Y形柱雙層地鐵車站振動臺試驗研究

2014-11-27 03:19:00陶連金吳秉林李積棟李書龍

鐵道建筑 2014年9期

陶連金，吳秉林，李積棟，李書龍，王軻

(北京工業大學城市與工程安全減災教育部重點試驗室，北京 100124)

同地上結構相比，地下結構一般被認為是抗震性能較好的結構［1-2］。自1995年阪神地震對地下結構首次產生嚴重破壞以來，許多學者通過振動臺試驗等方法對典型地鐵車站抗震薄弱環節、埋深的影響及多層地震響應規律進行了深入研究。對地下結構而言中柱是最薄弱的部位，地震作用下首先遭受破壞，地震作用使中柱存在很大的動力損傷［3-6］，文獻［7-8］進行了地下結構振動臺試驗，發現淺層結構在地震中比深埋結構更易遭到破壞，多層地下結構在地震作用時頂層破壞最為嚴重，底層破壞最輕，以上均是針對典型地鐵車站的試驗研究。隨著地鐵施工技術的成熟，地鐵車站的結構形式必將越發多樣，寬柱距、大跨度與異形柱等地鐵車站結構形式未來將出現在地鐵車站中，但針對異形柱地鐵車站的地震動響應規律的振動臺試驗研究卻少見報道。

本文以北京地鐵6號線2期新華大街站為研究對象，對大跨度淺埋Y形柱雙層地鐵車站進行振動臺試驗研究，探討其在不同地震條件下的地震動響應規律，為未來異形柱的抗震設計提供參考。

1 模型試驗設計

1.1 試驗模型與模型箱

圖1 模型箱

為了控制土體剪切變形及模型箱的邊界效應，模型箱采用柔性剪切箱，如圖1所示。模型箱沿振動方向尺寸為2.5 m，垂直振動方向為1.5 m，凈高1.2 m，在箱體四周粘貼橡膠，減小波動能量在土體邊界產生反射與散射［9-10］。

按車站實際情況，結構模型選取矩形斷面，中柱采取Y形柱，如圖2所示。采用鍍鋅鋼絲模擬鋼筋并澆筑微粒混凝土制作車站模型，Y形柱采用內部澆筑混凝土的圓鋼管，根據模型幾何相似比，模型結構尺寸長寬高分別為 860，820與 380 mm，Y形柱直徑為30 mm，頂板厚20 mm，側壁厚20 mm。在試驗輸入地震波前，將模型土在配重下充分壓實。

圖2 車站結構模型

1.2 相似比

由于土體的非線性，振動臺試驗模型完全滿足相似律是不現實的［11］。考慮作業空間限制并遵循模型相似設計基本原則［12］，車站結構模型幾何尺寸相似比設為1/50，采用的土體為施工現場原狀土，車站結構模型采用的微粒混凝土與實際車站混凝土材料密度基本一致，質量密度相似比為1∶1，設彈性模量相似比為1/4，根據相似三定律，可推出各物理量動力相似系數，見表1。

表1 各物理量動力相似關系

1.3 測點布置

為研究土與結構相互作用加速度反應規律，土中埋設加速度計23個，結構上布置加速度計12個，在土體中距模型箱底板距離 12，42，68，83，98，107 cm 的位置分別布設6排加速度傳感器，如圖3所示。高向宇等［13］研究表明Y形柱分叉點處是抗震薄弱環節，宜對該區域著重進行觀測，Y形柱上粘貼10片應變片，邊墻粘貼4片，如圖4所示。為防止傳感器受潮影響數據記錄，應變片上使用914膠水涂抹覆蓋，加速度計表面用塑料薄膜包裹并粘貼膠布固定對其防潮處理。采集傳感器編號YA表示Y形柱加速度計，JA表示邊墻與板上加速度計，Y表示 Y形柱應變，S表示邊墻應變。

圖3 加速度傳感器布置

圖4 應變片布置

1.4 加載工況

試驗中地震波分別采用新華大街人工波和阪神波，采用單向多次加載制度，輸入地震動量級逐漸增加，加載地震波峰值分別為0.1g，0.3g，0.5g與0.8g，共4個工況，激振前輸入白噪聲進行土體壓密，在每次工況前使用0.05g白噪聲進行掃描，以檢測模型動力特性變化。

2 試驗結果分析

2.1 土層中地震動傳播

陳國興等［14］研究表明，地震作用下地基土表現出低頻放大效應。為詳細描述加速度放大效果，在此定義加速度放大系數的概念，即指土體各測點峰值加速度與振動臺臺面測點峰值加速度之比。臺面峰值加速度見表2。

表2 各工況振動臺臺面峰值加速度 g

1)隨著地震能量的增加，各測點峰值加速度亦增加(如表3與表4所示)。表3、表4還顯示:①在輸入同一地震波時，深埋測點的峰值加速度小于淺埋測點的加速度，不同峰值加速度人工波作用下，測點A23比點A3的峰值加速度大40%以上，即相同地震波下，隨著埋深的減小，測點的峰值加速度增加;②輸入相同峰值加速度的地震波，阪神波時測點加速度反應大于人工波時加速度反應。

2)在不同工況下，各測點加速度放大系數基本都＞1，如圖5所示。圖5還顯示:①地震波加速度峰值為0.1g時放大系數明顯大于其他輸入地震動量級;②隨著輸入地震動量級增加，模型箱底部測點出現加速度放大系數＜1的情況，是由于地震動量級較大時，底部土體與箱底部粗糙面產生的摩擦力偏小從而產生相對位移運動所致;③與結構模型埋深一致的測點A11，A15與A19的加速度放大系數曲線并沒有因為結構模型的存在而產生劇烈變化。

表3 輸入新華大街人工波時各測點峰值加速度 g

表4 輸入阪神波時各測點峰值加速度g

圖5 土體中測點加速度放大系數

2.2 結構中地震動傳播

1)各測點峰值加速度隨著地震動量級的增加而增大，如表5與表6所示。表5、表6還顯示:①相同地震波下，隨著埋深的減小測點峰值加速度增大，相同埋深測點的峰值加速度接近;②在相同加速度峰值下，阪神波時監測點的加速度反應大于人工波時的加速度反應。

表5 輸入新華大街人工波時Y形柱各測點峰值加速度 g

表6 輸入阪神波時Y形柱各測點峰值加速度 g

2)以車站模型底部為基準面，距結構底板距離與測點加速度放大系數關系曲線如圖6所示。可以看出:①加速度峰值較小時，加速度放大效果明顯，如當輸入0.1g阪神波時，各測點放大系數＞1.4;②隨著地震動量級的增加，加速度放大系數逐漸減小;③Y形柱頂部加速度放大系數最大，底部放大系數最小，即隨著距結構底板距離增加加速度放大系數增加。

3)邊墻一側受周圍土體的限制，另一側受限制很小，僅有板的約束作用，地震波傳到車站邊墻時，產生反射與折射，試驗得出邊墻在地震波下加速度數據，見表7與表8。可以看出:①相同地震波下，邊墻頂部的峰值加速度反應最大，中部次之，底部加速度反應最小，即頂部加速度反應＞中部加速度反應＞底部加速度反應，這與周邊土中測點反應規律一致;②相同地震動時，輸入阪神波測點加速度反應大于人工波時加速度反應。

圖6 Y形柱各測點加速度放大系數變化折線

表7 輸入新華大街人工波時邊墻各測點峰值加速度 g

表8 輸入阪神波時邊墻各測點峰值加速度 g

不同工況板上各點加速度放大系數與距結構底板距離之間的關系曲線如圖7所示。可見相同地震波下，邊墻頂部放大系數最大，中部次之，底部最小，與邊墻加速度反應規律一致，在地震動量級較小時底部與頂部的差距比較明顯;隨著地震動量級的增加，加速度放大系數減小。

4)在結構的頂板、中板與底板上各布置1個加速度計，不同工況下測點峰值加速度見表9與表10。可見相同地震波作用下，頂板峰值加速度＞底板峰值加速度＞中板峰值加速度，中板與底板之間加速度反應相差不大;阪神波下板的加速度反應大于人工波時加速度反應。

圖7 邊墻各測點加速度放大系數變化折線

表9 輸入人工波時板上各測點峰值加速度 g

表10 輸入阪神波時板上各測點峰值加速度 g

2.3 應變分析

1)在測點布置圖Y形柱旁邊畫一條豎線，對應位置標出監測點，并將應變幅值大小以水平線長短表示，畫出人工波加速度峰值0.5g時應變幅值曲線，如圖8(a)所示;輸入阪神波不同加速度峰值時各測點應變幅值曲線，如圖8(b)所示。圖形顯示:①雙層地鐵車站Y形柱應變幅值下層應變大于上層應變;②相同地震波下，隨著埋深的增加Y形柱應變幅值增加;③Y形柱分叉點位置及其上部應變幅值很小，輸入地震動量級較小時，Y1，Y3與Y5的應變比較接近，隨著地震動量級增加，三者的應變幅值差距增大;④隨著地震波加速度峰值增加，測點應變幅值增加，0.8g時應變幅值最大。