軌道交通8度區獨柱車站模型振動臺試驗研究

陳 慧,馬福東,郝 瑋,劉 楓

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055； 2.中國建筑科學研究院有限公司,北京 100013)

引言

獨柱車站屬于建橋合一結構，常用形式有“T”字形和“干”字形，與傳統的城軌車站相比，獨柱車站的豎向落地支撐結構設在道路中央的隔離帶，有占地面積小，對城市密集的既有公路交通系統影響小的優勢，有助于發展以公共交通為主的綠色出行，近年在抗震設防低烈度地區的城市軌道交通中得到了越來越廣泛的應用[1-9]。但由于該結構體系在垂軌向屬于單重抗側力體系，抗震冗余度小，其結構特點不利于結構抗震[10-11]，因此獨柱車站的抗震設計顯得格外重要。雖然針對該結構形式在抗震設防8度以上地區如何應用已有一些研究成果[12-16]，但還沒有實際的工程實踐。

因此，為了在高烈度地區推廣這種結構形式，本文中“干”字形獨柱車站針對高烈度區采用了抗震性能更好的鋼-混凝土組合結構形式，這類結構具有整體剛度好、質量輕等特點。為了研究這種新型組合結構形式的抗震性能，首次采用細石混凝土和薄鋼板設計、制作了縮尺比例為1∶10的試驗模型，進行了模擬地震振動臺模型試驗。振動臺模型試驗是研究結構地震響應和破壞機理的最直接方法，也是研究復雜結構抗震問題的主要手段。通過相似比理論對結構幾何尺寸、材料、荷載、邊界條件等模擬實現動力相似，輸入地震波進行動力試驗，可以真實再現地震作用的動力過程，模擬結構在遭遇地震時的真實反映，檢驗其整體抗震性能[17-19]。

1 工程概況

某獨柱車站高度為21.32 m，平面尺寸為22.98 m×90 m，單榀跨度為13.5 m及16 m，下部采用型鋼混凝土結構，上部采用鋼結構體系。整個車站(地上部分)總質量約9 377 t。車站承軌層之下的“干”字形結構為內灌混凝土的矩形鋼管組合構件，站廳層的蓋梁截面較大，只在下側受壓區和梁柱節點區澆筑混凝土，即可有效利用組合結構不同材料的受力特性，也可減小結構自重。結構剖面如圖1所示。

圖1 “干”字形獨柱車站結構布置剖面(單位：mm)

原結構有6跨，長為90 m，受振動臺尺寸限制，構件縮尺后截面較小，鋼管內空腔較小，不利于混凝土流動，無法保證澆筑密實，同時受尺寸效應影響，模型節點會更失真。為了更真實模擬構件受力狀態，模型的尺寸應盡量大。獨柱車站結構受力不利的方向是垂直于軌道方向，這個方向為懸臂結構，無冗余自由度，而順軌向跨度增加，可以看成一個個基本懸臂結構單元的串聯，由于各單元質量略有不同，會使得整體結構有一些扭轉響應。從6跨中選取包含結構所有不利因素(如樓板大開洞、設備荷載分布不均勻)的4跨，既體現了原結構質量不均勻的特點，也減小了整個結構長度至59 m，可以進行更大縮尺比例的模型試驗。如圖2所示。

圖2 “干”字形獨柱車站結構立面(單位 ：m)

2 模型材料

在振動臺試驗模型設計之前，首先要選取合適的材料，混凝土材料除了材性要滿足材料強度和彈性模量的相似關系，對和易性、流動性也有要求，否則會影響澆筑質量。

首先通過試配試驗來確定細石混凝土的配合比，經過比選，確定模型混凝土配合比見表1，模型混凝土的彈性模量和強度與原型材料可實現1∶1.7的相似比。

表1 混凝土材料配比 kg/m3

在模型加工過程，澆筑混凝土時保留3個100 mm×100 mm×100 mm立方體強度試塊和3個100 mm×100 mm×300 mm彈模試塊，與試驗模型同期養護，在振動臺試驗前進行材性試驗，結果見表2。從結果看，混凝土材料具有一定的離散性，整體上模型獨柱及蓋梁的混凝土實測強度和彈性模量的平均值與目標值基本一致。

表2 混凝土試塊材料性能試驗結果 MPa

焊接后鋼板材料性能會發生變化，因此從經過焊接的鋼構件上剪裁鋼板試件，每種厚度各取3件，進行強度和彈性模量的材料性能試驗，結果見表3。由于鋼材強度和彈性模量無法滿足相似比，在構件設計時，根據構件受力特性，按照EA或EI等效的原則進行構件截面設計，保證模型在構件層面與原型滿足剛度相似。

表3 鋼板材料性能試驗結果

3 相似關系

試驗在中國建筑科學研究院國家重點實驗室的振動臺進行，該振動臺尺寸6 m×6 m，標準負荷承載能力為600 kN。

綜合考量結構體量、試驗設備能力、模型及原型材料特性，確定3個量綱的相似參數(通常是長度、彈模、質量密度或加速度放大系數)，再通過量綱分析方法，確定模型其他參數的相似關系。本次試驗的模型長度相似比(縮尺比例)為1/10，根據上節所述的模型材料性能，材料彈模相似比SE為1/1.7；實現重力相似，加速度相似比為1.0。通過以上確定的3個相似比，可推導得到模型的其他相似關系見表4。

表4 試驗模型相似關系(模型∶原型)

試驗模型最終平面尺寸為6 m×2.3 m，總質量為59 t，充分利用了設備性能。

4 模型設計及加工

根據確定的相似比例關系以及原型結構設計圖紙進行模型結構設計，設計中需要做一定的簡化，主要原則如下。

(1)本次試驗范圍為獨墩柱以上結構，不包含基礎及柱墩。

(2)模型設計滿足模型與原型在材料特性、幾何特性、構件和節點構造、荷載分布等方面的相似律需求。

(3)關鍵構件：模型中的獨墩柱、橫向主梁、縱向主梁、支撐站臺層梁、軌道梁、蓋梁等均嚴格按相似關系制作。

(4)樓面次梁做適當簡化和歸并。

(5)圍護結構僅作為配重考慮。

(6)雨棚桿件適當簡化和歸并，僅模擬剛度及荷載。

(7)節點：關鍵節點按照原型構造做法進行適當簡化和加強、次要節點簡化加強。

(8)構件截面等效：模型部分鋼材規格無相應產品，需進行替換，原則是承載力及剛度等效滿足試驗要求。

(9)將樓梯簡化為洞口，對應荷載加到周邊梁上。

振動臺試驗模型的加工與結構實際施工過程相似。模型加工過程見圖3。按照基礎底板、獨墩柱、站廳層、承軌層、站臺層、雨棚的順序施工，型鋼構件均采用鋼板焊接而成。每層先安裝型鋼構件，澆筑豎向構件混凝土，然后施工水平鋼構件；鋼管內混凝土采用上開洞的辦法澆筑，并設置排氣孔；站臺層以下鋼結構及型鋼內混凝土澆筑完成后，再一次性澆筑所有樓板，施工時采用木模板，最后整體吊裝焊接鋼結構屋蓋。

圖3 試驗模型加工過程

質量相似需通過施加鉛塊配重作為附加質量來實現，本項目中存在荷載分布不均勻且構件自重占比較大的特點，試驗加載示意見圖4～圖7，不同顏色圖例為各樓層每個跨度單元內需加質量，模型總共需加配重477 kN。

圖4 站廳層樓面配重布置

圖5 承軌層樓面配重布置

圖6 站臺層樓面配重布置

圖7 雨棚層樓面配重布置

5 測試方案及加載工況

在模型底板和各層樓面布置加速度傳感器如圖8所示，可測得結構自振特性和加速度響應。再通過對加速度進行兩次積分，可以獲得各測點的位移。

圖8 加速度傳感器布置示意

試驗從8度小震(峰值加速度100 cm/s2)開始逐漸增大地震作用，經歷了相當于8度中震、8度大震的地震作用，直到超設防烈度的8.5度大震(峰值加速度510 cm/s2)。試驗所用地震波均根據規范反應譜確定，小震和中震各輸入2組天然波和1組人工波，共6組地震波。

大震工況下，為避免累計損傷影響試驗結果，僅采用反應最大的一條地震波進行試驗。中、大震僅進行三向輸入，小震除進行三向輸入外，還進行了垂軌向的單向輸入。根據汶川震害相關調研發現[15]，地震作用的豎向分量有時與水平分量相當。因此，在三向輸入時，除了進行規范要求的三方向輸入峰值比依次為1∶0.85∶0.75(主方向：次方向：豎向)的工況外，還進行了1∶0.85∶1(主方向∶次方向∶豎向)的工況。試驗前模型如圖9所示。

6 試驗結果

6.1 試驗過程及現象

8度小震共包括9次地震動輸入(工況2～12)，模型整體動力反應較小，可以觀察到結構有肉眼可見振動。輸入結束后，結構頻率略有下降，鋼構件未發現屈曲，柱腳及節點區域未見破壞，結構整體完好。

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8度中震共包括6次地震動輸入(工況14～20)，模型整體動力響應較大，鋼結構屋蓋伴隨有響聲，可以觀察到結構存在較為明顯的繞X軸(X：縱橋向；Y：橫橋向；Z：豎向)轉動。輸入結束后，結構剛度有所降低，樓板與鋼梁交界面出現裂縫。

8度大震輸入時(工況22)，模型整體動力反應強烈，振幅較大，屋蓋振幅大于下部結構，鋼結構屋面發出較大聲響。結構有明顯的繞X軸轉動；動力響應仍以結構整體反應為主，沒有出現局部振動。輸入結束后，觀察到樓板在面內出現開裂，其他部位未見明顯損傷。試驗后模型狀況見圖10。

圖10 試驗后模型狀況

8.5度大震輸入時，模型整體動力反應劇烈，整體振幅更大，鋼結構屋面發出劇烈聲響。結構為整體平動，扭轉效應不明顯，同時伴隨明顯的繞X軸轉動，與其他層相比，頂部鋼結構屋面振幅較下部結構更大。輸入結束后，樓板裂縫進一步發展；鋼梁和樓板脫開，交界處出現較大裂縫；其他部位未見明顯損傷。

6.2 結構自振特性

模型結構經歷了從小震到大震的輸入地震動作用，在整個過程中模型的自振特性發生了相應變化。在每個等級地震工況完成后，隨即進行白噪聲激勵，從而得到各級地震作用后模型的自振特性，見表5。

表5 模型自振特性及阻尼比變化

從實測頻率可以看出，結構X方向的頻率大于Y向頻率，說明結構X方向的整體剛度較大。隨著地震工況輸入加速度峰值的提高，結構的頻率逐漸降低，表明結構的損傷變大，剛度下降，同時結構的阻尼增大。

與初始狀態相比，8度小震后，X向和Y向剛度分別降低6%和12%；8度中震后，X向和Y向剛度分別降低22%和24%；8度大震后，X向和Y向剛度分別降低27%和25%；8.5度大震后，X向和Y向剛度分別降低29%和29%。

雖然小震后結構即出現下降，但試驗過程中沒有觀測到損傷，剛度下降原因可能為結構設計條件不一致導致。在小震階段，站臺層以上按50年一遇設計，結構其余部分按100年一遇設計，而地震輸入為100年一遇的小震，造成站臺層以上結構出現了輕微損傷。由于小震工況較多，累積后造成結構整體剛度略有下降。

6.3 結構加速度放大系數響應

圖11、圖12給出了相同地震波下X向和Y向在小震(工況7)、中震(工況15)和大震(工況22)的加速度放大系數對比(測點與底板加速度峰值之比)。整體上看，加速度放大系數隨著地震作用增強而減小，隨著高度增大而變大，也說明了地震作用增強時，結構出現了一定的損傷，剛度下降。同時，由于結構上部剛度突然減小的原因，造成結構頂部鞭梢效應較強，結構的站臺層和雨棚層加速度有明顯放大，特別是Y向尤其突出。

圖11 8度不同強度地震作用下各測點X向加速度放大系數對比

圖12 8度不同強度地震作用下各測點Y向加速度放大系數對比

圖13為8度小震三向輸入時，三方向輸入峰值比依次為1∶0.85∶0.75(工況6)和1∶0.85∶1(工況10)的對比情況。可以看出，工況10的Z向加速度峰值增大后，會引起站臺層各點水平加速度增大，而且同一高度各位置的加速度響應有所不同，角點增大尤為突出，對其余各層影響較小。上述結果說明，結構在地震作用下存在扭轉效應。

圖13 Z向輸入加速度峰值不同時Y向加速度響應對比

6.4 結構位移響應

圖14、圖15給出了相同地震波下X向和Y向在小震、中震和大震的位移和層間位移角結果。位移結果表明，結構X向位移沿層高均勻變化，而Y向位移在雨棚層有明顯增大，說明X向剛度沿豎向分布較均勻，Y向有比較明顯的剛度突變。從各點的位移差異來看，結構扭轉位移不明顯，說明結構側向剛度較大，質量分布不均勻以及樓板大開洞對結構位移的影響較小。

圖14 各級震作用下X向位移及層間位移角結果

圖15 各級震作用下Y向位移及層間位移角結果

站臺層及以下部分X向和Y向最大層間位移角在8度小震作用時分別為1/1 987和1/570，8度中震作用時分別為1/1 020和1/232；8度大震作用時分別為1/552和1/197。

雨棚層X向和Y向最大層間位移角在8度小震作用時分別為1/1 967和1/153，8度中震作用時分別為1/1 343和1/82；8度大震作用時分別為1/920和1/70。

7 有限元分析對比

采用MIDAS軟件，建立原型結構的有限元模型。用桿單元模擬梁、柱等構件，用殼單元模擬混凝土樓板，根據模型實測材料的本構按照相似關系換算后定義原型模型中的材料特性，同時對模型設計中的簡化措施也在原型模型做相應修改，對修改后的模型進行計算分析。在時程分析時所輸入地震波為試驗模型底板采集的加速度時程數據，并按相似關系換算至原型。將有限元計算的結果乘以表4中對應物理量的相似關系，推算得到對應縮尺模型的結果，并與振動臺試驗結果進行對比，以驗證試驗結果的準確性。

結構計算與模型試驗的主要周期及頻率結果對比見表6。結果表明，模型動力特性與原型計算值相合較好，試驗能夠反映真實結構的抗震性能。

表6 試驗模型與計算模型周期及頻率對比

圖16和圖17為部分小震工況下，結構的加速度、位移及層間位移角計算值與試驗值的對比結果。由結果可見，加速度及樓層位移試驗值與計算值符合較好，總體上分布規律相同。

圖16 小震作用下加速度結果比較

圖17 小震作用下位移結果比較

8 結論及建議

本文首次對8度區鋼-混凝土組合結構形式的“干”字形獨柱車站，按照相似關系制作了1∶10的試驗模型，進行了模擬地震振動臺試驗模型，根據觀察的試驗現象及測量的試驗數據，經分析得到了以下結論。

(1)在彈性階段，模型的動力特性與原型計算結果相符較好，能滿足本次振動臺試驗設計相似比關系，說明試驗結果與有限元計算結果可靠，能夠相互印證。

(2)試驗表明結構具有較好的抗震承載力，經歷了超設防烈度的8.5度大震作用后，結構保持直立，整體剛度降低29%，主要損傷出現在組合樓板，梁、柱及節點未發現明顯損傷，驗證了本文的新型車站結構具有可靠的抗震安全性，可滿足8度區的抗震要求。

(3)加速度結果表明，Y向結構頂部鞭梢效應較強，結構的站臺層和雨棚層加速度有明顯放大，加速度放大系數達到6.0左右，對圍護結構會有不利影響；Z向加速度峰值增大后，還會引起站臺層水平加速度增大；站臺層及以上結構的加速度有所差異，存在一定的扭轉效應。

(4)位移結果表明，X向剛度沿豎向分布較均勻，Y向有比較明顯的剛度突變。各點的位移差異較小，結構扭轉位移不明顯，說明盡管存在扭轉效應，但結構側向剛度較大，質量分布不均勻以及樓板大開洞對結構位移的影響較小。

綜合振動臺試驗結果來看，在8度設防地區，鋼-混凝土組合結構形式的“干”字形獨柱車站具有良好的抗震性能和足夠的抗震承載能力，但在站臺層及雨棚層剛度突變，屬于抗震不利的部位。但這部分結構的設計水準又低于下部“干”字形結構，因此造成結構的薄弱部位出現在這兩層。建議對雨棚層也進行性能化設計，即使薄弱部位出現損傷后也不影響車站運營。