[科普中国]-地基固有周期

简介

简谐运动的振动周期是由振动物体本身的性质决定的，所以又叫固有周期。地基固有周期是指简谐运动的振动周期。地基固有周期是进行建筑物抗震设计重要内容。在抗震设计中，地基固有周期应尽量避开场地卓越周期，以免发生共振而加重震害。有关研究通过对建筑震害宏观和微观数据对照，考虑到建筑周期与地震卓越周期相接近是引起建筑共振破坏的主要因素和直接原因后，提出在设计中应尽量加大建筑物基本周期与场地卓越周期的差距1。

极限强度法国内外新的抗震规范应用新的方法，努力实现基于性能的设计用于建筑物的安全设计方法的两个明确发展目标：1）全和减震效果明显；2）的损害控制在地震两个对应级别地震地动力。

地基土体与结构相互作用应考虑地震加速反应谱作用于工程土体方面的设计，新引入的极限强度法(LSM)可验证结构安全性能。LSM 法是基于结构的线性等效，通过评估自由系统单向的安全响应。使用自由系统可以更好地了解整个结构对地震反应谱的响应并能够得到适当的验证结果。此外，LSM并不需要专家的判断;它使结构设计者明确建筑建造的性能。建筑抗震计算，应在系统结构和动态特性地基耦合的基础上，应也考虑到两者的共同振动。这种动态特性分析是通过系统耦合的结构固有周期和阻尼因子，动态交互的特点清晰地显示出来：1）评估建筑物的固有周期，具有固定建模的地基结构中，并在此耦合模型基础上建模，它清楚地看出，当地基的固有周期变长，建筑物楼层的增高时，结构固有周期降低、刚性增高。2）本身阻尼，系统中加入阻尼，则有动态阻尼产生。较大部分动态阻尼为辐射阻尼。这种阻尼通过辐射振动能量作用在地基土体。研究表明在等效周期的耦合系统中，地基土体本身的固有周期越小，辐射阻尼越明显；耦合系统中，建筑的自然周期与地基的固有周期增大时，阻尼辐射变得非常小。3）物与地基土体的自然周期相近时，耦合系统的数值分析，在地震的情况下，共振出现地基和建筑物，结构对地震响应变大2。

卓越周期地震时，从震源发出的地震波在土层中传播时，经过不同性质地质界面的多次反射，将出现不同周期的地震波。若某一周期的地震波与地基土层固有周期相近，由于共振的作用，这种地震波的振幅将得到放大，此周期称为卓越周期。由多层土组成的厚度很大的沉积层，当深部传来的剪切波通过它向地面传播时就会发生多次反射，由于波的叠加而增强，使长周期的波尤为卓越。卓越周期的实质是波的共振，即当地震波的振动周期与地表岩土体的自振周期相同时，由于共振作用而使地表振动加强。巨厚冲积层上低加速度的远震，可以使自振周期较长的高层建筑物遭受破坏的主要原因就是共振。或是在地震波通过覆盖土层传向地表的过程中，与土层固有周期相一致的一些频率波群将被放大，而另一些频率波群将被衰减甚至被完全过滤掉。这样，地震波通过土层后，由于土层的过滤特性与选择放大作用，地表地震动的卓越周期在很大程度上取决于场地的国有周期。当建筑物的固有周期与地震动的卓越周期相接近时，建筑物的震动会加大，相应地，震害也会加重。

卓越周期按地震记录统计得到，地基土随软硬程度的不同有不同的卓越周期，可划分为四级：一级——稳定基岩，卓越周期是0.1-0.2s，平均为0.15s。二级——一般土层，卓越周期为0.21-0.4s，平均为0.27s。三级为松软土层，卓越周期在二级和四级之间。四级——为异常松软的土层，卓越周期为0.3-0.7s，平均为0.5s。