地鐵地下車站結構的地震反應特性振動臺試驗研究

李浩彬+扶曉康

摘 要：隨著城市建設的不斷發展，城市規模日益擴大，地面空間和交通問題是影響城市發展的一個重要因素，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。近年來的地震災害現象表明，地下結構在強地震作用下可能會出現嚴重的震害及次生災害，城市大型地下工程的抗震安全性已成為倍受關注的社會問題之一。為此，本文主要對地鐵地下車站結構的地震反應特性振動臺試驗進行了分析與探討。

關鍵詞：地鐵地下車站結構；地震反應特性；振動臺試驗

一、土-結構相互作用的地鐵地下車站結構模型

將地基土-地鐵地下車站結構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的連續墻.三層三跨地鐵車站結構寬度為21.1 m，高度為17.4 m，結構上覆土層厚度為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，土體網格的大小從邊界到結構逐步加密，劃分體系的有限元網格。混凝土的動力本構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構地震反應特性的場地條件，土的動力本構模型采用基于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整為0.1g 和0.2g.

1、加速度時程分析

隨埋深的增加，土體內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。側墻各點的正負極值出現的時刻相同，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律。中柱的加速度變化規律與側墻的相似。土體中加速度峰值要比結構上的加速度峰值大：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律。這說明結構與土存在相互作用，即土會對結構產生很大的推力。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，這說明模型產生了細小的損傷，而使其剛度減小，頻率振幅大于結構上頻率振幅。

2、應變分析

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

二、振動臺實驗技術

振動模型試驗是研究地下結構地震反應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用最為廣泛的結構抗震試驗方法，近年來，國內學者對地鐵等地下結構的地震反應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，模型的應力水平尤其是自重應力水平與原型有一定差距。對于土-結構相互作用系統，由于土體為強非線性材料，其剪切模量為剪應變的函數，應力應變水平對土體承載力和變形有較大影響，因此振動臺試驗結果與實際情況相比可能會有一定差距。但是振動臺設備在國內數目相對較多，這為普通振動臺試驗的開展創造了有利的條件，因此，普通振動臺試驗今后仍將在研究地下結構地震反應與抗震性能方面發揮巨大的作用。對于普通振動臺試驗，如何能夠更好地模擬原型結構與原型地基土體的應力水平尤其是自重應力水平，需要在模型相似設計、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力水平，逼真重現原型的物理特性，在再現動力反應、觀測物理機制、檢驗評價方法以及對比設計方案等方面具有突出的優越性，在歐美、日本等發達國家得到了廣泛的應用。目前，動力離心模型試驗技術已在國內巖土工程地震問題的研究中得到應用，并取得了良好的效果。

三、振動臺實驗相關實例

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，在地鐵地下結構振動臺試驗中相似問題包括：模型結構的相似、土的相似以及土與結構相互作用的相似。進行一般工程結構振動臺試驗時，模型完全相似就難以滿足，再加上土以及地鐵結構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，但通常可以根據研究目的的不同，保證主要參數滿足相似關系，或采取相關技術措施（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，發展了結構動力模型試驗技術，但國內外對于結構-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的模擬，模型箱的構造與邊界效應的模擬，以及量測元件設置位置的優選等。

1、模型設計的相似關系：

在模型設計中據以確定相似關系的原則選為：

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

（2） 土和結構遵循相同的相似比例關系，使模型系統可在一定程度上反應原型系統中土與結構相互作用的特性。

（3） 確定模型相似關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

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

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

（2） 鑒于塑性指數是關鍵影響因素，試驗過程擬主要注意塑性指數的變化對土動力特性產生影響的規律。

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

3、結構模型的制作

試驗分自由場振動臺模型試驗、典型地鐵車站結構和地鐵車站接頭結構振動臺模型試驗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，據此獲得模型箱內不同位置處的土的加速度響應，確定“邊界效應”的影響程度和鑒別模型箱構造的合理性；然后通過典型地鐵車站結構振動臺模型試驗了解地鐵車站結構與土共同作用時地震動反應的規律與特征，為建立地鐵車站地震響應的分析理論和計算方法提供試驗數據。

4、實驗過程及結果

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，依據記錄結果繪出了各加載工況下的加速度反應時程圖，并通過對其做富氏譜變換（ FFT） 得到了與之相應的測點的富氏譜；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時程圖；根據結構模型構件上布置的應變片，測得了構件應變的變化。實驗計算方法采用反應位移法，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，及地鐵車站結構模型的動力響應特點. 該方法較好地模擬了地鐵車站的地震響應，可供工程設計實踐參考。

四、結束語

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：地鐵等地下結構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-地下結構的動接觸問題、粘彈性動力人工邊界與基線漂移及其在有限元中的實現，并結合具體地鐵車站區間隧道進行地下結構地震數值模擬，分析地下結構的地震響應，對地鐵等地下結構的抗震設計具有重要的意義。

參考文獻

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