算收敛困难；且通常采用土弹簧单元代替地基土，土弹簧单元参数则有经典土阻抗函数确定，但计算参数要么没有考虑时变效应，即按最开始确定的土弹簧参数一直参与计算；要么是事先假定一个接触率，按此接触地率计算土弹簧参数，用于后续计算，而这些都不能有效合理的考虑系统的时变性。

我国学者与之相关的研究也正在进行，如周颖、吕西林于2011年系统的分类和描述了摇摆和自复位结构的历史、原理、现状，他们将应对地震作用的防护方式分为“抗震、消震、隔震”三种，并且对摇摆桥墩、摇摆及自复位钢筋混凝土框架、钢框架等做了评价和对比^[7]；熊建国利用建立在弹性半空间基础上的集中参数法计算和分布元件模型进行了分析计算，但基础埋入等颇多因素都因简化过程而未能考虑到^[8]；职洪涛、俞载道、曹国敖应用分布参数法对土-单自由度结构相互作用体系的基础提离、滑移对其地震反应影响作了较详尽的讨论，此外，对基础提离和滑移之间的相互影响也做了讨论^[8-10]；党像梁、吕西林、周颖通过对底部开水平缝预应力自复位剪力墙数值模拟、设计研究、试验、结论分析等，表明其有较好的自复位能力、且承载力与普通剪力墙相当，同时相对于传统摇摆墙，耗能能力较好^[11-12]；郭佳、辛克贵等阐述了自复位桥梁墩柱结构的基本力学特点，并以自复位桥梁墩柱结构拟静力试验为参照，考虑桥墩弯曲变形、耗能钢筋无粘结长度以及底部混凝土与钢筋应变差产生的滑移效应，提出了自复位节结构力学分析模型以及有限元模型，并根据混凝土应力简化的不同程度，应用等效矩形应力图法和平截面假定法两种方法求解混凝土压力，从而把握整个结构体系受力特征^[13]；夏修身、陈兴冲根据铁路高墩减、隔震设计参数确定原则，给出高墩摇摆隔震力学计算模型及其主要参数计算公式，同时结合实际工程比较，得出了基底摇摆隔震高墩能靠自重平衡地震作用，隔震效果比墩顶减震效果更好、更稳定，且可实现墩底最大地震弯矩不受输入地震动频谱特征的影响^[14-15]。

摇摆结构地震响应计算方法主要经历了：二维平面计算方法（以Chopra的研究工作为代表），包括：置于刚性地基上的刚性块体（结构刚性 地基刚性）、置于弹性半空间上的刚性块体（结构刚性 地基柔性）、置于弹性半空间上的弹性块体（结构柔性 地基柔性）； 三维空间计算方法：基于成熟商业有限元软件。