结构-桩-土相互作用体系抗震性能
高层建筑与桩土共同作用抗震性能
高层建筑与桩土共同作用的抗震性能探讨摘要：地震作用的本质是土体-结构物在地震激励下产生的响应问题。
由于上覆土层对来自基岩的地震激励具有放大或过滤的双重效应，使得结构产生的地震响应具有不同的振动特性。
研究表明，对于地基地表反应或基岩地震动，根据上覆土层性质反演或正演得到土层中每点处的地震动，对基础或桩基础进行多点输入更为合理。
关键词：高层建筑，上部结构，共同作用，抗震一、结构模型某一钢筋混凝土框架-剪力墙结构，总高度31.5m，共10层，底层层高4.5m，2~10层层高为3m，柱网尺寸为6m×6m，承台板厚为800mm，采用柱下桩基，共12根桩，桩长17.5m。
柱网及剪力墙布置见图1。
以大型通用有限元分析软件ansys为平台，建立框架剪力墙上部结构-桩-土耦合有限元模型，以时域有限元方法进行框架剪力墙上部结构-桩-土耦合模型的水平地震响应分析。
场地土采用有限元模型，采用粘弹性人工边界模拟地震能量向远场的耗散效应，横向每3m划分一个单元，纵向每3m划分一个单元；框架梁、柱以及桩采用beam188单元模拟，梁、柱延长度方向每1.5m划分一个单元，桩沿长度方向每3m划分一个单元；楼板、剪力墙及承台板采用shell单元模拟，楼板、剪力墙以及承台板均沿边长每3m划分一个单元。
土-桩-框剪上部结构耦合有限元模型如图图2所示。
二、地震时程响应分析对土-桩-框架剪力墙上部结构耦合动力相互作用体系进行地震时程响应分析，输入三条天然地震动记录，分别为天津波、el-cento 波和汶川波，本文按基本烈度为7度对三条天然地震动进行峰值修正，修正后最大加速度值为122.625cm/s2。
不同地震动输入情况下，土-桩-框剪上部结构耦合系统的顶层加速度时程响应以及1、7层的位移时程响应分别见图3和图4。
同理分析并对比上部为框架结构可得到，当上部结构采用框架-剪力墙结构时，考虑相互作用与不考虑相互作用情况下的结构顶层峰值加速度响应差异较上部结构采用框架情况下要明显，由此可以推断，考虑相互作用与否对刚性较大的框架-剪力墙结构地震加速度响应的影响要比对刚性较小的框架结构显著。
地震作用下桩-土-结构相互作用的分析
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某 六 层 框 架 结 构 ， 高 ４米 ， 于上 海 南 汇 区 ， 区 位 于 长 江 人 海 层 位 该 口， 冲积 平 原 ， 质 条件 较 差 。 构 平 面 图如 图 ２所 示 ， 主要 承 重 构 属 地 结 其 件 的截 面尺 寸 及 材 料 力 学性 能 参 数 如 下 ： 框 架 柱 ：０ ｍ ４ ０ ４ ０ ｍｘ ０ ｍｍ混 凝 土 柱 外 环 梁 ：０ ｍ ４ ０ ３ ０ ｍＸ ０ ｍｍ混 凝 土 梁 楼 面粱 ：０ ５ ０丁 字 钢 ， Ｈ ５ ０ ｍ， Ｂ ２ ０ １ｘ０ 高 ＝ ０ ｍ 宽 ＝ ０ ｍｍ， 缘 １ １ｍ 翼 １ ６ ｍ， ＝ 腹板 ｔ １ｒｌ ２ ０ｌｌ ＝ ｌ ｌ 楼 面 板 ：Ｏ ｍ 混 凝 土楼 面板 ｌＯ ｍ 材料特性 ： 土 Ｃ ０ 弹 模 Ｅ ３０ １ ／ 泊 松 比 Ｖ ０２ 密度 Ｐ 昆凝 ３， ＝ ．ｘ ０ Ｎｍ ， ＝ ．， ＝
Ｗｉｋｅ 地基上的梁模型 、 ｎｌｒ 波动场模型 以及有限元模 型。 ３种模型 中由于 动 力 Ｗｉｋ ｒ 基 上 的梁 模 型 力 学 概 念 清 楚 ， 单 实 用 ， 于被 Ｔ 程 人 ｎｌ 地 ｅ 简 易 员接 受 而 被 广 泛 运 用 。 本文 拟 采 用 这 一 模 型 ， 桩 离 散 为 梁 单 元 ， 节 将 在 点处 考虑 水 平 位 移 和 转 角 ， 桩 体 的 质 量 集 中在 节 点 处 。土 体 由离 散 的 将 弹簧 一阻尼器系统代替 ， 简化模型见图 １ 。
９度
水平地震作用下桩—土—上部结构弹塑性动力相互作用分析
水平地震作用下桩—土—上部结构弹塑性动力相互作用分析一、本文概述《水平地震作用下桩—土—上部结构弹塑性动力相互作用分析》这篇文章主要探讨了水平地震作用对桩—土—上部结构体系的影响，并详细分析了这一复杂系统在地震作用下的弹塑性动力相互作用。
本文旨在深入理解地震时桩—土—上部结构体系的动态行为，为工程实践提供理论依据和指导，以提高结构的抗震性能。
本文首先介绍了地震作用下桩—土—上部结构体系的研究背景和意义，阐述了国内外在该领域的研究现状和发展趋势。
接着，文章对桩—土—上部结构体系的弹塑性动力相互作用进行了理论分析，包括桩土相互作用、地震波的传播与散射、结构的动力响应等方面。
在理论分析的基础上，本文进行了数值模拟和实验研究。
通过建立合理的数值模型，模拟了不同地震波作用下的桩—土—上部结构体系的动态响应过程，得到了结构的地震反应特性和破坏模式。
同时，结合实验数据，验证了数值模拟的有效性，并对模拟结果进行了深入分析。
本文总结了地震作用下桩—土—上部结构弹塑性动力相互作用的研究成果，指出了现有研究的不足和未来研究方向。
文章强调了在实际工程中应考虑桩土相互作用的影响，合理设计抗震结构，以提高结构的整体抗震性能。
通过本文的研究，可以为工程师和科研人员提供有益的参考，推动桩—土—上部结构体系抗震设计方法的改进和完善，为保障人民生命财产安全和提高建筑行业的可持续发展水平做出贡献。
二、桩—土—上部结构相互作用的基本理论桩—土—上部结构的相互作用是一个复杂且关键的动力学问题，涉及到地震波传播、土壤动力学、结构动力学等多个领域。
在水平地震作用下，土壤对桩的约束和桩对土壤的支撑形成了相互作用力，这些力通过桩传递到上部结构，进而影响整个系统的动力响应。
桩—土相互作用的理论基础主要是基于土的动力学特性和桩土之间的接触关系。
土壤在地震作用下的行为受到其本身的物理特性（如密度、弹性模量、泊松比等）和动力特性（如阻尼比、剪切波速等）的影响。
高层结构—桩—土共同作用的地震反应分析
出 了更高 的 要求 。只 有运 用 上 部结 构 与基 础 和地 基 共 同 作 用 理 论 ， 才 能 比较 真 实 地 反 映 高 层 结 构 的 实 际
维普资讯
ｌ卷 ２ ８ 期
２０ ０ ２年 ６月
世
界
地
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Ｖｏ ． ８ １ １ ，Ｎｏ． ２
ＷＯＲ Ｄ ＡＲ ＨＱＵＡ ＮＧＩ Ｅ ＮＧ Ｌ Ｅ Ｔ ＫＥ Ｅ ＮＥ ＲＩ
Ｊ ｎ． ２ ０２ ｕ ，０９ ０ ２ — ０９ ０ ２ ０
１ 引 言
随着 科学 技 术 的 进步 和 城市 建设 考 虑 节 约用 地 的需 要 ，高 层建 筑 得 到 了很大 的发 展 。 国 内层数 ５ 以 ０层
上， 高度 １０ 以上 的高层建筑 已为数不少 ，例如 ５ 层 ， １ ０ 的深 圳 国际 贸 易 中心 ， 高 １５ 的 上海 商城 ， ６ｍ ３ ６ｍ ６ｍ 正 在建 造 中 的高 ４ ０ 的国际 环球金融 中心等 。高层建筑 由于层数多 、高度 高 、重量大 ， 因此 对基础和地基提 ６ｍ
高层 结构 一 一 桩 土共 同作用 的地 震 反应 分析
熊仲 明 ，赵 鸿铁
（． 西 安 交 通 大 学 建 筑 与 力学 学 院 ， 陕 西 西 安 ７０ ４； ２ 西 安 建 筑 科 技 大 学 土 木 建 筑 学 院 ， 陕 西 西 安 ７０５ ） １ １０９ ． １０ ５
摘 要 ： 采 用 边 界 元 特 解 样 条 函 数 提 出 了桩 一上 与上 部结 构 共 同 作 用 的 动 力 分 析 方 程 ， 分 析 了 土 桩 刚 度 与阻 抗 的计 算 方 法 ：指 出 在 共 同作 用 下 ， 结 构 的 动 力 特 性 发 生 了变 化 ，结 构 自振 频 率 减 小 ， 上 部 结 构 的位 移 、 加 速 度 分 布 不 同 于 传 统 的 以 第 ｌ 型 为 主 的 倒 三 角 形 分 布 ， 而 随 着 地 基 土 软 弱 程 度 的 加 重 而 越 来 越 接 近 Ｋ 型 分 布 振
桩土相互作用对大跨度桥梁抗震的影响
ｔｅｗ ｔｒ ｇ ｎｏ ｎｔｒ ｇ ｎ ａｕｅ ｎ ｆ ｉｈ ｙｔ ｎｌ ｒ ｅｔ ｔ ｌ ｉｅ ｅｆ ｓ ｉ ｙ ｎ ｖｎａ ｅ ｆ ｓ ｇｔｔ ａｉ ｈ ｅ ｅ ｒ ｉ ｆ ｓ ｎ ｅｏ ｍｏ ｉ ｉ ｄｍｅｓｒ ｏｎ ａ ｍｅ ｔ ｈｇｗａ ｎ ｅｐｏ ｃ．Ｉｃ ｒｉ ｔ ａｉ ｌ ｄａ ａｔｇ ｉ ａｓ ｔ ｎｉ ｏａ ｕ ｊ ａｆｓｈ ｅ ｂｉ ａ ｄ ｔ ｏｕ ｎ ｏ ｌｔ ｏ ｎ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｈｅｏ ｔｍ ｉａ ｉ ｎ ｏ ｕ ｅ ｉｅｍ ｏ ｔ ｒｎｇ ｓ ａ ｃ ｎ ｔ ｐ ｉ ｚ ｔｏ ｆｔ ｎｎ ｌｓｔ ｎｉｏ ｉ
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时 间 ／ ｄ
［ ］ 王运金 ． ３ 某隧道地表 沉降监控 量测 实例 分析 ［ ． Ｍ］ 重庆 ： 重
庆 大 学 出版 社 ，０ ８ ２０ ．
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
某 隧 道 Ｙ ０＋５５断 面 周 边 水 平 收敛 变化 曲线 Ｋ３ ５
［ ］ 陈礼伟 ． ４ 用全站仪进 行 隧道收 敛量 测 的误 差分 析 ［］铁 道 Ｊ．
工程 学报 ，０ ０ １ ３ ：３６ ． ２ ０ ，（ ）６ —６
［］ 叶 ５
桩-土-结构地震动力相互作用分析方法对比研究的开题报告
桩-土-结构地震动力相互作用分析方法对比研究的开题报告
一、研究背景
桩-土-结构体系经常受到地震的影响，而土壤和结构的动力特性会对地震响应产生不同的影响，使得相互作用分析成为地震工程中不可缺少的一环。
目前，对于桩-土-结构体系的地震动力相互作用分析，主要采用了有限元方法、位移谱法、时程分析法等多种方法。
但是，目前各种方法的适用范围、精度和实用性等方面都存在一些限制和差异，因此需要对这些方法进行比较研究，以进一步完善地震工程实践中的方法和技术。
二、研究内容和目标
本研究的主要内容是比较和评估不同桩-土-结构体系地震动力相互作用分析方法的适用范围、精度和实用性，并结合实际工程进行案例验证。
具体目标包括：
1.对于有限元法、位移谱法和时程分析法等方法的基本原理和应用范围进行分析和比较；
2.对比不同方法对桩-土-结构体系地震响应的模拟精度；
3.比较不同方法在改善桩-土-结构体系地震响应方面的实用性；
4.以实际工程为例进行验证和比较不同方法的实用性。
三、研究方法和技术路线
1.文献研究法：对现有的有限元法、位移谱法和时程分析法等方法进行文献调研和分析，以对这些方法的基本原理和应用范围有一个比较全面的了解；
2.数值模拟法：采用有限元软件OpenSees和PLAXIS等，对不同桩-土-结构体系进行数值模拟，分析比较不同方法的模拟精度；
3.实际工程应用法：选取代表性的工程实例进行分析和比较，以验证和比较不同方法的实用性。
四、研究意义
本研究通过对比不同桩-土-结构体系地震动力相互作用分析方法，对地震工程领域提供更准确、更可靠的工程设计方案，同时为相关领域的研究和实践提供更深入的理论支持。
桩长对桩土结构共同作用抗震影响分析方春林
桩长对桩土结构共同作用抗震影响分析方春林发布时间：2021-11-26T04:02:20.981Z 来源：《基层建设》2021年第21期作者：方春林[导读] 桩基础是软弱土层地基上高层建筑的主要基础形式，其长度直接影响着建筑结构的承载力和抗震性能。
虽然目前关于桩土结构共同相互作用的抗震分析较多，但研究桩长与结构整体抗震性能的相关性研究还比较少见。
本文依据ABAQUS有限元分析软件，建立了软土地基上桩基础高层建筑三维动力有限元计算模型，上部结构简化为糖葫芦串模型，基础由承台和单桩组成，桩土接触采用摩擦接触，考虑桩-土-结构共同作用。
地震波采用南京人工波，在其他条件不变的情况下选择10m，20m和30m的桩长进行计算，另外建立了纯上部结构的不考虑桩土结构共同作用的有限元模型进行计算，根据计算结果分析讨论在该模型条件下桩长对上部结构以及桩基础整体抗震性能的影响，并给出定性分析。
广州市市政工程设计研究总院有限公司摘要：桩基础是软弱土层地基上高层建筑的主要基础形式，其长度直接影响着建筑结构的承载力和抗震性能。
虽然目前关于桩土结构共同相互作用的抗震分析较多，但研究桩长与结构整体抗震性能的相关性研究还比较少见。
本文依据ABAQUS有限元分析软件，建立了软土地基上桩基础高层建筑三维动力有限元计算模型，上部结构简化为糖葫芦串模型，基础由承台和单桩组成，桩土接触采用摩擦接触，考虑桩-土-结构共同作用。
地震波采用南京人工波，在其他条件不变的情况下选择10m，20m和30m的桩长进行计算，另外建立了纯上部结构的不考虑桩土结构共同作用的有限元模型进行计算，根据计算结果分析讨论在该模型条件下桩长对上部结构以及桩基础整体抗震性能的影响，并给出定性分析。
关键词：动力有限元; 桩基础；桩长；抗震1 前言桩基础是深基础的一种基础形式，在上部结构为高层建筑以及地基土软弱时被广泛采用。
在目前的抗震设计中，大部分是将上部结构、基础和地基分开考虑，只考虑荷载传递，通常是将基础作为刚性基础，不考虑桩土结构之间的共同变形，如何考虑地震荷载下桩土结构相互作用的问题成为了抗震设计的热点问题[1]。
桩—土—结构相互作用对超大跨度斜拉桥随机地震动响应影响研究(Ⅰ)
Ｓ ｕｄ ｆ ｉ ｆｕ ｎ ｅ ｆ ｐ ｌ ．ｏ ｌｓ ｒ ｔ ｒ ｎ ｅ ａ ｔｏ ｎ ｓ ｏ ｈ ｓｉ ｅｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｎ ｅ ｃ ｓ ｏ ｉ ． ｉ．ｔ ｕｃ ｕ ｅ ｉ ｔ ｒ ｃ ｉ ｎ ｏ ｔ ｃ ａ ｔｃ ｓ ｉｍ ｃ ｌ ｅｓ ．
ｒｓｏ ｓ ｆｓｐ ｒｌｎ —ｐ ｎｃｂｅｓａ ｅ ｒ ｇ （Ｉ、 ｅｐ ｎｅｏ ｅ－ ｇｓａ ａ ｌ－ｔｙｄｂ ｉ ｅ ｕ ｏ ｄ ）
ｓ ｙ ｔ ｅ ｃ ｎ ｏｉ ａ ｉｎ ｍｏ ｅ ｃ ｎ ｎ ｔｂ ｓ ｄ ａ ，ｈ ｏ ｓ ｌ ｔ ｄ ａ ｏ ｅ ｕ ｅ ． ｄ ｏ
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０ 引 言
随 着 桩 基 础 在 一 些 大 型 越 江 跨 海 大 桥 中 的 应 用 ， 基 桥 梁 的抗 震 性 能越 来 越 为人 们 所关 注。 桩 桩一 土一 结构 相互 作 用 问题亦 成 为结 构抗 震设 计 理 论研究 的热点 课题 。 国内外就 结构 一 地基 相互 作 用 对结 构地 震反 应 的影 响进 行 了多 方 面 的研 究 ， 要 主 有理 论研 究 、 算 分 析 以及 试 验 研 究 。范 立 础 在 计
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｂ ｓ ｄ ｏ ｔ ｈ ｔ ｉ ｒ ｔ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ｏ ｉ ｅ ｔ ｕｏ ｇ Ｙ ｎ ｔ ｖ ｒＨｉｈ ａ ｒｄ ｅ ｔｅ ｓｏ ｈ ｓ ｉ ｅ ｓ ｃｒ ｓ ｏ ｓ ｓｒ ｃ ： ａ ｅ ｎ ｓｏ ａ ｉ ｖ ｂ ａ ｉ ｏ ｙａ ｄ ｃ ｍｂ ｎ ｄ ｗｉ Ｓ ｔｎ ａ ｇ ｚ Ｒｉｅ ｇ ｗ ｙ Ｂ ｉ ｇ ，ｈ ｔｃ ａ ｔ ｓ ｉｍｉ ｅ ｐ ｎ ｅ ｃ ｓ ｃ ｏ ｈ ｈ ｅ ｃ
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结构-桩-土相互作用体系抗震性能的研究摘要：现有抗震设计方法都是把上部结构与地基基础作为两个独立的系统分开考虑，而忽略了结构地基的相互作用。
本文基于结构动力学基本原理，结合桩-土-结构相互作用体系振动台试验成果，研究了结构-桩-土相互作用对上部结构顶层加速度反应的影响。
研究结果将对抗震设计和防震减灾具有重要的研究意义。
关键词：抗震设计方法；结构-桩-土；相互作用；上部结构；顶层加速度反应
1 引言
2011年3月11日，日本东北部海域发生9.0级特大地震，给日本带来了惨重的人员伤亡和巨大的经济损失。
这起历史罕见的地震灾害再一次引起了人们对结构抗震设计方法的关注。
目前，国内外建筑抗震设计规范所采用的方法均基于刚性地基假定，即把上部结构与地基基础作为两个独立系统分开考虑，而忽略了上部结构与地基基础的相互作用。
这样的假定只有当采用理想刚性地基时才是正确的。
在实际工程中，当发生地震时，高层建筑、桩基础和地基组成一个复杂的动力体系，在地震波激励下产生相互作用。
地震波通过地基和基础激励上部结构产生振动，而上部结构又将能量反馈到地基和基础上，使整个动力体系处于相互制约、相互影响的变形协调之中[1]。
所以，对于一般地基，特别是软土地基，进行抗震设计时则应考虑上部结构-桩-土相互作用的影响。
2 结构-桩-土相互作用研究理论基础
2.1 结构-地基动力相互作用
地震发生时，从震源发出的地震波,经过场地土传播输入结构体系使其振动，同时，结构体系产生的惯性力如同新的震源又反过来作用于地基，引起新的地振动再次作用于结构体系，这种结构与地基间循环的振动作用称为结构-地基动力相互作用[2]。
结构-地基动力相互作用包含两层含义，一是地基基础对上部结构体系振动特性的影响；二是上部结构对地基基础的影响，即上部结构对底部输入地震波的反馈作用。
2.2 结构-地基动力相互作用的规律
与刚性地基上的结构相比，地震作用下结构-地基动力相互作用的规律一般可归纳为[3]：结构地震反应改变--内力和弹性位移反应改变；结构动力特性改变--自振周期延长，振型改变，阻尼比改变(一般为增加)；地基运动特性改变--接近结构自振频率的分量加强，加速度幅值减少。
2.3 结构-桩-土相互作用研究理论基础
根据结构动力学原理[4]，柱顶位移由柱子的平动、摆动和柱子本身的弹性变形三部分组成，其各量之间的关系如图1所示，即
其中：。
对加速度有：
图1 柱顶加速度反应组成分析
其中：为柱顶总体加速度反应，可通过测点测出；为柱底平
动加速度分量，也可通过测点测出；、由竖向布置的测点测出。
因此，柱子本身的弹性变形引起的加速度分量可由下式计算得到：
3 相互作用体系上部结构顶层加速度反应研究
钱德玲课题组[5]在同济大学土木工程防灾国家重点实验室进
行了桩-土-上部结构相互作用体系振动台模型试验，根据上述结构动力学原理，对本次试验上部框架结构顶层加速度反应组成进行分析。
将上部结构顶层加速度作为总体加速度。
因此，上部框架结构顶层总体加速度由桩基平动加速度分量、桩基摆动加速度分量
和上部框架结构变形加速度分量三部分组成。
上部结构顶层加速度各分量的傅氏谱如图2所示。
可以得到以下规律：
（1）上部框架结构顶层加速度反应组成主要取决于桩基平动刚度、桩基转动刚度和上部结构刚度图2 上部结构顶层加速度各分量的傅氏谱
各自所占的比重。
试验中由于桩端埋置于较密实的砂土中，使得桩基平动和转动刚度较大，而上部结构刚度相对较小，所以上部结构变形加速度分量所占的比重相对较大。
这与图示相吻合，由图2可以看出，上部结构顶层加速度主要由上部结构变形加速度分量组成，其次是桩基转动引起的摆动加速度分量和桩基平动加速度分量。
这说明与其他基础形式相比，桩基础能充分发挥桩-土相互作用的潜能，具有良好的抗震性能。
（2）由图2还可以看出，随着输入地震波加速度峰值的增大，各加速度分量的频谱组成由高频向低频移动。
试验中当地基土发生液化，非线性发展，桩基的转动刚度和平动刚度下降较大，上部结构裂缝非常细小，相对而言刚度下降较小。
这与图中摆动加速度分量和平动加速度分量向低频移动最为明显的结论一致。
这表明液化降低了桩-土相互作用的潜能，削弱了结构的抗震性能。
4 结论
日本东北部海域特大地震引起了作者对结构抗震设计方法的思考，指出抗震设计规范中把结构、地基基础作为两个独立的系统分开考虑忽略了结构-地基相互作用的影响，提出对于一般地基，特别是软土地基，进行抗震设计时则应考虑上部结构-桩-土相互作用的影响。
以结构动力学基本原理为基础，并结合桩-土-结构相互作用体系振动台试验研究了结构-桩-土相互作用对上部结构顶层加速度反应的影响，得出如下结论：
（1）上部框架结构顶层加速度反应组成主要取决于桩基平动刚度、桩基转动刚度和上部结构刚度各自所占的比重。
试验中由于桩端埋置于较密实的砂土中，使得桩基平动和转动刚度较大，而上部结构刚度相对较小，所以上部结构变形加速度分量所占的比重相对较大。
这说明与其他基础形式相比，桩基础能充分发挥桩-土相互作用的潜能，具有良好的抗震性能。
（2）随着输入地震波加速度峰值的增大，各加速度分量的频谱组成由高频向低频移动。
试验中当地基土发生液化，非线性发展，
桩基的转动刚度和平动刚度下降较大，上部结构裂缝非常细小，相对而言刚度下降较小。
这与图中摆动加速度分量和平动加速度分量向低频移动最为明显的结论一致。
这表明液化降低了桩-土相互作用的潜能，削弱了结构的抗震性能。
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