地鐵地下車站結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特性振動臺試驗研究

李浩彬+扶曉康

摘 要：隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，城市規(guī)模日益擴大，地面空間和交通問題是影響城市發(fā)展的一個重要因素，建立地下交通體系已成為解決城市空間問題的一個十分有效的途徑。近年來的地震災(zāi)害現(xiàn)象表明，地下結(jié)構(gòu)在強地震作用下可能會出現(xiàn)嚴重的震害及次生災(zāi)害，城市大型地下工程的抗震安全性已成為倍受關(guān)注的社會問題之一。為此，本文主要對地鐵地下車站結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特性振動臺試驗進行了分析與探討。

關(guān)鍵詞：地鐵地下車站結(jié)構(gòu)；地震反應(yīng)特性；振動臺試驗

一、土-結(jié)構(gòu)相互作用的地鐵地下車站結(jié)構(gòu)模型

將地基土-地鐵地下車站結(jié)構(gòu)體系作為二維平面問題來分析，采用等效剛度法將圓形中柱等效成厚度為0.8m的連續(xù)墻.三層三跨地鐵車站結(jié)構(gòu)寬度為21.1 m，高度為17.4 m，結(jié)構(gòu)上覆土層厚度為3.6 m.地基的計算寬度為200 m ，基巖面為地震波輸入邊界，地基土的邊界采用黏彈性人工邊界，土體網(wǎng)格的大小從邊界到結(jié)構(gòu)逐步加密，劃分體系的有限元網(wǎng)格?；炷恋膭恿Ρ緲?gòu)模型采用動塑性損傷模型，選取有代表性的場地作為研究車站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特性的場地條件，土的動力本構(gòu)模型采用基于Davidenkov 骨架曲線的動力黏彈性模型。以近斷層地震動Northridge 波、Chichi波和中遠場地震動Taft 波作為整個體系的水平向輸入地震動，在計算時將地震動的峰值加速度分別調(diào)整為0.1g 和0.2g.

1、加速度時程分析

隨埋深的增加，土體內(nèi)各點的峰值加速度越來越小，峰值加速度減小的幅度越來越大；隨著埋深的增加，頻率的振幅與加速度峰值變化趨勢相似。側(cè)墻各點的正負極值出現(xiàn)的時刻相同，這說明各點會一起運動：頻率的振幅也有與加速度相同的規(guī)律。中柱的加速度變化規(guī)律與側(cè)墻的相似。土體中加速度峰值要比結(jié)構(gòu)上的加速度峰值大：隨著埋深的增加，兩者的差值也逐漸變大；頻率的振幅也有相同的規(guī)律。這說明結(jié)構(gòu)與土存在相互作用，即土會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的推力。隨著輸入地震波的強度增加，峰值加速度的放大倍數(shù)基本不變，頻率的振幅則增加。頻率隨著輸入地震波強度的增加而減小，這說明模型產(chǎn)生了細小的損傷，而使其剛度減小，頻率振幅大于結(jié)構(gòu)上頻率振幅。

2、應(yīng)變分析

中柱底端的應(yīng)變時程曲線與輸入波形非常相似，而在中柱頂端的應(yīng)變與輸入波形有區(qū)別。中柱頂端的應(yīng)變峰值要大于底端的應(yīng)變峰值，但在頂端的應(yīng)變基本上一直保持在一個方向，而底端的應(yīng)變則隨地震波波形的變化而在正負方向來回變化。在發(fā)生反復(fù)運動時，混凝土材料更容易發(fā)生破壞。

二、振動臺實驗技術(shù)

振動模型試驗是研究地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)與抗震性能的重要途徑，主要包括普通振動臺試驗和離心機振動臺試驗。普通振動臺試驗是目前應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)抗震試驗方法，近年來，國內(nèi)學者對地鐵等地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)進行過多次振動臺試驗研究，取得了一定的研究成果。但普通振動臺模型試驗是在1g的重力加速度環(huán)境下進行的，由于模型與原型相比幾何尺寸縮小到幾分之一，因此在正常重力條件下，模型的應(yīng)力水平尤其是自重應(yīng)力水平與原型有一定差距。對于土-結(jié)構(gòu)相互作用系統(tǒng)，由于土體為強非線性材料，其剪切模量為剪應(yīng)變的函數(shù)，應(yīng)力應(yīng)變水平對土體承載力和變形有較大影響，因此振動臺試驗結(jié)果與實際情況相比可能會有一定差距。但是振動臺設(shè)備在國內(nèi)數(shù)目相對較多，這為普通振動臺試驗的開展創(chuàng)造了有利的條件，因此，普通振動臺試驗今后仍將在研究地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)與抗震性能方面發(fā)揮巨大的作用。對于普通振動臺試驗，如何能夠更好地模擬原型結(jié)構(gòu)與原型地基土體的應(yīng)力水平尤其是自重應(yīng)力水平，需要在模型相似設(shè)計、試驗材料選取、配重施加等方面進行深入研究。

離心機振動臺試驗通過增加模型的場加速度，可以模擬出與原型相等或相近的應(yīng)力水平，逼真重現(xiàn)原型的物理特性，在再現(xiàn)動力反應(yīng)、觀測物理機制、檢驗評價方法以及對比設(shè)計方案等方面具有突出的優(yōu)越性，在歐美、日本等發(fā)達國家得到了廣泛的應(yīng)用。目前，動力離心模型試驗技術(shù)已在國內(nèi)巖土工程地震問題的研究中得到應(yīng)用，并取得了良好的效果。

三、振動臺實驗相關(guān)實例

振動臺模型試驗由于尺寸的不足而必然涉及到模型與原型的相似問題，在地鐵地下結(jié)構(gòu)振動臺試驗中相似問題包括：模型結(jié)構(gòu)的相似、土的相似以及土與結(jié)構(gòu)相互作用的相似。進行一般工程結(jié)構(gòu)振動臺試驗時，模型完全相似就難以滿足，再加上土以及地鐵結(jié)構(gòu)與土相互作用相似問題，做到完全滿足相似率的要求就更加困難了，但通常可以根據(jù)研究目的的不同，保證主要參數(shù)滿足相似關(guān)系，或采取相關(guān)技術(shù)措施（采用配重來增加重力加速度）等途徑近似滿足，而次要參數(shù)相似比盡量與主要因素接近。在動力相似方面，以Harris為代表的學者對振動臺上的動力相似理論進行了一系列的研究和探討，發(fā)展了結(jié)構(gòu)動力模型試驗技術(shù)，但國內(nèi)外對于結(jié)構(gòu)-地基相互作用體系的動力相似研究還相對較少，僅呂西林通過對兩種不同縮尺的振動臺試驗對比分析，對其進行了初步探討。

通過對地鐵車站進行振動臺模擬實驗，試驗過程中遇到的技術(shù)難題包括對地鐵車站縱向長度的模擬，場地土的動力特性與地震響應(yīng)的模擬，模型箱的構(gòu)造與邊界效應(yīng)的模擬，以及量測元件設(shè)置位置的優(yōu)選等。

1、模型設(shè)計的相似關(guān)系：

在模型設(shè)計中據(jù)以確定相似關(guān)系的原則選為：

（1） 采用重力失真模型，將主要構(gòu)件的幾何相似比及主要材料的彈性模量相似比和質(zhì)量密度相似比作為模型設(shè)計的獨立參數(shù)。

（2） 土和結(jié)構(gòu)遵循相同的相似比例關(guān)系，使模型系統(tǒng)可在一定程度上反應(yīng)原型系統(tǒng)中土與結(jié)構(gòu)相互作用的特性。

（3） 確定模型相似關(guān)系時同時考慮振動臺的性能、制作模型的條件、試驗室起吊設(shè)備的能力和模型安裝工藝要求等因素對試驗實施的制約。

2、模型土的配制

根據(jù)某地鐵車站穿越的主要土層特性，本次試驗將淤泥質(zhì)粘土選為原型土，據(jù)此配制模型土。試驗開始前，對獲得模型土優(yōu)化配比的途徑進行了研究，結(jié)論主要包括：

（1） 應(yīng)力求在最大動剪切模量值和動剪切模量與動剪應(yīng)變間關(guān)系曲線的變化規(guī)律兩方面使模型土與原狀土盡量相似。

（2） 鑒于塑性指數(shù)是關(guān)鍵影響因素，試驗過程擬主要注意塑性指數(shù)的變化對土動力特性產(chǎn)生影響的規(guī)律。

（3） 針對褐黃色粉質(zhì)粘土的特性，探索通過控制摻水量及其密實度調(diào)整最大動剪切模量值的途徑。

3、結(jié)構(gòu)模型的制作

試驗分自由場振動臺模型試驗、典型地鐵車站結(jié)構(gòu)和地鐵車站接頭結(jié)構(gòu)振動臺模型試驗3 種。試驗過程中，首先進行了自由場振動臺模型試驗，用以模擬自由場地土層的地震反應(yīng)，據(jù)此獲得模型箱內(nèi)不同位置處的土的加速度響應(yīng)，確定“邊界效應(yīng)”的影響程度和鑒別模型箱構(gòu)造的合理性；然后通過典型地鐵車站結(jié)構(gòu)振動臺模型試驗了解地鐵車站結(jié)構(gòu)與土共同作用時地震動反應(yīng)的規(guī)律與特征，為建立地鐵車站地震響應(yīng)的分析理論和計算方法提供試驗數(shù)據(jù)。

4、實驗過程及結(jié)果

振動臺模型試驗記錄了在不同荷載級別的EI-Centro波、人工波和正弦波激振下，加速度測點傳感器的反應(yīng)，依據(jù)記錄結(jié)果繪出了各加載工況下的加速度反應(yīng)時程圖，并通過對其做富氏譜變換（ FFT） 得到了與之相應(yīng)的測點的富氏譜；由動土壓力傳感器，得到了各測點在不同加載工況下的動土壓力反應(yīng)時程圖；根據(jù)結(jié)構(gòu)模型構(gòu)件上布置的應(yīng)變片，測得了構(gòu)件應(yīng)變的變化。實驗計算方法采用反應(yīng)位移法，在此不再贅述。

模擬實驗證明：計算模型可較好地模擬模型土的動力特性、地鐵車站與土體的動力相互作用，及地鐵車站結(jié)構(gòu)模型的動力響應(yīng)特點. 該方法較好地模擬了地鐵車站的地震響應(yīng)，可供工程設(shè)計實踐參考。

四、結(jié)束語

總之，近幾年來隨著城市人口的迅速增長，城市交通擁擠問題越來越嚴重，地鐵是解決城市交通問題的重要途徑之一。然而，大量的震害表明：地鐵等地下結(jié)構(gòu)并非如人們想象的那么安全可靠，也會在地震等動荷載下遭受破壞和坍塌。因此，研究土-地下結(jié)構(gòu)的動接觸問題、粘彈性動力人工邊界與基線漂移及其在有限元中的實現(xiàn)，并結(jié)合具體地鐵車站區(qū)間隧道進行地下結(jié)構(gòu)地震數(shù)值模擬，分析地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，對地鐵等地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計具有重要的意義。

參考文獻

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