随着经济快速发展,高层建筑甚至超高层建筑的数量与日俱增,人们对建筑功能要求日益多样化,传统的三阶段-两水准抗震设计理念和以刚性地基为假定的结构设计方法已不合时宜,广大工程技术人员和研究人员在实践中逐渐意识到考虑软土地基对结构地震反应影响的必要性。然而,国内外现行规范中尚无针对软土地基与上部结构共同工作的完善设计条文,此方面的相关研究主要为理论研究,缺乏试验验证。基于上述背景,本文对水平地震下软土地基与钢框架结构共同工作性能开展了振动台试验和数值模拟研究,揭示了钢框架结构在多遇地震和罕遇地震作用下考虑不同地基条件时的地震反应差异,给出了考虑软土地基共同工作时钢框架结构地震反应的计算公式。本文首先对振动台试验用的普通Q235钢和砂土两种材料开展了一系列物理性能试验。对普通Q235钢开展标准拉伸试验,获取了材料的弹性模量、屈服强度、极限强度等力学性能参数以及应力-应变曲线。对砂土进行了常规物理性能测试试验,获取了砂土的类别、比重、相对密实度以及颗粒级配曲线。通过直剪试验,获取了砂土的内摩擦角。通过弯曲元测试技术,获取了砂土剪切波速和最大动剪切模量;弯曲元测试结果表明:土体剪切波速随着土体相对密实度的增大而增大。通过室内动三轴试验,获取了砂土的动剪切模量与阻尼比;动三轴试验结果表明:(1)随着土体剪应变增大,动剪切模量减小而阻尼比增大;(2)围压、含水率以及固结比对砂土动力力学性能均有影响;(3)Davidenkov地基模型与动三轴试验结果吻合较好。普通Q235钢和砂土两种材料力学性能试验结果为后续有限元分析提供重要的数据。基于材料力学性能试验结果,本文采用EL波、Kobe波及Taft波三条地震波,分别对层状剪切型土箱、自由场地以及刚性地基与软土地基下缩尺比例为1:10的钢框架结构开展了从小到大多种地震波幅值激励的振动台试验。试验主要考察了地震波时域、频域特征和刚性地基与软土地基对结构地震反应的影响。通过层状剪切型土箱的振动台试验,获取了其自振频率与阻尼比;通过自由场地振动台试验,获取了地震波的时域和频域在土体传播过程中的变化规律;通过刚性地基和软土地基下钢框架结构的振动台试验,获取了钢框架结构的自振频率与阻尼比、加速度反应和层间位移反应;振动台试验结果表明:(1)本文加工制作的层状剪切型土箱能够较好地满足土体无限域的要求;(2)软土地基对地震波时域有双重影响,而对地震波频域则是低频放大、高频减小;(3)软土地基与钢框架结构存在相互影响,钢框架结构减小了软土地基的地震反应,而带软土地基的钢框架结构自振周期延长、阻尼变大、结构加速度与层间位移发生改变。采用ABAQUS有限元软件,对土体多种边界进行模拟与对比,结果表明:粘弹性边界能较好地满足土体无限域要求。与此同时,推导了基于粘弹性边界的地震波输入方法,将地震波位移时程转化为等效地震载荷时程。基于ABAQUS二次开发平台,采用Fortran语言开发了土体等效线性黏弹性本构模型;利用MATLAB编程调用Python程序实现土体自动化等效线性迭代计算。基于上述有关的土体边界、地震波的输入方法和土体本构模型,分别对刚性地基和软土地基下钢框架结构开展了动力时程有限元数值模拟分析,将数值结果与试验结果进行对比分析,进而验证了刚性地基-钢框架结构和软土地基-钢框架结构有限元模型的准确性;与此同时,采用自由场地振动台试验结果验证了EERA自由场地地震反应模型的准确性,为后续的自由场地、刚性地基和软土地基下钢框架结构地震反应的参数化分析做了铺垫。基于已验证的EERA自由场地地震反应模型,本文首先对影响自由场地中地震波传播的两个因素(场地剪切波速和覆盖层厚度)进行了参数化动力时程分析,结果表明:(1)土体对地震波的放大和隔震双重作用与场地剪切波速和覆盖层厚度有关。(2)土体对地震波频域具有低频放大和高频减小的功能,且场地剪切波速越小,覆盖层厚度越大,此种功能就越显著。基于已验证的刚性地基-钢框架结构和软土地基-钢框架结构有限元模型,本文对影响软土地基-钢框架结构共同工作性能的三个重要因素(地震波、软土地基刚度、钢框架结构刚度)开展了参数化动力时程分析,结果表明:(1)软土地基使结构自振频率减小,阻尼增大,且软土地基剪切波速(地基刚度)越小,结构自振频率越低;(2)结构层间剪力放大倍数和层间位移在刚性地基和软土地基下沿结构高度变化趋势一致,且软土地基下结构层间剪力放大倍数与层间位移均大于刚性地基;(3)结构地震反应(结构模态、加速度、层间剪力和层间位移)与地震波的时域和频域特征、钢框架结构刚度、软土地基刚度等三个因素紧密相关,且三个因素彼此耦合。结合现行规范,引入刚度比概念,通过数值模拟分析,分别提出考虑软土地基共同工作时钢框架结构的附加周期、层间位移调整系数与刚度比的拟合计算公式,从而量化考虑软土地基对结构地震反应(自振周期、层间位移)的影响;将拟合公式计算结果与试验结果对比分析,验证了拟合计算公式的准确性,为水平地震下软土地基与钢框架结构共同工作性能的后续研究提供了重要的理论基础。