本文通过简化的总结与详尽分析，为华文读者提供一篇关于《Ocean Engineering》期刊2023年发表的题为“Special-Shape Similitude Law of a Soil–Pile–Structure Model for Centrifuge Shaking Table Tests”的研究论文的学术报道，以下从研究背景、工作流程、结果与结论等各方面具体阐述这一创新的工程研究。

研究背景及动机

这篇文章由Yu Chen、Yang Lv、Kun Wu、Xin Huang及Yun-Dong Shi共同完成，发表于《Ocean Engineering》286卷，2023年9月1日上线。研究主旨是创新性提出一种针对离心振动台试验的新型特殊形状相似律（Special-Shape Similitude Law），旨在改进现有技术，精确模拟土-桩-结构系统在地震荷载下的动态响应。

随着海洋工程建设的增加，例如桥梁、码头和海上油气平台等桩基结构，其在地震作用下的动态响应研究愈加重要。这类结构的振动特性深受土-桩相互作用（Soil-Pile Interaction）影响，因此在设计和分析中需要精确考量这些相互作用机制。离心振动台试验作为一种关键的研究方法，通过缩小原型结构尺寸以建立试验模型，模拟原型实际受力状态。然而，传统相似律在涉及土体和结构的物理参量时存在模拟困难。例如，当采用铝合金模拟钢筋混凝土时，为了满足刚度相似比例，通常需要复杂的结构削减，如中空铸造等，这无疑增加了制造和安装的复杂性。为解决此技术难点，作者提出特殊形状相似律，通过改变水平方向几何比例，为离心振动台试验模型设计提供新的思路。

研究目标

本文的研究目标包括： 1. 提出并验证一种特殊形状相似律，用以改进传统离心振动台试验中土-桩-结构系统的模型设计。 2. 分析该特殊形状相似律在动态特性模拟（例如频率）和地震响应预测中的精确性。 3. 探讨该方法在不同地基条件及地震强度条件下的普适性与可靠性。

研究方法与流程

研究由以下几个阶段构成。以下细述每个环节的内容、使用的模型、实验方法以及创新亮点。

1. 建立相似律理论框架

作者首先基于土体和结构的动态平衡方程，推导特殊形状相似律的物理量关系式。与传统方法相区别，该相似律针对结构在水平振动方向的几何相似比例单独调整，而在其他方向保持一致。通过改变模型的水平方向动态刚度相似比例以实现与原型一致的振动特性，避免了传统方法需要挖空固体结构内部的制造难题。此外，文章通过理论公式证明： - 在水平方向，几何相似比例由弹性模量和质量密度等物理参量共同决定。 - 土体和结构的相似比例满足动态力平衡条件，即惯性力和土体反力的相似性。

2. 数值分析与测试验证

研究选择双跨连续梁桥桩基桥墩作为试验原型，使用有限元仿真软件LS-DYNA建立数值模型，并对比验证。具体来说： - 原型设计参数：桥墩由钢筋混凝土建造，高17.0米，桥桩4根，每根截面为0.9米×0.9米。 - 模型材料：模拟材料铝合金，密度2600 kg/m³，较原型钢筋混凝土的弹性模量更高（70 GPa vs. 35 GPa）。土体参数保持一致。 - 测试内容验证：通过离心振动台实验，利用实际的地震波（El Centro地震波）对数值模拟方法进行验证，计算桥墩顶部位移、底部弯矩和桩中部土压力等关键响应值，其相对误差均在有效范围内（小于10%）。

3. 特殊形状相似模型与传统模型比较

文章分别根据特殊形状相似律和传统相似律设计两种缩尺模型，并通过数值模拟计算对比两者的动态响应精度： - 时间历程对比：在多次地震波（El Centro、Loma Prieta及人工地震波）输入下，重点分析模型在桩与土的界面应力、桥墩的弯矩及位移等响应值。 - 分析结果：特殊形状相似模型的预估值整体精度更高，尤其在土-桩交界土压力的预测中，误差较传统模型显著降低。

4. 参数化研究

为验证方法的鲁棒性，进一步考察了以下参数对相似律精度的影响： - 地基强度：针对软黏土、中密砂与密实砂三种典型地基，模拟结果显示特殊形状相似律在不同地基条件下的误差均保持较低水平（小于11.7%）。 - 地震强度：在不同地震加速度（Peak Ground Acceleration, 0.05 g-0.2 g）下，同样展现了较高的预测稳定性，所有响应值误差均小于10%。

主要研究成果

通过完整的理论推导和数值实验，本文提出的特殊形状相似律在以下方面取得了重要进展： 1. 特殊形状比例调整显著降低了模型制造难度，无需复杂的挖空结构加工工艺； 2. 模型精度显著提升，尤其对土体的动力响应预测具备更高可靠性； 3. 对地基强度和地震强度变化的适应性较强，具有广泛的工程适用性。

另外，从实验数据支持的角度，动态响应结果（如位移、弯矩、压力）与实际吻合程度高，论证了该方法的理论正确性和实践可行性。

研究意义与应用价值

该研究突破了传统相似律在离心振动台试验中对土-桩-结构耦合系统的局限性，为海洋结构抗震性能优化设计提供了一种高效、可操作的新方法。具体应用价值包括： 1. 工程设计：为海上桥梁、石油平台等桩基结构抗震设计提供实验依据； 2. 实验优化：降低实验模型制造成本与技术要求，便于大规模推广； 3. 模型推广：适用于不同地质条件和地震强度，作为离心振动台领域的重要设计方法。

综上，本文开创性提出的特殊形状相似律在理论推导、数值验证和实验支持等维度均表现出严谨与创新，为抗震工程与离心试验模型设计提供了极具参考意义的研究成果。