基于靜力推覆分析的穿越地裂縫淺埋地鐵車站地震破壞模式研究

2024-01-13 11:18:38熊仲明

振動與沖擊 2024年1期

熊仲明, 陳幟, 陳軒, 鄭坤, 阿鑫

(1.西安建筑科技大學土木工程學院,西安 710055; 2.陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室,西安 710055;3.青海省建筑建材科學研究院有限責任公司,西寧 810008; 4.青海省高原綠色建筑與生態(tài)社區(qū)重點實驗室,西寧 810008)

地下軌道交通在提高城市運轉(zhuǎn)效率,降低能源消耗方面發(fā)揮了重要作用,但同時也面臨著嚴重的地震威脅。例如,1995年日本阪神地震[1]、1999年臺灣集集地震[2]、和2008年汶川地震[3],均造成大量地鐵車站及區(qū)間隧道發(fā)生破壞,導致城市軌道交通癱瘓,顯著影響城市的正常運營。地裂縫作為一種典型的地質(zhì)災害,其分布往往與地下軌道交通分布線路相耦合,比如西安地鐵與14條地裂縫相交多達百余處[4]。相關研究表明[5-6],地震作用下,地裂縫場地的動力響應具有明顯的上、下盤效應,穿越地裂縫或位于地裂縫上盤的地下結(jié)構(gòu)容易發(fā)生嚴重的地震破壞。因此,開展地裂縫環(huán)境下地鐵地下結(jié)構(gòu)的抗震性能研究具有重要的科學意義。

近年來,圍繞著地鐵車站的動力響應規(guī)律與破壞機理,許多學者進行了大量試驗與數(shù)值模擬研究。莊海洋等[7]和杜修力等[8]以大開車站為背景,分析了矩形框架式地鐵車站的震害機制。結(jié)果表明,在水平向與豎向地震共同作用下,中柱始終處于高軸壓比狀態(tài),其水平剪切變形能力不足是結(jié)構(gòu)地震破壞的根本原因。許成順等[9]認為中柱在地鐵車站中主要起豎向承載作用,而對結(jié)構(gòu)抗側(cè)能力的貢獻不大。在地鐵車站抗震設計時,應采取措施減小中柱水平變形,保證其有效發(fā)揮豎向承載能力。陳蘇等[10]開展了可液化場地三拱立柱式地鐵車站振動臺試驗,發(fā)現(xiàn)受周圍土體液化程度差異的影響,地鐵車站的應變響應表現(xiàn)出空間分布的差異性。權(quán)登州等[11]通過黃土場地地鐵車站的振動臺試驗,分析了地鐵車站與黃土地基的地震響應規(guī)律及地鐵車站的破壞模式。王建寧等[12]研究了不同埋深和厚度的軟土層對異跨地鐵車站地震破壞特征的影響規(guī)律。陳之毅等[13]基于靜力推覆分析法(Pushover分析方法),探討了地震作用下地鐵車站中柱和側(cè)墻的剪力分配規(guī)律。許紫剛等[14]進行了大開車站中柱和結(jié)構(gòu)整體的兩階段Pushover分析,研究了水平和豎向地震共同作用下,地鐵車站及其區(qū)間隧道的地震破壞特征。

現(xiàn)階段,針對地裂縫場地地下結(jié)構(gòu)地震反應的研究還相對較少,且大多以地鐵隧道為研究對象。黃強兵等通過振動臺試驗,探究了位于地裂縫上盤區(qū)域的地鐵隧道的動力響應規(guī)律。劉妮娜等研究了穿越活動地裂縫地鐵隧道的破壞機制,發(fā)現(xiàn)位于上盤區(qū)域隧道結(jié)構(gòu)的應變均大于下盤的對應位置,且同一橫斷面結(jié)構(gòu)拱腰處應變最大。然而,地鐵車站和隧道雖然同屬地下結(jié)構(gòu),但在結(jié)構(gòu)形式和橫斷面尺寸上差異較大,其地震反應規(guī)律和破壞模式也會有所不同。陳軒等通過地裂縫場地地鐵車站振動臺試驗,側(cè)重分析了場地土體和結(jié)構(gòu)的動力反應規(guī)律,并根據(jù)試驗現(xiàn)象定性討論了地裂縫場地地鐵車站的破壞模式。但整體來看,對地震作用下地裂縫場地地鐵車站的內(nèi)力分布特征和地震破壞模式的研究還不夠深入。

目前,針對地鐵車站地震反應的研究方法主要有振動臺試驗和動力時程分析。然而,動力時程分析需要考慮土與結(jié)構(gòu)間的非線性接觸、地震動輸入和人工邊界條件等復雜問題,而且計算耗時長,效率較低,尤其是涉及不同地震工況。鑒于此,本文開展了振動臺試驗,探究了穿越地裂縫淺埋地鐵車站的地震破壞特征。同時,在現(xiàn)有地下結(jié)構(gòu)Pushover分析方法的基礎上,提出了適用于地裂縫場地地下結(jié)構(gòu)的Pushover分析方法,并通過此方法,再現(xiàn)了地鐵車站的地震破壞過程,定量評價了結(jié)構(gòu)關鍵構(gòu)件的抗震性能,分析了穿越地裂縫淺埋地鐵車站的地震破壞模式。

1 穿越地裂縫地鐵車站振動臺試驗

1.1 工程概況

試驗原型結(jié)構(gòu)為西安康復路地鐵車站。該車站位于長樂西路與興業(yè)路交匯處,并處于西安f4地裂縫的影響范圍之內(nèi),其位置關系如圖1所示。本試驗以地裂縫正交穿越地鐵車站橫截面為研究工況,此工況下地裂縫場地地鐵車站動力響應最為顯著[15]。

圖1 康復路車站與f4地裂縫的位置圖

康復路地鐵車站結(jié)構(gòu)采用兩層三跨的箱型框架結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)橫截面尺寸為20.5 m×13.21 m,上覆土層厚度為4 m,屬于淺埋地下結(jié)構(gòu),如圖2所示。圖中“A”和“B”分別表示中柱和側(cè)墻等關鍵構(gòu)件的截面編號。車站主體采用C40混凝土,鋼筋采用HRB335及HRB400鋼筋。f4地裂縫總體走向為NE70°,上、下盤斷面傾角為85°,處于隱伏且已趨于穩(wěn)定狀態(tài)。參考地裂縫場地地勘報告[16]和GB50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》[17]可知,該地裂縫場地土體為中硬土,場地類別為Ⅱ類,設計地震分組為一組,場地特征周期為0.35 s,抗震設防烈度為8度,設計基本地震加速度為0.2g。

圖2 穿越地裂縫地鐵車站的橫斷面示意圖

1.2 振動臺試驗設計

本試驗在西安建筑科技大學教育部重點實驗室進行,采用MTS振動臺系統(tǒng),其臺面尺寸為4.1 m×4.1 m,最大載重為20 t,振動頻率為0.1～50 Hz。由于受到臺面尺寸和滿負荷承載力等主要性能參數(shù)的限制,對模型土體和結(jié)構(gòu)按1/40進行縮尺,并根據(jù)Buckingham π定理,確定模型結(jié)構(gòu)和模型土其余相似比,如表1所示。

表1 振動臺試驗相似比

地鐵車站模型采用微粒混凝土和鍍鋅鐵絲制作,并按照承載力相似原則進行配筋設計,模型相似材料參數(shù)如表2所示。同時,在結(jié)構(gòu)各層樓板處按原型結(jié)構(gòu)質(zhì)量比例布置配重塊,以實現(xiàn)模型與原型結(jié)構(gòu)材料密度等效的效果。選取層狀剪切土箱作為試驗容器,該土箱由14層鋼框架疊合而成,其內(nèi)壁尺寸為3 m×1.5 m×1.5 m。模型土體地裂縫的寬度為2 cm,并采用粉細砂和熟石灰的混合物模擬實際地裂縫內(nèi)的土質(zhì)。此外,模型土與原型土的材料參數(shù)如表3所示。

根據(jù)原型結(jié)構(gòu)所在地場地類別,選取2條天然波,即江油波(JY)和El-Centro波(EL),以及1條人工波(RG)作為輸入地震波,其阻尼比為5%的反應譜曲線如圖3所示。地震波采用單向水平X向輸入,并將各地震波的峰值加速度調(diào)整為0.2g、0.4g、0.8g和1.2g進行逐級加載。同時,圖4給出了關鍵測點的布置位置。

表2 模型相似材料性能參數(shù)

表3 圍壓土力學性能參數(shù)

圖3 地震波反應譜

(a) 剖面圖

(b) 平面圖

1.3 試驗現(xiàn)象

圖5為地裂縫場地土體的試驗現(xiàn)象。從圖5可以看出,試驗前處理整齊的地裂縫及其內(nèi)部的石灰混合物變化明顯,石灰有散出裂縫的情況,且地裂縫的縫隙寬帶增加大約有1 cm,由此說明振動過程中地裂縫發(fā)生了相對擠壓與分離,將其表面的石灰擠出。同時,挖除表層土體之后,發(fā)現(xiàn)地裂縫上、下盤土體出現(xiàn)了少量的錯動。地震作用會引起趨于穩(wěn)定狀態(tài)的地裂縫發(fā)生相對沉降與張合活動,但沉降量并不明顯。

(a) 地裂縫寬度增加

(b) 地裂縫上、下盤錯動

圖6給出了加載完成后地鐵車站的破壞情況。由圖可知,地鐵車站中柱兩端出現(xiàn)貫通的橫向和斜向裂縫,并在局部位置伴隨有混凝土脫落,發(fā)生了明顯的剪切變形;車站側(cè)墻出現(xiàn)了些許裂縫,且集中在側(cè)墻和各層樓板的連接處。同時,地鐵車站底板在跨越地裂縫處的上表面出現(xiàn)較深的裂縫,這是由地裂縫上、下盤土體活動所引起的。從結(jié)構(gòu)整體的破壞情況來看,處于地裂縫上盤的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞情況要比下盤更加嚴重,且結(jié)構(gòu)底層的破壞情況要比二層嚴重。

(a) 地鐵車站裂縫位置

(b) 上盤底層中柱柱底裂縫

(d) 上盤底層側(cè)墻底部裂縫

(e) 地裂縫處底層底板裂縫

1.4 試驗結(jié)果

圖7為0.8g江油波作用下水平位移測點的時程曲線。由圖7(a)可知,D1、D2和D3測點位移時程曲線趨勢基本一致,但在同一時刻,D3測點位移最大,D1測點最小,體現(xiàn)了地裂縫土體位移響應沿深度的變化規(guī)律。由圖7(b)可知,D31和D32測點的水平位移曲線存在明顯差異,不僅位移峰值不同,而且有一定的相位差。結(jié)合試驗現(xiàn)象分析其原因,在水平地震動作用下,地裂縫的張合活動使得上、下盤土體間既存在力的相互作用,也存在位移的相互制約。

(a) D1、D2和D3測點

(b) D31和D32測點

表4給出了水平地震動作用下J1、J2和J3測點的最大沉降值。由表4可知,J2測點的沉降值明顯小于J1與J3測點。同時,隨輸入峰值加速度的增大,J2相比于J1和J3測點的沉降差值也逐漸增大,而J1與J3兩測點的相對沉降整體較小,且變化規(guī)律不明顯。由此可知,水平地震作用下,地裂縫場地會發(fā)生不同程度的沉降,但上、下盤土體的相對沉降量較小,且地下結(jié)構(gòu)處相對于兩側(cè)土體發(fā)生了隆起,且強震作用下的隆起現(xiàn)象更為明顯。

表4 模型土地表最大沉降量

2 地裂縫場地地鐵車站Pushover分析

2.1 地裂縫場地地下結(jié)構(gòu)Pushover分析方法

在地震作用下土-地下結(jié)構(gòu)體系受體積力為主,從而引起圍壓土體與地下結(jié)構(gòu)之間發(fā)生動力相互作用。因此,傳統(tǒng)地下結(jié)構(gòu)Pushover分析方法是通過對土體-地下結(jié)構(gòu)體系施加單調(diào)遞增的水平等效慣性加速度實現(xiàn)對整體計算模型慣性體積力的施加,并推覆體系至目標位移,觀察結(jié)構(gòu)的破壞發(fā)展規(guī)律,研究結(jié)構(gòu)的非線性性能。由于地裂縫場地動力響應規(guī)律的特征性,本文在傳統(tǒng)地下結(jié)構(gòu)Pushover分析方法的基礎上,采用新思路和方法確定水平慣性加速度分布和目標位移兩個關鍵參數(shù),提出了適用于地裂縫場地地下結(jié)構(gòu)的Pushover分析方法,具體方法如下：

(1) 水平慣性加速度分布形式

水平等效加速度的分布形式應能較為合理地反映出地震作用下土-結(jié)構(gòu)體系的慣性力分布持征。在地下結(jié)構(gòu)Pushover分析方法中,水平慣性加速度分布形式通常由三種方法確定[18]：①倒三角分布(方法一);②根據(jù)土層剪應力幅值計算獲得(方法二);③直接采用絕對峰值加速度(方法三)。

地裂縫場地的加速度響應分布規(guī)律表現(xiàn)為：在水平方向上,上盤的加速度整體大于下盤,且地裂縫處加速度最大,并向兩側(cè)遞減;在深度方向上,地表加速度最大,并隨著深度的增大,加速度不斷減小[19]。方法一雖然形式簡單,但精度較低,尤其是在復雜場地條件中[20]。方法二是在忽略阻尼的條件下,通過土體單元剪應力與慣性力的平衡獲得土層加速度。然而,地裂縫上、下盤土體間存在著動態(tài)相互擠壓和摩擦,受力狀態(tài)較為復雜,所以在距地裂縫較近的范圍內(nèi),方法二求得的結(jié)果精度較差。相比之下,方法三能夠直接反應地裂縫場地加速度響應的空間分布規(guī)律,且在忽略阻尼時,峰值加速度與等效慣性加速度基本等效[21]。因此,本文采用方法三確定地裂縫場地的水平慣性加速度分布形式。此外,方法三常采用自由場一維土層地震分析獲得土體加速度,而一維土層分析僅能反映地震響應沿深度方向的空間變化,卻無法準確描述地裂縫場地加速度響應的上、下盤非一致性。

鑒于此,本文通過地裂縫場地二維模型的有限元分析,獲得各節(jié)點加速度響應的數(shù)值解。穿越地裂縫地鐵車站Pushover分析模型,如圖8所示。考慮動力響應的非一致性,分別確定地裂縫場地上、下盤的水平加速度分布形式,且各土層的等效慣性加速度按下式計算

(1)

圖8 穿越地裂縫地鐵車站Pushover分析模型

(2) 目標位移

地下結(jié)構(gòu)的地震反應主要受到周圍土體變形的控制。自由場中地面與基巖間的峰值相對位移(peak ground relative displacement, PGRD)不僅與地震動強度相關聯(lián),而且能夠反映場地土的變形特征。因此,本文以PGRD作為目標位移參數(shù)。由于地裂縫上、下盤土體的位移響應存在差異性,選定多條具有相同峰值加速度的地震波,基于二維自由場地震反應分析,獲得每條地震波作用下地裂縫上、下盤的PGRD,計算得到期望值,并將地裂縫上、下盤自由場PGRD期望值中的較大值作為Pushover分析的目標位移。

此外,在穿越地裂縫地鐵車站進行Pushover分析時,分別在正、反兩個方向施加水平等效慣性加速度,取兩種情況中較大者作為分析結(jié)果。其中,正向表示水平加速度沿地裂縫場地上盤向下盤推覆,反之為負。

根據(jù)上述方法,將試驗加載的3條地震波調(diào)幅至相同峰值加速度(PGA=0.4g),建立地裂縫自由場二維計算模型,通過有限元分析,獲得場地的動力響應,并確定水平加速度分布形式和目標位移如圖9和表5所示。

圖9 水平慣性加速度分布形式

表5 地裂縫自由場的PGRD

2.2 土-結(jié)構(gòu)相互作用模型

本文采用ABAQUS建立穿越地裂縫地鐵車站的三維有限元模型,其中包括土與結(jié)構(gòu)相互作用模型(土-結(jié)構(gòu)模型)和附加自由場模型,如圖10所示。土-結(jié)構(gòu)模型中地裂縫場地土體寬度取結(jié)構(gòu)寬度的5倍,即土體尺寸為120 m(長)×41.6 m(寬)×60 m(深)。選用三維實體單元(C3D8R)模擬場地土體和結(jié)構(gòu)混凝土,鋼筋采用桁架單元(T3D2)模擬,將鋼筋設置為混凝土的內(nèi)置區(qū)域,實現(xiàn)鋼筋與混凝土的有效粘結(jié)。

圖10 穿越地裂縫地鐵車站三維有限元模型

參考文獻[22],地裂縫場地土體的本構(gòu)關系采用邊界面模型進行模擬。鋼筋與混凝土分別采用理想彈塑性模型和塑性損傷模型。同時,地裂縫場地上、下盤土體間設置摩擦接觸面,其在法線方向允許兩者相互脫離但不能產(chǎn)生相互穿透行為;切線方向上采用罰摩擦,摩擦因數(shù)取0.3[23]。地鐵車站結(jié)構(gòu)與圍壓土體的接觸設置與地裂縫接觸面相同,但摩擦因數(shù)取0.4[24]。土-結(jié)構(gòu)模型和附加自由場模型的底面固定,水平側(cè)面采用混合邊界,即邊界豎向采用給定位移邊界條件,而水平向采用力的邊界條件,兩者均由初始地應力分析確定。

2.3 Pushover分析方法驗證

正向的推覆后地鐵車站的地震反應較大,所以本文對正向工況做進一步討論。對比圖4中測點S5、S13、S23和S29的應變試驗值和Pushover分析結(jié)果,驗證提出的Pushover分析方法的準確性。其中,試驗值的PGRD是水平位移計D1和D3峰值應變對應的差值。同時,由于試驗結(jié)果有限,建立穿越地裂縫地鐵車站的有限元模型,通過時程分析結(jié)果做進一步的補充驗證。時程分析模型建立方法參考文獻[25],如圖11所示。

(a) S5測點

(b) S13測點

(d) S29測點

從圖11可以看出,Pushover分析得到的應變能力曲線基本能夠反映出應變值隨PGRD的變化規(guī)律,且在同一PDRG下,除個別數(shù)據(jù)外,模擬值相比于時程值和試驗值的差異不大。由此表明,本文提出的Pushover改進方法具有較好模擬精度。此外,由3條地震波得到的能力曲線基本保持一致,僅是在推覆的后階段,曲線之間出現(xiàn)了略微差異。這是因為在地鐵車站埋深的土層深度范圍內(nèi),3條地震波的慣性加速度分布形式較為接近,且在推覆初期,加速度和場地土的變形都相對較小,所以曲線之間比較吻合。然而,隨著PGRD的不斷增大,地裂縫土體之間不僅存在著動力響應的差異,而且上、下盤間的相互作用使得土體的變形更為復雜,所以放大了地震波頻譜特性的差異對數(shù)值模擬結(jié)果的影響。因此,為了簡化分析,本文將僅對El Centro波的Pushover分析結(jié)果進行討論(地裂縫場地工況)。同時,建立完整場地地鐵車站的Pushover分析模型作為對比分析(完整場地工況),其水平慣性加速度分布形式采用倒三角型,目標位移與地裂縫場地工況相同。

3 Pushover結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)變形分析

圖12為推覆至目標位移時土與結(jié)構(gòu)相互作用體系的變形云圖。從圖12(a)中可以看出,由于地裂縫上、下盤土體的慣性加速度分布存在差異,在推覆過程中,地裂縫場地出現(xiàn)了上、下盤的相對沉降與張合活動,但張合活動較為明顯,而相對沉降相對很小,基本可以忽略。因此,在水平地震作用下,趨于穩(wěn)定狀態(tài)的地裂縫上、下盤主要發(fā)生水平張合活動。此外,這也與振動臺試驗現(xiàn)象相一致,由此說明該Pushover分析方法可以模擬出地裂縫場地的活動特征。

地下結(jié)構(gòu)的變形主要受周圍土體的變形控制。在水平慣性加速度作用下,完整場地地鐵車站整體發(fā)生剪切變形,且結(jié)構(gòu)中柱與側(cè)墻等構(gòu)件的變形程度和模式基本一致;同時,在結(jié)構(gòu)頂板肩部和側(cè)墻等位置與土體之間出現(xiàn)了些許脫空區(qū)。相比之下,地裂縫場地結(jié)構(gòu)不僅發(fā)生了水平剪切變形,而且在地裂縫活動作用下,結(jié)構(gòu)各層樓板也發(fā)生了較大的變形,結(jié)構(gòu)整體變形分布不均勻,中柱的變形較側(cè)墻更加明顯。同時,結(jié)構(gòu)與土體間的脫空區(qū)域明顯多于完整場地工況。

(a) 地裂縫場地地鐵車站

(b) 完整場地地鐵車站

圖13給出了地鐵車站中柱的層間位移角隨PGRD的變化曲線。從圖中可以看出,隨著PGRD的增大,兩種工況下結(jié)構(gòu)中柱的水平變形基本接近線性增長。同時,與完整場地工況相比,地裂縫工況結(jié)構(gòu)中柱的變形相對較小,且不同區(qū)域各中柱變形相差較大,尤其是底層中柱,其變形明顯小于結(jié)構(gòu)二層。由此可見,穿越地裂縫地鐵車站中柱以水平剪切變形為主,而地裂縫活動引起的土體凸起現(xiàn)象會對中柱施加壓彎作用,增大中柱軸壓比,顯著降低中柱的水平變形能力。

圖13 地鐵車站中柱層間位移角-PGRD曲線

3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

圖14為地鐵車站底層中柱的軸壓比-PGRD曲線。同時,將地鐵車站中柱與側(cè)墻控制截面A1～A4和B1～B4(圖2)的剪力能力曲線繪制于圖15,并通過幾何作圖法,確定曲線的屈服點、峰值點和極限點。其中,極限點定義為峰值承載力的85%;剪力正值表示逆時針方向,反之為負。

由圖15可知,完整場地結(jié)構(gòu)中柱和側(cè)墻的能力曲線初始剛度大于地裂縫場地工況,且更早進入屈服狀態(tài)。然而,隨著PGRD的不斷增大,地裂縫場地結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的剪力迅速增長,并很快達到其峰值點,而同時刻對應的完整場地工況仍處于彈塑性增長階段。以上盤區(qū)域結(jié)構(gòu)底層中柱的A3截面為例,完整場地和地裂縫場地工況的屈服點分別為5 mm和8 mm;當PGRD增大至16 mm時,地裂縫場地工況截面剪力達到峰值3 150 kN,而完整場地工況峰值為2 750 kN,對應的PGRD為38 mm。分析其原因可知,推覆初期,由于上、下盤土體的相互擠壓作用,在相同的PGRD下,地裂縫場地結(jié)構(gòu)受到的側(cè)向推覆作用要明顯小于完整場地工況。然而,隨著PGRD的不斷增大,擠壓作用引起的土體凸起現(xiàn)象愈發(fā)明顯,在土體施加的壓彎作用下,結(jié)構(gòu)中柱的軸壓比增大(圖14),抗剪切變形能力減弱,構(gòu)件延性顯著小于完整場地工況。因此,結(jié)合結(jié)構(gòu)的變形特征可知,土體的水平剪切變形是結(jié)構(gòu)破壞的主要外在因素,而地震引起的地裂縫活動會進一步加速結(jié)構(gòu)的破壞過程。

(a) 上盤中柱

(b) 下盤中柱

(b) 上盤二層中柱A1

(d) 下盤二層側(cè)墻B2

(e) 上盤底層中柱B3

(f) 上盤底層中柱A3

(g) 下盤底層中柱A4

(h) 下盤底層側(cè)墻B4

觀察地裂縫場地工況的能力曲線可知,由于地裂縫活動引起的附加壓彎作用,下盤結(jié)構(gòu)底層中柱和側(cè)墻的剪力方向發(fā)生了較大的變化。特別是下盤底層中柱的柱底截面剪力經(jīng)歷了由逆時針向順時針方向轉(zhuǎn)變的過程,且在一定程度上延緩了該中柱的破壞。同時,結(jié)構(gòu)的剪力表現(xiàn)出較為明顯的空間分布規(guī)律,即在高度方向上,底層結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剪力普遍較大;在水平方向上,上盤結(jié)構(gòu)構(gòu)件剪力大于下盤的對應構(gòu)件。因此就中柱而言,上盤結(jié)構(gòu)底層中柱的剪力最大,且該中柱也是結(jié)構(gòu)最先失效的構(gòu)件。根據(jù)各構(gòu)件能力曲線的走向可以發(fā)現(xiàn),上盤結(jié)構(gòu)底層中柱失效后,結(jié)構(gòu)發(fā)生了內(nèi)力重分布,層間剪力由剩余抗側(cè)構(gòu)件承擔,進而加速了結(jié)構(gòu)其余中柱和側(cè)墻的破壞,且中柱的破壞整體要早于側(cè)墻。因此,結(jié)合試驗中結(jié)構(gòu)的破壞情況可以判斷,中柱抗剪能力不足是結(jié)構(gòu)破壞的根本內(nèi)因,而上盤結(jié)構(gòu)底層中柱是結(jié)構(gòu)的抗震關鍵構(gòu)件。

3.3 結(jié)構(gòu)損傷分析

根據(jù)地震過程中地鐵車站結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度退化定義構(gòu)件的損傷狀態(tài)。其中,中柱與側(cè)墻的豎向承載作用保證了結(jié)構(gòu)不發(fā)生倒塌,所以采用軸向剛度的退化來描述其損傷程度,而樓板則采用抗彎剛度[26]。引入損傷因子ξ表達如下

(2)

式中：KN和KIN為中柱與側(cè)墻的軸壓剛度及其初始剛度;KM和KIM為樓板的抗彎剛度和初始抗彎剛度。同時,根據(jù)損傷指數(shù)將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度分為4個等級,如表6所示。

表6 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能水準劃分[27]

圖16為地鐵車站關鍵構(gòu)件截面的損傷指數(shù)變化曲線,以及推覆至目標位移時結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)。從圖16(a)中可以看出,當PGRD為0.019 mm時,結(jié)構(gòu)A3截面損傷指數(shù)率先超過0.9,達到倒塌狀態(tài)。隨后,A1、B3、A4、A2和B4截面損傷指數(shù)先后達到0.9,對應構(gòu)件發(fā)生倒塌。整體看來,結(jié)構(gòu)底層和位于上盤區(qū)域的構(gòu)件破壞較早。因此,結(jié)合前文分析可知,地鐵車站上盤底層中柱為結(jié)構(gòu)的抗震關鍵構(gòu)件,且在水平地震引起的土體變形作用下,加之地裂縫土體施加的附加壓彎作用,結(jié)構(gòu)的中柱和側(cè)墻先后發(fā)生破壞,并出現(xiàn)側(cè)墻早于中柱破壞的現(xiàn)象。這與完整場地中柱破壞整體遭遇側(cè)墻的現(xiàn)象不同。同時,推覆結(jié)束時,地鐵車站絕大部分構(gòu)件均已達到嚴重破壞狀態(tài),從結(jié)構(gòu)整體損傷分布看,結(jié)構(gòu)底層的損傷要明顯比二層嚴重,而且位于上盤區(qū)域結(jié)構(gòu)的損傷程度要大于下盤的對應部位,如圖16(b)所示。這與試驗得到的結(jié)構(gòu)震害特征基本一致。

(a) 關鍵構(gòu)件截面損傷指數(shù)變化曲線

(b) 推覆結(jié)束時結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)

4 結(jié) 論

本文開展了穿越地裂縫淺埋地鐵車站的振動臺試驗,并結(jié)合Pushover分析,研究了地鐵車站的地震破壞模式。主要得出以下結(jié)論：

(1) 針對地裂縫場地地下結(jié)構(gòu)的Pushover分析方法考慮場地地震響應的非一致性,分別確定土體上、下盤的加速度分布形式,能較真實地反應地震作用下地裂縫場地的活動特征和穿越地裂縫地下結(jié)構(gòu)的破壞特點。

(2) 水平地震作用下,趨于穩(wěn)定狀態(tài)的地裂縫上、下盤土體會發(fā)生明顯的水平張合活動(相對擠壓與分離),而相對沉降很小。其中,相對擠壓作用會引起土體凸起,并對結(jié)構(gòu)中柱施加附加的壓彎作用,而相對沉降對結(jié)構(gòu)的影響基本可以忽略。

(3) 地裂縫場地土體的水平剪切變形是結(jié)構(gòu)破壞的主要外在因素,而地裂縫張合活動引起的豎向壓彎作用會提高中柱軸壓比,降低中柱的水平變形能力,加速結(jié)構(gòu)的地震破壞。

(4) 在地裂縫場地特征變形作用下,結(jié)構(gòu)底層中柱的抗剪變形能力相對較弱,且結(jié)構(gòu)剪力表現(xiàn)出明顯的空間分布規(guī)律,即在高度方向上,底層結(jié)構(gòu)構(gòu)件剪力普遍較大;在水平方向上,位于上盤區(qū)域的結(jié)構(gòu)剪力大于下盤的對應構(gòu)件。因此,上盤結(jié)構(gòu)底層損傷嚴重且最先失效,是結(jié)構(gòu)的抗震關鍵構(gòu)件。