有限元直接法或称为整体式方法是进行地震作用下土-结构相互作用分析的常用数值方法。目前存在如下两点问题:一是对于土体采用弹塑性本构模型的非线性土-结构相互作用分析,自由场含量通常远大于散射场含量,自由场由场地反应确定,场地反应计算准确性直接决定土-结构相互作用分析的准确性,场地反应采用SHAKE等一维场地分析软件将导致与弹塑性本构模型计算不一致的自由场结果,采用土-结构相互作用分析软件需要较大计算模型导致计算效率低;二是对于位于深厚土层中浅埋结构的土-结构相互作用分析,建立整个土层的有限元进行分析导致模型自由度数目多计算成本高,尤其对于三维非线性问题。本文针对上述两方面问题,提出解决方案,改进和完善土-结构相互作用分析的有限元直接法,具体研究内容如下:1.针对第一个问题,改进非线性土-结构相互作用分析的有限元直接法。提出一种仅采用一列二维或者三维有限单元并且每层单元附加无旋转刚体约束计算场地反应的分析方法,该方法可以与土-结构相互作用分析采用相同的有限元软件和土体本构模型,能够获得准确的自由场反应;由于散射场含量较少,仍然采用线弹性条件下的黏弹性边界模拟非线性土-结构相互作用分析中的散射场。数值试验表明,改进的有限元直接法的计算精度高于直接强制自由场荷载的土-结构相互作用分析结果的精度并且远高于输入线弹性自由场的分析结果的精度。2.针对第二个问题,改进深厚土层-结构相互作用分析的有限元直接法。提出将土-结构相互作用模型的底边界面从深厚土层底面向上移动至接近结构水平位置的高效分析策略,上移的底边界面可以采用刚性或者柔性两种处理方式,刚性处理方式直接在上移后的底边界强制相同位置的场地反应,柔性处理方式采用相同位置的场地反应结合黏弹性边界的输入方式。通过数值试验对比分析了两种处理方式的计算精度,研究表明柔性处理方式具有较高精度,满足工程精度要求。3.比较了土-结构相互作用分析中四种侧面人工边界处理方式的计算精度,即黏弹性边界结合场地反应、强制场地反应位移、自由、绑定两侧边界,研究表明黏弹性边界结合场地反应的计算精度最高;针对黏弹性边界结合场地反应输入方式,讨论了侧面人工边界位置的选择,研究了不同误差评判标准、土体阻尼比、结构尺寸和地震动的影响。