超大型Y形柱地鐵車站振動臺試驗研究

李積棟，陶連金，油新華，張金喜

(1. 中國建筑工程總公司技術中心，北京 101300;2. 北京工業大學，北京 100124)

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超大型Y形柱地鐵車站振動臺試驗研究

李積棟1,2，陶連金2，油新華1，張金喜2

(1. 中國建筑工程總公司技術中心，北京 101300;2. 北京工業大學，北京 100124)

以北京地鐵新華大街站站為背景，開展大型Y形柱地鐵車站結構振動臺模型試驗，研究并對比分析單/雙層Y形柱地鐵車站結構地震響應特點。結果表明：1)相同強度地震作用下，兩種工況的加速度峰值變化規律大體相同，但雙層工況中結構模型各測點的加速度峰值大于單層工況。2)當結構模型中部存在中板時，結構模型在地震荷載作用下的應變分布規律發生較大改變，使得單層Y形柱結構模型的應變幅值與雙層Y形柱結構模型的應變幅值相差很大，其中Y形柱結構尤為突出。

Y形柱；地鐵車站；地震響應；振動臺；結構模型

隨著地鐵的發展和地鐵施工技術的日漸成熟，對車站和區間隧道斷面結構形式及結構特色提出了新的要求[1-3]。在地下結構設計中將會陸續出現具有大跨度，高斷面，寬柱距、異形柱等各種特色的結構形式，其體量大、結構形式美觀，以滿足人們對城市地下結構實用性、美觀等多方位的需求。然而，地下工程震害表明，在發生強震時，結構周圍土體的變形很大，導致結構的薄弱部位(如施工縫，中柱等)發生嚴重損傷[4-6]。普遍認為，這種大型復雜的斷面結構形式較普通的斷面結構，其在強震作用下結構更易發生彈塑性破壞，出現多種不穩定因素[7-9]。目前，這種超大型復雜地鐵車站結構的抗震性能研究較少，周龍壯等[10]基于Y形柱地鐵車站，對鋼管混凝土Y形柱及混凝土平臺結構進行了抗震性能試驗，李積棟等[11-12]通過振動臺試驗和數值計算，分析了水平地震和豎向地震作用下Y形柱地鐵車站的地震響應規律。本文以北京6號線地鐵新華大街站為工程背景，開展超大型Y形柱地鐵車站結構振動臺試驗，對超大型Y形柱地鐵車站結構的地震響應進行研究，對比分析單層Y形柱車站與雙層Y形柱車站地震響應的差異性。

1　工程背景

新華大街站位于新華東街北側，濱河北路西側160 m，為6號線快慢線中轉換乘站，雙層雙島四線式車站，埋深約3.5 m，遠期與S6線換乘。車站總長為473 m，分為設備區、公共區和換乘節點3部分，其中公共區采用Y形柱受力體系，局部中板打開形成中庭效果，結構寬度為40.7～41.9 m，高度18.8～28.8 m。Y形柱部分3種形式，一種為換乘節點部分Y形柱體系，一種為Y形柱帶中板斷面，一種為Y形柱中廳斷面(不設置中板)。Y形柱上部分為Y型鑄鋼件，下部分為Φ1 200圓管柱，鋼管及鑄鋼件內部采用C50微膨脹自密實混凝土填充。Y形柱地鐵車站效果圖，如圖1所示。

圖1　Y形柱地鐵車站效果圖Fig.1 Working sketches of subway station with Y-shape column

2　試驗設計

2.1振動臺及模型箱

試驗采用美國MTS公司生產的電液伺服驅動地震模擬振動臺，其臺面尺寸3.0 m×3.0 m，自重10 t，最大承載重為10 t，水平單向激振，頻率范圍為 0.1～50 Hz，臺面最大位移±127 mm。模型箱采用矩形懸掛式柔性剪切模型箱，容積為2.5 m×1.5 m×1.1 m，如圖2所示。

圖2　矩形懸掛式層狀柔性剪切型Fig.2 Rectangle suspension laminar shear model box

2.2模型試驗相似比

結合振動臺性能、模型箱尺寸及儀器設備等確定相關參數，確定模型與原型以幾何相似比1∶50，質量密度相似比1∶1及彈性模量相似比1∶4為基礎相似比。

2.3車站結構模型

根據原型地鐵車站結構尺寸和結構特點以及設計試驗相似比的要求，并對原型結構進行了簡化處理，最終確定模型試驗尺寸。Y形柱地鐵車站結構模型，長1 075 mm，寬838 mm，高386 mm，頂板厚28 mm，底板厚32 mm，邊墻厚30 mm，Y形柱橫截面直徑為24 mm，間距為180 mm，雙層Y形柱結構模型是在單層結構中施做距離車站底板約為150 mm間距180 mm中隔板。單層Y形柱地鐵車站結構剖面圖見圖3。

圖3　單層Y形柱地鐵車站結構剖面圖Fig.3 Cross-section of subway station with Y-shape column

借鑒以往的振動臺結構模型研究成果，采用標號為C8的微粒混凝土和鍍鋅鋼絲分別模擬車站結構混凝土和配筋。Y形柱結構選取外徑24 mm，壁厚1.5 mm的鋼管焊接而成，并在鋼管內灌注C8微粒混凝土，模擬鋼管柱。Y形柱車站結構模型如圖4所示。微粒混凝土試塊的平均抗壓強度和平均彈性模量分別3.17 MPa和6.93 GPa。

(a)單層Y形柱結構模型； (b)雙層Y形柱結構模型圖4　地鐵車站結構模型Fig.4 Model of subway station

2.4模型土體

模型土體選用北京地鐵6號線二期新華大街地鐵車站施工基坑中埋深為13～15 m的粉細砂，試驗前需去除土體中的雜質和較大土顆粒。

根據已有的振動臺試驗經驗，本試驗采用分層夯實法和靜壓法相結合制備模型土。模型土體的平均含水率為7.970%，平均密度為16.416 kN/m3。

2.5地震波加載方案

本試驗擬采用Kobe波和新華大街站作為振動臺輸入地震波。Kobe波為1995年日本阪神地震中神戶海洋氣象臺記錄的強震加速度記錄，取南北向的加速度記錄作為振動臺輸入波，加速度峰值為-817.061 cm/s2，地震波持時50 s，其中強震部分持續約10 s，主頻范圍約為0～5 Hz。新華大街站人工波也是通過數值模擬的方法合成的地震動時程，作為該場地土層地震動力反應分析的地震動輸入值，加速度峰值156.389 2 cm/s2，持續時間為40 s，主頻范圍約為0～6 Hz。地震波加速度時程曲線及傅氏譜如圖5所示，超大型Y形柱地鐵車站結構振動臺試驗地震波加載工況見表1。

(a)Kobe波加速度時程曲線及傅氏譜；(b)新華大街站人工地震波加速度時程曲線及傅氏譜圖5　地震波加速度時程曲線及傅氏譜Fig.5 Acceleration time-histories and Fourier spectra of bedrock ground motion

Table 1 Seismic loading scheme for station with Y-shape column

序號輸入波類型加載編號輸入方向峰值加速度/g1白噪音FB1水平0.12人工波FX1水平3kobe波FK1水平0.34白噪音FB2水平0.15人工波FX2水平6kobe波FK2水平0.67白噪音FB3水平0.18人工波FX3水平9kobe波FK3水平1.010白噪音FB4水平0.111人工波FX4水平12kobe波FK4水平1.4

2.6試驗工況設計

本試驗的主要研究內容包括自由場模型土體的動力特性、典型單層三跨地鐵車站地震響應、密貼交叉組合地鐵車站結構地震響應(包括近遠場地震作用)、不同空間交叉組合車站結構的地震響應規律(不同凈距、不同交叉角度)、超大型Y形柱地鐵車站結構地震響應規律(單層、雙層)。本試驗共分了2個工況，見表2。

表2　工況設計Table 2 Condition design

2.7傳感器布置

根據試驗目的確定所需傳感器有加速度傳感器、拉線式位移傳感器、應變片以及土壓力傳感器。傳感器布置如圖6～7所示。

圖6　非自由場工況加速度傳感器布置Fig.6 Accelerometer arrangement of Y(S)condtion

(a)Y形柱結構模型加速度傳感器布置;(b)Y形柱結構模型應變片布置圖7　超大型Y形柱結構模型傳感器布置Fig.7 Sensors location inside structure with Y-shape column

3　試驗結果分析

3.1加速度對比分析

2種工況下，Y形柱結構各測點的加速度峰值對比，如圖8所示。由圖8可知，S工況中Y形狀結構各測點的加速度峰值大于Y工況，其變化幅度隨著輸入地震波強度的增加呈先減小后增大的趨勢。其中，不同強度地震波作用下，測點YA5的加速度變化幅度最大，測點YA6的加速度變化幅度最小。

表32種工況邊墻加速度峰值的變化率

Table 3 Ratio of peak acceleration in the sidewall between two conditions

%

注：變化率=(aS-aY)/ aY

3.2應變反應分析

S工況中邊墻結構和Y形柱結構上各測點的應變幅值對比，如圖9所示。結構模型各測點的應變幅值隨著輸入地震波強度的增加而增大，但與Y工況相比較，S工況中結構模型各處測點應變幅值的變化規律相差很大。

圖8　FK3工況Y形柱結構加速度峰值對比Fig.8 Peaking acceleration comparison of Y-shape column in FK3 condition

(a)FK1工況;(b)FK3工況圖9　不同工況結構模型的應變幅值Fig.9 Strain amplitude of structure in different conditions

S工況中邊墻結構底部測點S4的應變幅值最大，頂部測點S1次之，這與單層工況邊墻應變的變化規律恰好相反。

2種工況中，Y形柱結構上應變幅值的差異性主要集中在測點Y6和Y7。S工況中測點Y6和Y7應變幅值的變化規律與Y工況相反，測點Y1的應變幅值小于Y3，則也與Y工況相反。然而，造成以上應變幅值變化規律與Y工況不同的主要原因是由于在結構模型中部添加了中隔板，使得結構模型在地震作用下的應變分布情況發生改變。

由圖9可知，同一測點在2種工況中的應變幅值相差很大。經分析可得到如下規律：

2種工況中，Y形柱結構底部測點應變幅值的變化幅度較大，其中測點Y7應變幅值增加的幅度最大，S-FK1工況是Y-FK1工況的3.0倍，S-FK3工況是Y-FK3工況的3.2倍。測點Y6應變幅值減小的幅度最大，S-FK1工況是Y-FK1工況的72.34%，S-FK3工況是Y-FK3工況的63.16%，。

Y形柱結構上部測點的應變幅值變化幅度相對較小，其中測點Y3應變幅值的變化幅度最小，不同工況下，測點Y3應變幅值的變化幅度范圍在4.35%～11.11%之間。

不同地震波作用下，邊墻結構測點的應變幅值對比，如圖10所示。

S工況中邊墻結構頂部測點S1的應變幅值小于Y工況，其減小的幅度隨著輸入地震波強度的增加先增大后減小，其中FK2工況中，測點S1應變幅值減小的幅度最大，為52.30%。

(a)測點S1的應變幅值對比;(b)測點S4的應變幅值對比圖10　Kobe波作用下邊墻測點的應變幅值對比Fig.10 Strain amplitude comparison between two conditions under Kobe wave

S工況中邊墻結構底部測點S4的應變幅值大于Y工況，其增加的幅度隨著輸入地震波強度的增加先減小后增大，其中FK1工況中，測點S4應變幅值增加的幅度最大，增大了2.12倍。

4　結論

1)相同強度地震作用下，2種工況的加速度峰值變化規律大體相同，但雙層工況中結構模型各測點的加速度峰值大于Y工況。

2)2工況中Y形柱結構的應變幅值分布規律相差很大，其中底部測點應變幅值的差異性較大，頂部應變幅值的差異性相對較小，應變幅值的差異性主要集中在測點Y6和Y7，在S工況中測點Y6和Y7應變幅值的變化規律與Y工況相反，測點Y1的應變幅值小于測點Y3，測點S1的應變幅值小于測點S4，均也與Y工況相反。

3)單/雙層Y形柱地鐵車站結構抗震性良好，但由于雙層Y形柱車站結構抗震性能優于單層車站結構，建議在此類大跨度異性柱地鐵車站設計時，可在結構中部添加中隔板，提高車站結構的整體抗震性能。

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Research on shaking table test of ultra-large subway station with Y-shape column

LI Jidong1,2，TAO Lianjin2，YOU Xinhua1， ZHANG Xinxi2

(1. China State Construction Engineering Corporation Technology Center，Beijing 101300，China;2 .Beijing University of Technology， Beijing 100124，China)

The shaking table test of the ultra-large subway station structure with Y-shape column taking Xinhua street station in Beijing metro as background is carried out, and research on the seismic response of single and double Y-shape column subway station structure is achieved. The results show that, 1)The change rule of acceleration peak is similar in same seismic intensity, while the acceleration peak of double condition is larger than the single layer condition; 2)once a middle plate is added to the station structure, the distribution regularities of strain changed significantly under earthquake action. It will lead to the strain amplitude of single Y-shape column station structure become different with that of double Y-shape column station structure，especially Y-shape column structure.Key words：Y-shaped column; subway station; seismic response; shaking table; structure model

2015-12-24

國家自然科學基金面上項目(41242337)

李積棟(1987-)，男，山東東營人，博士，從事巖土與地下工程的研究；E-mail：ljd0911@emails.bjut.edu.cn

TU435

A

1672-7029(2016)10-2027-06