State⁃of⁃the⁃art on Uplift and Rocking Effect of Structure under Earthquakes

Nianwen ZHENG; Guobo WANG

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.201912054

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State⁃of⁃the⁃art on Uplift and Rocking Effect of Structure under Earthquakes

更新时间：2025-09-25

- State⁃of⁃the⁃art on Uplift and Rocking Effect of Structure under Earthquakes
- Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering Vol. 41, Issue 6, Pages: 1395-1407(2021)
- 作者机构：
  
  1.武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室,湖北武汉 430070
  2.温州大学建筑工程学院,浙江温州 325000
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.201912054
  CLC： TU31
- Published：15 December 2021
- 稿件说明：
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郑年文,王国波.地震作用下结构的提离摇摆效应研究现状及进展[J].防灾减灾工程学报,2021,41(06):1395-1407.

ZHENG Nianwen,WANG Guobo.State⁃of⁃the⁃art on Uplift and Rocking Effect of Structure under Earthquakes[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2021,41(06):1395-1407.
郑年文,王国波.地震作用下结构的提离摇摆效应研究现状及进展[J].防灾减灾工程学报,2021,41(06):1395-1407. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.201912054.

ZHENG Nianwen,WANG Guobo.State⁃of⁃the⁃art on Uplift and Rocking Effect of Structure under Earthquakes[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2021,41(06):1395-1407. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.201912054.

摘要

在强烈的地震作用下土⁃基础⁃结构相互作用体系不可避免地发生基础与地基接触面分离的非线性行为。已有研究表明这种基础提离摇摆行为有利于结构抗震，利用地基与基础接触面处的非线性及地基土的塑性变形等消耗大部分地震能量，使原本在上部结构形成的塑性铰转移到地基土，减小上部结构的塑性变形并防止其倒塌，从而确保上部结构的安全。首先介绍经典的考虑基础提离摇摆的结构地震响应计算模型和研究方法，从不同结构类型角度分别介绍结构提离摇摆响应的研究，并将得到的主要结论进行总结。建议加强大震下结构提离摇摆非线性行为精细化计算方法、结构摇摆响应谱以及相应的大比例结构模型试验验证等关键环节的研究，以更准确地确定摇摆结构地震响应规律，并将其推广应用于工程实际。

Abstract

Under the action of strong earthquakes， the nonlinear behavior of separation between the foundation and the subsoil inevitably occurs in the soil-foundation-structure interaction system. Previous studies have shown that this kind of foundation uplift and rocking behavior is conducive to the earthquake resistance of the structure. The nonlinearities at the interface and the plastic deformation of the foundation soil consume most of the seismic energy， so that the plastic hinge originally formed in the superstructure is transferred to the foundation soil. It reduces the plastic deformation of the superstructure and prevents structures from collapsing， thereby ensures the safety of the superstructure. This paper first introduces the classical seismic response calculation model and research method for structure considering the foundation uplift and rocking， then refers the study on the structural uplift and rocking response from the perspective of different structure types， and finally summarizes the main conclusions of the studies. Suggestions on strengthening the research on the key aspects including refined calculation method for uplift and rocking nonlinear behavior of structures under large earthquakes， structural rocking response spectrum and corresponding large-scale structural model test verification are recommended， so as to determine the seismic response law of rocking structures more accurately， and apply it to engineering practice.

关键词

Keywords

references

Makris N ， Vassiliou M F . Planar rocking response and stability analysis of an array of free-standing columns capped with a freely supported rigid beam ［J］. Earthquake Engineering & Structural Dynamics ， 2013 ， 42 （ 3 ）： 431 - 449 .

Dejong M J ， Dimitrakopoulos E G . Dynamically equivalent rocking structures ［J］. Earthquake Engineering & Structural Dynamics ， 2014 ， 43 （ 10 ）： 1543 - 1563 .

赵鸿铁，张风亮，薛建阳，等 . 古建筑木结构的结构性能研究综述［J］. 建筑结构学报， 2012 ， 33 （ 8 ）： 1 - 10 .

Zhao H T ， Zhang F L ， Xue J Y ， et al . Research review on structural performance of ancient timber structure ［J］. Journal of Building Structures ， 2012 ， 33 （ 8 ）： 1 - 10 . （in Chinese）

Housner G W . The behavior of inverted pendulum structures during earthquakes ［J］. Bulletin of the Seismological Society of America ， 1963 ， 53 （ 2 ）： 403 - 417 .

Anastasopoulos I ， Gazetas G ， Loli M ， et al . Soil failure can be used for seismic protection of structures ［J］. Bulletin of Earthquake Engineering ， 2010 ， 8 （ 2 ）： 309 - 326 .

Makris N ， Konstantinidis D . The rocking spectrum and the limitations of practical design methodologies ［J］. Earthquake Engineering &Structural Dynamics ， 2003 ， 32 （ 2 ）： 265 - 289 .

Gajan S ， Kutter B L . Capacity， settlement， and energy dissipation of shallow footings subjected to rocking ［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering ， 2008 ， 134 （ 8 ）： 1129 - 1141 .

Makris N ， Vassiliou M F . Sizing the slenderness of free-standing rocking columns to withstand earthquake shaking ［J］. Archive of Applied Mechanics ， 2012 ， 82 （ 10/11 ）： 1497 - 1511 .

Gazetas G ， Anastasopoulos I ， Garini E . Geotechnical design with apparent seismic safety factors well-bellow 1 ［J］. Soil Dynamics & Earthquake Engineering ， 2014 ， 57 （ 2 ）： 37 - 45 .

Anastasopoulos I ， Gelagoti F ， Spyridaki A ， et al . Seismic rocking isolation of an asymmetric frame on spread footings ［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering ， 2013 ， 140 （ 1 ）： 133 - 151 .

Makris N . A half-century of rocking isolation ［J］. Earthquakes and Structures ， 2014 ， 7 （ 6 ）： 1187 - 1221 .

Anastasopoulos I ， Drosos V ， Antonaki N . Three-storey building retrofit： rocking isolation versus conventional design ［J］. Earthquake Engineering & Structural Dynamics ， 2015 ， 44 （ 8 ）： 1235 - 1254 .

熊建国 . 基础提离对结构动力特性影响的研究综述［J］. 世界地震工程， 1988 ， 1 （ 3 ）： 3 - 10 .

Xiong J G . Review of research on the influence of foundation uplift on structural dynamic characteristics ［J］. World Earthquake Engineering ， 1988 ， 1 （ 3 ）： 3 - 10 . （in Chinese）

俞载道，职洪涛，曹国敖 . 基础提离、滑移对结构地震反应影响的探讨［J］. 同济大学学报（自然科学版）， 1997 ， 25 （ 2 ）： 141 - 146 .

Yu Z D ， Zhi H T ， Cao G A . Study on the effects of base uplifting and sliding on earthquake responses of structures ［J］. Journal of Tongji University （Science and Technology）， 1997 ， 25 （ 2 ）： 141 - 146 . （in Chinese）

吕西林，全柳萌，蒋欢军 . 从16届世界地震工程大会看可恢复功能抗震结构研究趋势［J］. 地震工程与工程振动， 2017 ， 37 （ 3 ）： 5 - 13 .

Lyu X L ， Quan L M ， Jiang H J . Research trend of earthquake resilient structures seen from 16 WCEE ［J］. Earthquake Engineering and Engineering Vibration ， 2017 ， 37 （ 3 ）： 5 - 13 . （in Chinese）

周颖，吕西林 . 摇摆结构及自复位结构研究综述［J］. 建筑结构学报， 2011 ， 32 （ 9 ）： 1 - 10 .

Zhou Y ， Lyu X L . State of-the-art on rocking and self-centering structures ［J］. Journal of Building Structures ， 2011 ， 32 （ 9 ）： 1 - 10 . （in Chinese）

Spanos P D ， Koh A S . Rocking of rigid blocks due to harmonic shaking ［J］. Journal of Engineering Mechanics ， 1984 ， 110 （ 11 ）： 1627 - 1642 .

Yim C S ， Chopra A K ， Penzien J . Rocking response of rigid blocks to earthquakes ［J］. Earthquake Engineering & Structural Dynamics ， 1980 ， 8 （ 6 ）： 565 - 587 .

Koh A S ， Spanos P D ， Roesset J M . Harmonic rocking of rigid block on flexible foundation ［J］. Journal of Engineering Mechanics ， 1986 ， 112 （ 11 ）： 1165 - 1180 .

Acikgoz S ， DeJong M J . The interaction of elasticity and rocking in flexible structures allowed to uplift ［J］. Earthquake Engineering & Structural Dynamics ， 2012 ， 41 （ 15 ）： 2177 - 2194 .

Chopra A K ， Yim S C S . Simplified earthquake analysis of structures with foundation uplift ［J］. Journal of Structural Engineering ， 1985 ， 111 （ 4 ）： 906 - 930 .

Harden C W ， Hutchinson T C . Beam-on-nonlinear-winkler-foundation modeling of shallow， rocking-dominated footings ［J］. Earthquake Spectra ， 2009 ， 25 （ 2 ）： 277 - 300 .

Masaeli H ， Khoshnoudian F ， Musician S . Incremental dynamic analysis of nonlinear rocking soil-structure systems ［J］. Soil Dynamics and Earthquake Engineering ， 2018 ， 104 ： 236 - 249 .

Ghannad M A ， Jafarieh A H . Inelastic displacement ratios for soil‍⁃‍structure systems allowed to uplift‍ ［J］. Earthquake Engineering & Structural Dynamics ， 2014 ， 43 （ 9 ）： 1401 - 1421 .

Vassiliou M F . Seismic response of a wobbling 3D frame ［J］. Earthquake Engineering & Structural Dynamics ， 2018 ， 47 （ 5 ）： 1212 - 1228 .

Kavvadias I E ， Vasiliadis L K ， Elenas A . Seismic response parametric study of ancient rocking columns ［J］. International Journal of Architectural Heritage ， 2017 ， 11 （ 6 ）： 791 - 804 .

Ceravolo R ， Pecorelli M L ， Fragonara L Z . Semi-active control of the rocking motion of monolithic art objects ［J］. Journal of Sound and Vibration ， 2016 ， 374 ： 1 - 16 .

Dar A ， Konstantinidis D ， El-Dakhakhni W W . Evaluation of ASCE 43-05 seismic design criteria for rocking objects in nuclear facilities ［J］. Journal of Structural Engineering ， 2016 ， 142 （ 11 ）： 1 - 13 .

Kavvadias I E ， Vasiliadis L ， Elenas A ， et al . Seismic analysis of free standing museum contents‍ ［C］‍∥ Proceedings of the 16th Conference on Earthquake Engineering . Thessaloniki ：［s.n.］， 2018 ： 1 - 8 .

郭恩栋，王滔，吴伟，等 . 地震作用下浮放设备摆动反应研究［J］. 沈阳建筑大学学报（自然科学版）， 2008 ， 24 （ 2 ）： 252 - 255 .

Guo E D ， Wang T ， Wu W ， et al . Study on seismic oscillation response of free-standing equipments ［J］. Journal of Shenyang JianzhuUniversity（Natural Science）， 2008 ， 24 （ 2 ）： 252 - 255 . （in Chinese）

周乾，闫维明，纪金豹 . 地震作用下浮放文物滑移及摇晃响应仿真［J］. 华北地震科学， 2016 ， 34 （ 1 ）： 13 - 20 .

Zhou Q ， Yan W M ， Ji J B . Simulation of oscillation and oliding responses of free-standing cultural relics under earthquakes ［J］. North China Earthquake Sciences ， 2016 ， 34 （ 1 ）： 13 - 20 . （in Chinese）

陈科，刘彤，盛鹰 . 展陈浮放文物振动台试验［J］. 西南科技大学学报， 2019 ， 34 （ 1 ）： 60 - 65 .

Chen K ， Liu T ， Sheng Y . Experimental study on shaking table test of floating cultural relics ［J］. Journal of Southwest University of Science and Technology ， 2019 ， 34 （ 1 ）： 60 - 65 . （in Chinese）

高潮，杨庆山，王娟，等 . 受水平地震作用的古建筑木结构柱非线性响应研究［J］. 建筑结构学报， 2018 ， 39 （增2 ）： 214 - 221 .

Gao Ch ， Yang Q Sh ， Wang J ， et al . Nonlinear response study on columns in traditional timber structure under horizontal earthquake action ［J］. Journal of Building Structures ， 2018 ， 39 （ Sup 2 ）： 214 - 221 . （in Chinese）

Jafarieh A H ， Ghannad M A . The effect of foundation uplift on elastic response of soil-structure systems ［J］. International Journal of Civil Engineering ， 2014 ， 12 （ 2 ）： 244 - 256 .

Acikgoz S ， DeJong M J . The rocking response of large flexible structures to earthquakes ［J］. Bulletin of Earthquake Engineering ， 2014 ， 12 （ 2 ）： 875 - 908 .

方英杰 . 基础提离对上部结构动力反应的影响分析［D］. 武汉：华中科技大学， 2016 .

Fang Y J . The impact caused by uplift phenomenon on dynamic response of superstructure ［D］. Wuhan ： Huazhong University of Science and Technology ， 2016 . （in Chinese）

Panagiotidou A I ， Gazetas G ， Gerolymos N . Pushover and seismic response of foundations on stiff clay： Analysis with P-delta effects ［J］. Earthquake Spectra ， 2012 ， 28 （ 4 ）： 1589 - 1618 .

Deng L ， Kutter B L . Characterization of rocking shallow foundations using centrifuge model tests ［J］. Earthquake Engineering & Structural Dynamics ， 2012 ， 41 （ 5 ）： 1043 - 1060 .

Anastasopoulos I ， Kourkoulis R ， Gelagoti F ， et al . Rocking response of SDOF systems on shallow improved sand：An experimental study ［J］. Soil Dynamics and Earthquake Engineering ， 2012 ， 40 ： 15 - 33 .

Kourkoulis R ， Gelagoti F ， Anastasopoulos I . Rocking isolation of frames on isolated footings： design insights and limitations ［J］. Journal of Earthquake Engineering ， 2012 ， 16 （ 3 ）： 374 - 400 .

Gazetas G ， Anastasopoulos I ， Adamidis O ， et al . Nonlinear rocking stiffness of foundations ［J］. Soil Dynamics and Earthquake Engineering ， 2013 ， 47 ： 83 - 91 .

Adamidis O ， Gazetas G ， Anastasopoulos I ， et al . Equivalent-linear stiffness and damping in rocking of circular and strip foundations ［J］. Bulletin of Earthquake Engineering ， 2014 ， 12 （ 3 ）： 1177 - 1200 .

Chen X Ch ， Lai Y M . Seismic response of bridge piers on elasto-plastic Winkler foundation allowed to uplift ［J］. Journal of Sound and Vibration ， 2003 ， 266 （ 5 ）： 957 - 965 .

Zafeirakos A ， Gerolymos N . On the seismic response of under-designed caisson foundations ［J］. Bulletin of Earthquake Engineering ， 2013 ， 11 （ 5 ）： 1337 - 1372 .

Agalianos A ， Psychari A ， Vassiliou M F ， et al . Comparative assessment of two rocking isolation techniques for a motorway overpass bridge ［J］. Frontiers in Built Environment ， 2017 ， 3 （ 1 ）： 47 - 65 .

郑越，陈兴冲 . 考虑基础提离与塑性的桥墩地震反应［J］. 地震工程与工程振动， 2009 ， 29 （ 4 ）： 125 - 131 .

Zheng Y ， Chen X Ch . Seismic response of double-column bridge piers considering uplift and yield of foundation ［J］. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration ， 2009 ， 29 （ 4 ）： 125 - 131 . （in Chinese）

夏修身，李建中 . 近场地震动对桩基础高墩摇摆反应的影响［J］. 哈尔滨工业大学学报， 2014 ， 46 （ 4 ）： 82 - 86 .

Xia X Sh ， Li J Zh . Effect of near-field ground motion on the rocking response of tall pier with pile foundations ［J］. Journal of Harbin Institute of Technology ， 2014 ， 46 （ 4 ）： 82 - 86 . （in Chinese）

王礼武 . 地震作用下土-结构相互作用对浅基础桥结构响应的影响［D］. 北京：北京交通大学， 2017 .

Wang L W . Effects of soil-structure interaction on structural response of shallow foundation bridges subjected to earthquake loads ［D］， Beijing ： Beijing Jiaotong Universit ， 2017 . （in Chinese）

仲浩然，管仲国 . 提离式桩基础用于城市高架桥抗震之适用性分析［J］. 振动与冲击， 2018 ， 37 （ 10 ）： 117 - 122 .

Zhong H R ， Guan Zh G . Applicability of rocking pile-group foundations in the seismic design of urban viaducts ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2018 ， 37 （ 10 ）： 117 - 122 . （in Chinese）

Masaeli H ， Khoshnoudian F ， Ziaei R . Rocking soil-structure systems subjected to near-fault pulses ［J］. Journal of Earthquake Engineering ， 2015 ， 19 （ 3 ）： 461 - 479 .

Faramarz K ， Mehdi S ， Farzane P . P-delta effects on earthquake response of structures with foundation uplift ［J］. Soil Dynamics and Earthquake Engineering ， 2012 ， 34 （ 1 ）： 25 - 36 .

Nguyen Q V ， Fatahi B ， Hokmabadi A S . The effects of foundation size on the seismic performance of buildings considering the soil-foundation-structure interaction ［J］. Structural Engineering and Mechanics ， 2016 ， 58 （ 6 ）： 1045 - 1075 .

曲哲，和田章，叶列平 . 摇摆墙在框架结构抗震加固中的应用［J］. 建筑结构学报， 2011 ， 32 （ 9 ）： 11 - 19 .

Qu Zh ， Wada A ， Ye L P . Seismic retrofit of frame structures using rocking wall system ［J］. Journal of Building Structures ， 2011 ， 32 （ 9 ）： 11 - 19 . （in Chinese）

Nakamura N ， Yabushita N ， Suzuki T ， et al . Analyses of reactor building by 3D nonlinear FEM models considering basemat uplift for simultaneous horizontal and vertical ground motions ［J］. Nuclear Engineering and Design ， 2008 ， 238 （ 12 ）： 3551 - 3560 .

Sextos A G ， Manolis G D ， Athanasiou A ， et al . Seismically induced uplift effects on nuclear power plants. Part 1： Containment building rocking spectra ［J］. Nuclear Engineering and Design ， 2017 ， 318 ： 276 - 287 .

钱德玲，李英超 . 某超限高层建筑箱形基础抗震性能分析［J］. 建筑结构， 2018 ， 48 （ 1 ）： 77 - 82 .

Qian D L ， Li Y Ch . Seismic performance analysis of box-shaped foundation of an out-of-code high-rise building ［J］. Building Structure ， 2018 ， 48 （ 1 ）： 77 - 82 . （in Chinese）

刘毅，薛素铎，王国鑫，等 . 土-结构相互作用下单层柱面网壳振动台试验及数值分析［J］. 中南大学学报（自然科学版）， 2017 ， 48 （ 1 ）： 223 - 232 .

Liu Y ， Xue S D ， Wang G X ， et al . Shaking table test of single-layer latticed cylindrical shell considering soil-structure interaction and its numerical analysis ［J］. Journal of Central South University （Science and Technology）， 2017 ， 48 （ 1 ）： 223 - 232 . （in Chinese）

王国波，王亚西，于艳丽，等 . 基础提离对核电站结构地震响应的影响分析［J］. 振动与冲击， 2015 ， 34 （ 7 ）： 228 - 233 .

Wang G B ， Wang Y X ， Yu Y L ， et al . Analysis on the influence of foundation uplift on structure seismic response ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2015 ， 34 （ 7 ）： 228 - 233 . （in Chinese）

Saraswat A ， Reddy G R ， Ghosh A K ， et al . Effects of base excitation frequency on the stability of a freestanding rigid block ［J］. Acta Mechanica ， 2016 ， 227 （ 3 ）： 795 - 812 .

Spanos P D ， Di Matteo A ， Pirrotta A ， et al . Rocking of rigid block on nonlinear flexible foundation ［J］. International Journal of Non-Linear Mechanics ， 2017 ， 94 ： 362 - 374 .

Kim D K ， Lee S H ， Kim D S ， et al . Rocking effect of a mat foundation on the earthquake response of structures ［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering ， 2014 ， 141 （ 1 ）： 1 - 13 .

Qin X ， Chen Y ， Chouw N . Effect of uplift and soil nonlinearity on plastic hinge development and induced vibrations in structures ［J］. Advances in Structural Engineering ， 2013 ， 16 （ 1 ）： 135 - 147 .

Chen Y ， Kun C ， Larkin T ， et al . Impact of vertical ground excitation on a bridge with footing uplift ［J］. Journal of Earthquake Engineering ， 2016 ， 20 （ 7 ）： 1035 - 1053 .

Hung H H ， Liu K Y ， Ho T H ， et al . An experimental study on the rocking response of bridge piers with spread footing foundations ［J］. Earthquake Engineering & Structural Dynamics ， 2011 ， 40 （ 7 ）： 749 - 769 .

Zhou Y L ， Han Q ， Du X L ， et al . Shaking table tests of post-tensioned rocking bridge with double-column bents ［J］. Journal of Bridge Engineering ， 2019 ， 24 （ 8 ）： 1 - 14 .

Pelekis I ， Madabhushi G S P ， DeJong M J . Seismic performance of buildings with structural and foundation rocking in centrifuge testing ［J］. Earthquake Engineering & Structural Dynamics ， 2018 ， 47 （ 12 ）： 2390 - 2409 .

尚守平，卢华喜，王海东，等 . 大比例模型结构-桩-土动力相互作用试验研究与理论分析［J］. 工程力学， 2006 ， 23 （增2 ）： 155 - 166 .

Shang Sh P ， Lu H X ， Wang H D ， et al . Test investigation and theoretical analysis of large-scale model on dynamic soil-pile-structure interaction ［J］. Engineering Mechanics ， 2006 ， 23 （ Sup 2 ）： 155 - 166 . （in Chinese）

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