陡坡傍山雙層行車結(jié)構(gòu)體系振動(dòng)臺試驗(yàn)研究

肖寒 孫國富 張曉霞 王哲

摘要：

為更好地解決傍山陡坡地形條件下多車道公路路基修筑問題，近年來提出了一種新型“樁-錨-框架”復(fù)合路基結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)體系具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保意義。通過室內(nèi)振動(dòng)臺模型試驗(yàn)，測定了該結(jié)構(gòu)體系在地震動(dòng)作用下各部件的動(dòng)力放大系數(shù)、位移變形、內(nèi)力等動(dòng)力響應(yīng)，研究其動(dòng)力特性及變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)輸入地震峰值加速度小于0.6 g時(shí)，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出彈性特征;當(dāng)輸入地震峰值加速度超過0.6 g后，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)。在地震動(dòng)作用下該新型結(jié)構(gòu)體系具有較好的動(dòng)力穩(wěn)定性、較高的結(jié)構(gòu)承載力，且對邊坡土體能起到較好的支擋作用。

關(guān) 鍵 詞：

雙層行車結(jié)構(gòu); 動(dòng)力特性; 路基結(jié)構(gòu); 陡坡地形; 振動(dòng)臺試驗(yàn)

中圖法分類號： TU352

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.029

0 引 言

“樁-錨-框架”復(fù)合的雙層行車路基結(jié)構(gòu)（如圖1）是解決陡坡傍山地形條件下修筑多車道公路路基時(shí)環(huán)境影響和占地問題的有效措施[1-2]。靜力學(xué)研究表明，該結(jié)構(gòu)將支撐、支擋和錨固結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，內(nèi)力分布均勻、變形協(xié)調(diào)、穩(wěn)定性佳，能較好地發(fā)揮路面支撐、邊坡支擋和山體加固等多功能[3-4]。

為了將該新型路基結(jié)構(gòu)更好地應(yīng)用于實(shí)際工程，本文采用室內(nèi)模型振動(dòng)臺試驗(yàn)方法，對其動(dòng)力響應(yīng)特性及地震動(dòng)作用下的動(dòng)力反應(yīng)和穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

1 振動(dòng)臺模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 相似關(guān)系設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鶕?jù)振動(dòng)臺臺面尺寸、承載力、加載性能采用1∶20的縮尺模型。以幾何尺寸、質(zhì)量密度和彈性模量作為模型相似比的基本物理量，確定結(jié)構(gòu)模型的動(dòng)力相似關(guān)系具體相似比如表1所列[4-6]。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

本次模型試驗(yàn)在自制模型箱中進(jìn)行，模型箱由5 mm厚鋼板焊接成2 670 mm×1 550 mm×1 300 mm的方箱，并采用10號槽鋼在四周進(jìn)行加固。模型箱底部2 cm厚，由地腳螺栓固定于振動(dòng)臺上（見圖2）。結(jié)構(gòu)模型與靜力試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗤琜4]。填筑土體之前，通過粘貼一層光滑塑料薄膜于模型箱內(nèi)壁的方式來降低邊界效應(yīng)對模型試驗(yàn)的影響。土體分層夯實(shí)填筑，層厚10 cm，每層夯實(shí)3～5遍。樁后土體頂部加堆載模擬邊坡土壓力。

1.3 試驗(yàn)量測設(shè)計(jì)

試驗(yàn)量測內(nèi)容主要包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件各部位的動(dòng)應(yīng)變和響應(yīng)加速度值、抗滑樁頂及支撐柱頂處的動(dòng)位移。測試元件包括加速度傳感器（KD1050L的ICP低頻傳感器）、動(dòng)應(yīng)變片（SZ120-30AA電阻應(yīng)變片）和動(dòng)位移傳感器（SW-5拉線式相對位移傳感器）等，布置于模型的中間兩跨。根據(jù)動(dòng)力模型的數(shù)值分析結(jié)果，測試元件布置如圖3所示。

1.4 地震波選取

本文所研究的路基結(jié)構(gòu)屬于近年來提出的新型路基結(jié)構(gòu)形式，目前還處于研究階段，缺乏實(shí)際強(qiáng)震記錄。通過對整體模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃頻，選用卓越周期與之最為接近的Taft波作為輸入地震波，其加速度時(shí)程曲線及傅里葉譜如圖4所示[6-9]。將原始Taft波數(shù)據(jù)按時(shí)間相似比1/〖KF（〗20〖KF）〗進(jìn)行壓縮（見圖5），試驗(yàn)輸入分別將其加速度峰值調(diào)整為0.1～0.9g。

2 加載工況與試驗(yàn)現(xiàn)象

2.1 加載工況

資料表明，傍山路基結(jié)構(gòu)的震害以橫向失穩(wěn)為主，因此，本次試驗(yàn)單向輸入按相似比壓縮的水平地震波。臺面輸入的地面峰值加速度（peak ground acceleration，PGA）由0.1～0.9 g逐級遞增。在輸入地震波前先用小振幅的白噪聲預(yù)振，使土體更加密實(shí)[10]。其后每次增大輸入的加速度峰值時(shí)，均先輸入白噪聲掃描觀察結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力特性的變化，記錄加載過程的響應(yīng)值。

2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象

加載過程中，隨著輸入PGA不斷增大，模型結(jié)構(gòu)與土體出現(xiàn)不同程度的變形破壞現(xiàn)象。

（1） 當(dāng)輸入PGA為0.3g時(shí)，模型表面未出現(xiàn)明顯裂縫。但通過白噪聲頻譜分析發(fā)現(xiàn)，整個(gè)模型體系自振頻率由38.0 Hz下降為36.7 Hz，說明結(jié)構(gòu)混凝土局部已有肉眼無法識別的損傷裂縫，結(jié)構(gòu)整體上仍處在彈性工作狀態(tài)。

（2） 當(dāng)PGA增至0.5～0.6 g時(shí)，橫梁靠近梁柱加腋處的上表面首先出現(xiàn)細(xì)小短裂縫（見圖6（a）），在支撐柱上部表面、土體表面未出現(xiàn)明顯裂縫。

（3） 當(dāng)PGA增至0.9 g時(shí)，橫梁與抗滑樁節(jié)點(diǎn)處、橫梁中部均出現(xiàn)較為明顯的豎向裂縫，支撐柱頂端橫向裂縫加大（見圖5（b）～（c）），土體表面也出現(xiàn)明顯裂縫（見圖5（d）），錨索開始松弛，結(jié)構(gòu)模型基本失效。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)自振特性分析

在試驗(yàn)加載過程中，每次改變PGA時(shí)均對整體模型輸入白噪聲掃描，對所測得的加速度響應(yīng)信號進(jìn)行傅里葉變換，可得到各輸入PGA下的模型結(jié)構(gòu)自振頻率，其變化關(guān)系如圖7所示。

對模型結(jié)構(gòu)加載初期的加速度傅里葉譜分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較為明顯的一階模態(tài)。隨著輸入PGA的增大，模型結(jié)構(gòu)一階模態(tài)的形狀逐漸由單峰向多峰過渡，同時(shí)結(jié)構(gòu)材料表現(xiàn)出較為明顯的非線性特征。當(dāng)PGA增至0.6g時(shí)，多個(gè)構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較為明顯的非線性特征。同時(shí)，位于一階自振頻率周圍的低頻波和位于二階自振頻率周圍的高頻波的濾波作用也不斷提高，邊坡土體對地震波能量的吸收作用不斷加大。這與試驗(yàn)中模型變形和破壞現(xiàn)象也一致。

3.2 加速度響應(yīng)分析

地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)體系的加速度響應(yīng)及其動(dòng)力放大系數(shù)的分布規(guī)律是評價(jià)其抗震性能的重要參數(shù)。輸入不同PGA時(shí)，抗滑樁頂、支撐柱頂處實(shí)測的加速度響應(yīng)時(shí)程曲線如圖8～9所示。

為更直觀地分析抗滑樁的動(dòng)力響應(yīng)特性，選取輸入PGA為0.1g、0.2g、0.3g、0.6g、0.7g、0.9g時(shí)的樁身加速度動(dòng)力放大系數(shù)，得出動(dòng)力放大系數(shù)沿抗滑樁高度變化規(guī)律曲線如圖10所示。

由圖10可見，抗滑樁加速度動(dòng)力放大系數(shù)的分布與監(jiān)測點(diǎn)相對高度和輸入峰值加速度大小有關(guān)。

（1） 樁身加速度動(dòng)力放大系數(shù)隨著監(jiān)測點(diǎn)相對高度的增加，先減小后增大，在抗滑樁與橫梁的加腋節(jié)點(diǎn)處（距樁底0.6～0.8 m）出現(xiàn)最小值，這與節(jié)點(diǎn)處剛度及幾何特性與樁身不同有關(guān)。

（2） 樁身加速度動(dòng)力放大系數(shù)隨著PGA增大先變小后變大，這和土與結(jié)構(gòu)的相互作用有關(guān)。當(dāng)輸入PGA低于0.6g時(shí)，預(yù)應(yīng)力錨索的耗能隨PGA增大而增大，結(jié)構(gòu)與土處在共同作用狀態(tài)，結(jié)構(gòu)自振頻率逐漸降低，動(dòng)力放大系數(shù)隨PGA增大而減小。當(dāng)輸入PGA大于0.6g后，樁后土體破壞，錨索作用力逐漸消失，“樁-錨-框架”結(jié)構(gòu)體系開始失效，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)加速度增大。

3.3 位移響應(yīng)分析

地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)各部件的位移變化情況是直觀反映結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性的指標(biāo)。模型結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)作用下，抗滑樁頂、支撐柱頂?shù)南鄬ξ灰谱畲螅湮灰祈憫?yīng)時(shí)程曲線如圖11～12所示，峰值位移在不同加載工況下變化如圖13所示。

由圖11～13可見：隨著輸入PGA不斷增加，支撐柱頂和抗滑樁頂?shù)姆逯滴灰埔膊粩嘣龃螅湎鄬ξ灰凭苄。词馆斎隤GA達(dá)到0.9g時(shí)，位移峰值為3.8 mm，位移指數(shù)不到1%。可見“樁-錨-框架”路基結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的位移變形較小，具有較好的動(dòng)力穩(wěn)定性。

3.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

根據(jù)試驗(yàn)中測得的應(yīng)變值，可計(jì)算結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)作用下的彎矩。各測點(diǎn)的峰值應(yīng)變與輸入PGA呈正相關(guān)關(guān)系。隨著PGA不斷增加，各測點(diǎn)的響應(yīng)應(yīng)變值也不斷增大。由各測點(diǎn)的應(yīng)變值計(jì)算的各構(gòu)件彎矩值隨輸入峰值加速度變化如圖14所示。

（1） 抗滑樁。由圖14（a）可知，在錨索和土體的影響下抗滑樁樁身彎矩呈“R型”分布。當(dāng)輸入PGA低于0.5g時(shí)，樁身彎矩隨著輸入PGA增大而增加的趨勢更為明顯，說明此時(shí)結(jié)構(gòu)整體處于彈性工作狀態(tài)。在輸入0.6g地震波后，由于樁后土體發(fā)生破壞，錨索作用逐漸失效，導(dǎo)致抗滑樁中部彎矩值發(fā)生突變。

（2） 橫梁、支撐柱。由圖14（b）和圖14（c）可知，橫梁和支撐柱的彎矩值隨著輸入PGA的增大而不斷增大。當(dāng)輸入PGA大于0.6g時(shí)，橫梁和支撐柱工作狀態(tài)逐漸由彈性變?yōu)樗苄裕瑥亩蛊浞逯祽?yīng)變增加速度減慢。當(dāng)輸入峰值加速度為0.9g時(shí)，支撐柱與橫梁加腋處彎矩迅速增大，說明支撐柱有可能即將（已經(jīng)）產(chǎn)生塑性屈服，形成了塑性鉸，當(dāng)?shù)卣鸷奢d繼續(xù)增大時(shí)，柱身即將發(fā)生破壞。

橫梁與抗滑樁節(jié)點(diǎn)處、支撐柱與橫梁加腋處是結(jié)構(gòu)出現(xiàn)彎矩峰值的部位，這與裂縫基本出現(xiàn)在橫梁節(jié)點(diǎn)處的現(xiàn)象基本吻合，說明這些部位受力較為不利，在實(shí)際工程中應(yīng)對其進(jìn)行加強(qiáng)處理，從而提高結(jié)構(gòu)的承載力和抗震性能。

4 結(jié) 論

本文通過室內(nèi)振動(dòng)臺模型試驗(yàn)，分析了“樁-錨-框架”復(fù)合的雙層行車路基結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，評價(jià)了該結(jié)構(gòu)體系的抗震性能，得到以下主要結(jié)論。

（1） 隨著輸入動(dòng)荷載峰值的增大，結(jié)構(gòu)自振頻率有所下降，阻尼比有所增大;結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)變表現(xiàn)出與加速度基本一致的變化規(guī)律。

（2） 隨著輸入地震波峰值加速度的增大，結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)不斷增大，動(dòng)力放大系數(shù)先減小后增大，且動(dòng)力放大系數(shù)隨著測點(diǎn)位置的升高呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，表明結(jié)構(gòu)整體剛度較大，在地震動(dòng)過程中能保持較好的整體性。

（3） 整個(gè)試驗(yàn)過程中，抗滑樁頂部和支柱頂部的相對位移比例皆小于1%，表明新型結(jié)構(gòu)體系在地震動(dòng)作用下橫向位移小，具有較好的動(dòng)力穩(wěn)定性。

（4） 隨著地震波加載量級不斷增加，結(jié)構(gòu)所受彎矩不斷增加，當(dāng)輸入地震峰值加速度低于0.6g時(shí)，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的彈性特性;在0.6g地震波輸入后，彎矩幅值增速變緩，結(jié)構(gòu)各部分工作狀態(tài)進(jìn)入彈塑性階段。

（5） 橫梁與抗滑樁節(jié)點(diǎn)處、支撐柱與橫梁加腋處在加載過程中受力較為不利，為結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對這些部位進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)防護(hù)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：該新型結(jié)構(gòu)體系在地震動(dòng)作用下不僅具有較好的動(dòng)力穩(wěn)定性和整體承載力，且對邊坡土體的支擋形式是有效的，抗震效果較好。但試驗(yàn)中未對土壓力進(jìn)行監(jiān)測，缺乏對動(dòng)土壓力方面研究分析，所得結(jié)論具有一定局限性。

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（編輯：鄭 毅）

引用本文：

肖寒，孫國富，張曉霞，等.陡坡傍山雙層行車結(jié)構(gòu)體系振動(dòng)臺試驗(yàn)研究

[J].人民長江，2021，52（7）：174-179.

Shaking table test study on double-decked highway structure

by steep mountainous side

XIAO Han1，SUN Guofu1，ZHANG Xiaoxia2，WANG Zhe1

（1.College of Architectural Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China; 2.SGIDI Engineering Consulting （Group） Co.，Ltd.，Shanghai 200000，China）

Abstract：

In order to better solve the problem of constructing multi-lane highway under steep mountain terrain conditions，‘pile-anchor-frame composite subgrade structure as a new type has been proposed in recent years.It has a sound economic performance and environmental protection significance.In this paper，we study the dynamic characteristics and change laws of this structural system by indoor shaking table test，such as dynamic amplification factors，displacement and deformation，internal force and other dynamic responses of each component of the structural system.The results show that when the peak acceleration of input earthquake is less than 0.6 g，the structure can maintain elastic status，otherwise the structure enters elastic-plastic status.The experimental results improve that it has higher dynamic stability，stronger structural bearing capacity and better effect on retaining the slope soil under earthquake.

Key words：

double-decked highway structure;dynamic characteristics;subgrade structure;steep terrain;shaking table test