十字交叉型地鐵車站結構的振動臺試驗研究

于仲洋，張鴻儒，邱滟佳，張 然，李 昊

(1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；2.北京交通大學 城市地下工程教育部重點實驗室，北京 100044)

以往研究表明地下結構受到周圍土體的約束作用，抗震性能普遍優于地面結構[1-2]。而隨著近些年地下軌道交通的快速發展，越來越多的地下工程遭遇地震，損傷破壞時有發生，特別是1995年日本阪神大地震[3-4]和2008年汶川大地震[5-6]中均發生了地下工程的嚴重破壞。上述損傷破壞現象使得地下工程抗震研究成為近些年來的熱點課題，因此了解并提高各類地鐵車站結構的抗震性能是非常重要且有意義的[7]。

現階段在地鐵車站結構抗震研究中主要采用震害實例調查、動力模型試驗以及數值模擬分析幾類方法[8-9]。其中，振動臺試驗作為最重要的一種模型試驗方法，其優勢在于可以自主的改變外部條件，相比于震害調查更有利于規律性研究，試驗實測數據和試驗現象更加真實、直觀，相比于數值模擬分析也更加可靠。Iwatat等[10]利用振動臺試驗詮釋了阪神地震中地鐵車站結構的破壞機理，表明地下結構受到周圍土體的水平力作用產生剪切變形，中柱與頂、底板的鉸接比固接更有利于減輕中柱的破壞。陶連金等[11]以北京地區的典型地鐵車站結構為背景，分析了振動臺試驗中模型相似比設計、模型箱設計、結構模型與模型土制備、試驗測點布置、試驗加載工況等的一系列問題。陳國興等[12]以南京地區細砂土層為背景，通過振動臺試驗探究了可液化場地條件下的車站結構的動力響應規律，為地鐵車站結構的抗震研究提供了基礎性的試驗數據。孫海峰等[13]利用振動臺試驗探究了兩層三跨和三層三跨地下結構在黏土層和可液化砂土層中的地震響應規律，初步揭示了地下結構的震害機理和破壞模式，表明地下結構震害往往以結構中柱柱頂、頂板與側墻連接處的破壞為主，并且破壞程度隨埋深的減小而增大。李積棟等[14]開展了近遠場地震動作用下密貼交叉組合地鐵車站的振動臺試驗，與傳統單體車站對比表明由于上下兩個交叉車站結構間的相互作用導致車站底板應變幅值大于頂板，側墻結構下端應變幅值均大于上端。Chen等[15]利用振動臺試驗探究了在軟土和液化土條件下不規則斷面的地鐵車站結構的地震響應規律，結果表明與液化土場地相比，軟土場地條件下車站結構的地震響應和損傷破壞更為明顯；軟土場地中車站結構側移變形更大，車站中柱也更容易發生破壞，結構構件相應的峰值應變和殘余應變也均高于可液化場地中的構件。Chen等[16]利用振動臺試驗分析了兩層三跨地鐵車站及區間隧道結構在微傾斜(傾角為6°)的可液化場地中地震響應規律，結果表明地鐵車站周圍兩側的土體液化具有明顯的非對稱分布特性；與水平層狀場地條件進行對比，表明了在微傾斜場地條件下地鐵車站結構應變響應規律以及車站結構非均勻上浮的機理。

綜上所述，近些年學者們針對地鐵車站結構利用振動臺試驗的方法開展了一些研究[17-21]，但是目前仍然存在一些問題。受到試驗設備、模型制作難度等問題的影響，以往的大部分研究僅針對斷面形式簡單的地鐵車站結構進行振動臺試驗，還從未見過有關大型的復雜地鐵車站組合體結構的振動臺試驗研究。而隨著近些年地下軌道交通網絡愈發復雜，出現了大量的復雜地鐵車站結構，揭示此類結構的地震響應特性除了需要考慮結構與周圍土層間相互作用外，結構與結構間的動力相互作用也起到至關重要的作用，而這方面的課題以往研究極少[22-24]。

鑒于此，本文首次利用振動臺試驗的手段探究十字交叉型地鐵車站結構的抗震性能，通過試驗結果揭示地震動在場地中的傳播特性以及十字交叉型車站結構的地震響應特性，尤其是車站交叉換乘連接段對車站整體結構的抗震性能的影響問題。試驗結論可為后續該類型地鐵車站的抗震設計提供有效參考。

1 振動臺試驗

1.1 試驗裝置

試驗在中國地震局工程力學所恢先實驗室中進行，該振動臺系統指標如表1所示。試驗采用層疊剪切模型箱，箱長3.7 m、寬2.4 m、高度1.7 m；模型箱是由15層矩形框架拼裝而成，各層間設置滾動軸承，兩側設置立柱和限位框架用于提高試驗精度，如圖1所示。孫海峰等[25-27]已對此模型箱的設計、動力性能以及邊界效應影響等問題進行過測試，證明該模型箱能夠有效地完成地下結構的振動臺試驗。

表1 振動臺系統指標Tab.1 Parameters of shaking table system

圖1 模型箱Fig.1 Model box

1.2 模型相似比設計

表2 模型相似比Tab.2 Similarity ratio of the model

1.3 模型制備

結構模型以典型的十字交叉型地鐵車站結構為原型，模型俯視圖呈十字型，兩個方向的結構斷面分別為三層三跨的結構斷面與兩層三跨的結構斷面。考慮到臺面尺寸限制，在模型制備過程中對車站結構進行了簡化處理，去掉不必要的附屬結構。結構模型實物圖如圖2所示，結構模型斷面尺寸如圖3所示。

圖2 十字交叉型車站結構模型Fig.2 Cross station structure model

圖3 模型尺寸(mm)Fig.3 Model sizes(mm)

試驗中結構模型的尺寸較小，鋼筋混凝土構件制作復雜且很難保證質量，尤其是模型中的鋼筋特性基本失真。因此，在參考現有部分振動臺試驗[29-30]條件下，選擇有機玻璃作為本次試驗的結構模型材料，參數如表3所示。有機玻璃相比于微粒混凝土材料加工制作更容易，較低的彈性模量更有利于相似比設計；與此同時，試驗不涉及結構模型損傷破壞方面的研究，因此有機玻璃較高的材料強度并不妨礙試驗研究目的。另外，為了減小模型箱邊界效應對試驗結果的影響，在箱內壁固定預制20 mm的橡膠膜，通過還原文獻[31]中條件有效地降低橫向邊界效應的影響。研究表明：邊界對結構端部的影響范圍基本在2/3倍的結構寬度以內，因此模型箱的縱向邊界不會對交叉換乘連接段的影響范圍產生影響。

表3 有機玻璃參數Tab.3 Polymethyl methacrylate parameters

模型土選取某車站施工現場基坑開挖的重塑土，利用分層壓實法進行填土夯實，完成后固結24 h。模型土的總厚度取1.54 m，結構埋深的厚度取0.1 m。裝箱完成后對不同深度的模型土進行取樣，通過室內試驗測試土樣參數，如表4所示。

表4 土層參數Tab.4 Soil parameters

1.4 試驗加載工況

選取Kobe波、El-Centro波、Landers波、汶川波、北京人工合成波五條地震波作為輸入地震動，原始波型如圖4所示。輸入地震動強度由小到大，能量由小到大逐級加載，加載工況如表5所示。

(a) Kobe波時程曲線

表5 加載工況Tab.5 Loading conditions

2 試驗結果分析

本節圍繞地震動在場地中的傳播特性以及十字交叉型車站結構的動力變形特性兩部分內容展開。其中，加速度放大系數是指各測點與底部測點的加速度響應峰值比值；采用半橋接法在縱向車站結構構件的內外兩側豎向粘貼應變片。本節試驗數據均已經過濾波處理，除去了噪聲影響。

2.1 土層加速度響應分析

本次試驗設置一個豎向的加速度觀測軸面用于探究地震動在場地中的傳播特性，如圖5所示。試驗過程中測點A2損壞，其余測點在不同工況條件下的加速度放大系數如圖6所示。

圖5 第一觀測斷面測點布置(mm)Fig.5 Measuring point layout of the first observed surface(mm)

由圖6可知，地震波在土層中傳播呈放大趨勢，盡管不同工況條件下加速度響應放大程度不同，但是土層頂部加速度響應峰值普遍大于底部；在試驗前測得裝土后模型箱的一階頻率約為12.5 Hz，當輸入富含此頻率的Landers波和汶川波時，土層的加速度響應放大程度更加明顯，頂部加速度響應峰值平均被放大了3.35倍，而其他工況下平均被放大了1.51倍，上述試驗現象證明了土層的放大效應和共振效應。由圖6(b)可知，隨著輸入地震動強度的增大，土層的放大效應呈現逐漸減弱的趨勢；該現象主要是由于隨著地震動強度的增大，土層的阻尼也隨之增大(表4)，而過大的阻尼有效地減弱場地的放大效應。

(a) 不同地震波

以工況7(北京人工波)為例，對模型底(A1)、中(A4)、頂(A7)三個測點進行傅里葉變換，繪制各測點的傅氏譜，如圖7所示。

圖7同樣反映了土層的放大效應，隨著埋深的減小，加速度響應頻譜的幅值呈現增大的趨勢。另外，模型底部測點的卓越頻率約為1.7 Hz，與輸入地震動的主頻率(2.6 Hz)相近；而模型頂部測點的卓越頻率約為10.9 Hz，與試驗模型箱的一階頻率(12.5 Hz)相近。其余工況測點的傅氏譜與圖7類似，由此可見，地震動的傳播受到土層的特性影響明顯，尤其是與土層介質卓越頻率相近的部分，響應頻譜被明顯放大。

(a) 底部測點A1

為了探究地震動強度對地震動傳播特性的影響，提取測點A8在不同地震動強度條件下的數據進行傅里葉變換，繪制傅氏譜和相應的動力系數放大譜，如圖8所示。

由圖8可知，隨著輸入地震動的增強，加速度響應頻譜的幅值逐漸增強，而相應的卓越頻率則呈現減小的趨勢。該現象也從側面說明了土層的剪切模型隨著輸入地震動的增大逐漸減弱的特性。另外，隨著輸入地震動的增強，土層的加速度響應放大譜頻譜的分布更加豐富，中頻至低頻部分的幅值明顯增大。該現象說明了地震越強，土層的響應頻譜范圍越廣，可以發生共振的土層響應頻率的數量也會增加，從而提高了地鐵車站的地震風險。

(a) 0.1g El-Centro波

2.2 結構應變響應分析

本次試驗設置七個縱向的應變觀測斷面，如圖9所示。每個斷面設置五個應變測試位置，分別為結構中柱頂部、中柱底部以及側墻頂部、側墻與橫向結構的交叉處(簡稱交叉處)、側墻底部，如圖10所示。

圖9 測點布置俯視圖(mm)Fig.9 Top view of measuring point layout(mm)

注:其余斷面與此斷面類似圖10 第二觀測斷面測點布置圖Fig.10 Measuring point layout of the second observed surface

結構模型的應變響應結果反映了一些普遍認可的現象。如圖11(a)、(b)中0.6gEl-Centro波作用下的側墻交叉處的峰值應變是0.1g時的8.2倍，表明地震動強度越大結構變形越明顯的特征；圖11(c)、(d)中0.1gLanders波作用下側墻交叉處的峰值應變是Kobe波作用時的2.3倍，表明當輸入地震動接近于場地卓越頻率時，結構變形響應明顯增大。

(a) 0.1g El-Centro波

除了上述結構動力特性外，十字交叉型車站結構存在著明顯區別于其他單體車站結構的動力特性。以工況3(0.1gEl-Centro波)為例，提取該工況條件下沿水平方向遠離車站交叉換乘連接段的各觀測斷面的結構應變峰值，如圖12所示。

(a) 側墻應變

由圖12可知，十字交叉型車站結構受到車站交叉換乘段的影響，在其附近的結構出現頂部變形減小、底部變形增大的現象。在臨近交叉換乘段的結構中柱底部的應變響應是遠端的1.63倍，而結構中柱頂部的應變響應是遠端的0.71倍，其余工況結果均與上述現象類似。研究表明地震作用下地下結構中柱頂部變形普遍大于底部變形，但是在十字交叉型地鐵車站結構中卻出現了中柱底部變形大于頂部變形的現象。該現象是由于此類十字交叉型地鐵車站特有的結構形式造成的；相比于單獨的地鐵車站，此類車站由于橫向的兩層換乘結構的存在大幅度地提高了車站交叉換乘段上部結構的整體剛度，提高了結構頂層和中層的抗震性能；而車站的底層結構由于缺少橫向結構，導致水平抗彎剛度驟減，在底層結構與上部結構的連接處出現了明顯的應變增大現象；因此，從結構構件變形角度分析，此類車站結構的破壞模式往往是由縱向三層車站的底層結構與橫向的兩層換乘結構間的交叉連接區域內的構件失效引起的。

隨著車站交叉端部距離的增加，上述試驗現象最終消失，即在車站的遠端結構斷面中縱向三層車站結構的頂層變形大于底層變形。由此可見，此類車站結構受到交叉換乘段的影響存在一定的影響范圍，當與車站交叉換乘段的距離超過一定范圍后，車站結構將不再受交叉換乘連接段的影響。為了詳細地探究該影響范圍值，選取側墻與橫向結構的交叉處以及中柱底部兩個位置的測點作為研究對象，整理不同工況條件下沿水平方向遠離車站交叉換乘連接段的應變響應，如圖13所示。

(a) 不同地震波下側墻交叉處應變

由圖13可見，在不同工況條件下受到車站交叉換乘段的影響，結構側墻和中柱變形在其附近均發生了明顯的增大，盡管在不同地震波、不同地震動強度作用下應變響應峰值差異較大，但是隨著與車站交叉換乘連接段距離的增加，結構側墻和中柱變形最終均在一定范圍內趨于穩定，即不同工況條件下結構構件內力均在一定范圍內趨于平穩。由此可見，不同地震波和地震動強度對本文探究的車站交叉換乘段的影響范圍問題影響不大，影響范圍主要受到結構自身特性的影響。綜合對比圖13中各類曲線可以發現，在不同工況條件下十字交叉型地鐵車站模型的交叉換乘連接段對車站整體結構的影響范圍基本相同，約在0.5～0.6 m。若以車站結構寬度作為衡量指標，可認為此車站模型的交叉換乘連接段對車站整體結構自身內力的影響基本在1.5倍的車站結構寬度以內，當距離超過1.5倍的結構寬度以后，車站結構基本不再受交叉端的影響。該結論也與文獻[24]中理論模型推導的結論一致，從另一個角度也證明了本文振動臺試驗結果的可靠性。上述結論為提高該類型地鐵車站結構的抗震特性認識以及后續的抗震設計提供了有力支持。

3 結 論

本文利用大型振動臺試驗近似模擬了十字交叉型地鐵車站的地震過程，揭示了此類地鐵車站結構的地震響應特性。詳細地介紹了振動臺試驗方案，并對試驗結果中土層加速度響應以及結構應變響應兩部分內容進行分析，得到主要結論如下：

(1) 地震波在土層中傳播呈放大趨勢，土層頂部加速度響應普遍大于底部。當輸入富含土層卓越頻率的Landers波和汶川波時，共振效應下的土層頂部加速度響應被放大了3.35倍，而其他工況條件下平均被放大了1.51倍。隨著輸入地震動強度的增大，土層的放大效應呈現逐漸減弱的趨勢。與此同時，地震波在土層中傳播受到土層的特性影響明顯，尤其是與土層卓越頻率相近的部分，響應頻譜被明顯放大。隨著輸入地震動的增強，土層的加速度響應放大譜頻譜的分布更加豐富，中頻至低頻部分的幅值明顯增大，在拓寬了場地響應頻譜范圍的同時也提高了地鐵車站的地震風險。

(2) 除了地下結構基本動力特性外，十字交叉型地鐵車站結構受到車站交叉換乘段的影響，在其附近的結構出現頂部變形減小、底部變形增大的現象。此類地鐵車站由于橫向的兩層換乘結構的存在大幅度地提高了車站交叉換乘段上部結構的整體剛度，導致結構的破壞很可能是由縱向三層車站的底層結構與橫向的兩層結構間的交叉連接區域內的構件失效引起的。因此，在實際工程設計中一定要加強底層結構的抗震性能。另外，不同地震波和地震動強度對車站交叉換乘段的影響范圍值的影響不大，影響范圍主要受到結構自身特性影響。在不同工況條件下十字交叉型地鐵車站模型的交叉換乘連接段對車站整體結構的影響范圍基本相同，約在0.5～0.6 m(1.5倍的結構寬度)之間，當距離超過1.5倍的結構寬度以后，結構模型基本不再受交叉換乘連接段的影響。