陶連金，吳秉林，李積棟，李書(shū)龍，王 軻

(北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100124)

同地上結(jié)構(gòu)相比，地下結(jié)構(gòu)一般被認(rèn)為是抗震性能較好的結(jié)構(gòu)［1-2］。自1995年阪神地震對(duì)地下結(jié)構(gòu)首次產(chǎn)生嚴(yán)重破壞以來(lái)，許多學(xué)者通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)等方法對(duì)典型地鐵車站抗震薄弱環(huán)節(jié)、埋深的影響及多層地震響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了深入研究。對(duì)地下結(jié)構(gòu)而言中柱是最薄弱的部位，地震作用下首先遭受破壞，地震作用使中柱存在很大的動(dòng)力損傷［3-6］，文獻(xiàn)［7-8］進(jìn)行了地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)淺層結(jié)構(gòu)在地震中比深埋結(jié)構(gòu)更易遭到破壞，多層地下結(jié)構(gòu)在地震作用時(shí)頂層破壞最為嚴(yán)重，底層破壞最輕，以上均是針對(duì)典型地鐵車站的試驗(yàn)研究。隨著地鐵施工技術(shù)的成熟，地鐵車站的結(jié)構(gòu)形式必將越發(fā)多樣，寬柱距、大跨度與異形柱等地鐵車站結(jié)構(gòu)形式未來(lái)將出現(xiàn)在地鐵車站中，但針對(duì)異形柱地鐵車站的地震動(dòng)響應(yīng)規(guī)律的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究卻少見(jiàn)報(bào)道。

本文以北京地鐵6號(hào)線2期新華大街站為研究對(duì)象，對(duì)大跨度淺埋Y形柱雙層地鐵車站進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，探討其在不同地震條件下的地震動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，為未來(lái)異形柱的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c模型箱

圖1 模型箱

為了控制土體剪切變形及模型箱的邊界效應(yīng)，模型箱采用柔性剪切箱，如圖1所示。模型箱沿振動(dòng)方向尺寸為2.5 m，垂直振動(dòng)方向?yàn)?.5 m，凈高1.2 m，在箱體四周粘貼橡膠，減小波動(dòng)能量在土體邊界產(chǎn)生反射與散射［9-10］。

按車站實(shí)際情況，結(jié)構(gòu)模型選取矩形斷面，中柱采取Y形柱，如圖2所示。采用鍍鋅鋼絲模擬鋼筋并澆筑微?；炷林谱鬈囌灸Ｐ停琘形柱采用內(nèi)部澆筑混凝土的圓鋼管，根據(jù)模型幾何相似比，模型結(jié)構(gòu)尺寸長(zhǎng)寬高分別為 860，820與 380 mm，Y形柱直徑為30 mm，頂板厚20 mm，側(cè)壁厚20 mm。在試驗(yàn)輸入地震波前，將模型土在配重下充分壓實(shí)。

圖2 車站結(jié)構(gòu)模型

1.2 相似比

由于土體的非線性，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯耆珴M足相似律是不現(xiàn)實(shí)的［11］?？紤]作業(yè)空間限制并遵循模型相似設(shè)計(jì)基本原則［12］，車站結(jié)構(gòu)模型幾何尺寸相似比設(shè)為1/50，采用的土體為施工現(xiàn)場(chǎng)原狀土，車站結(jié)構(gòu)模型采用的微粒混凝土與實(shí)際車站混凝土材料密度基本一致，質(zhì)量密度相似比為1∶1，設(shè)彈性模量相似比為1/4，根據(jù)相似三定律，可推出各物理量動(dòng)力相似系數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 各物理量動(dòng)力相似關(guān)系

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

為研究土與結(jié)構(gòu)相互作用加速度反應(yīng)規(guī)律，土中埋設(shè)加速度計(jì)23個(gè)，結(jié)構(gòu)上布置加速度計(jì)12個(gè)，在土體中距模型箱底板距離 12，42，68，83，98，107 cm 的位置分別布設(shè)6排加速度傳感器，如圖3所示。高向宇等［13］研究表明Y形柱分叉點(diǎn)處是抗震薄弱環(huán)節(jié)，宜對(duì)該區(qū)域著重進(jìn)行觀測(cè)，Y形柱上粘貼10片應(yīng)變片，邊墻粘貼4片，如圖4所示。為防止傳感器受潮影響數(shù)據(jù)記錄，應(yīng)變片上使用914膠水涂抹覆蓋，加速度計(jì)表面用塑料薄膜包裹并粘貼膠布固定對(duì)其防潮處理。采集傳感器編號(hào)YA表示Y形柱加速度計(jì)，JA表示邊墻與板上加速度計(jì)，Y表示 Y形柱應(yīng)變，S表示邊墻應(yīng)變。

圖3 加速度傳感器布置

圖4 應(yīng)變片布置

1.4 加載工況

試驗(yàn)中地震波分別采用新華大街人工波和阪神波，采用單向多次加載制度，輸入地震動(dòng)量級(jí)逐漸增加，加載地震波峰值分別為0.1g，0.3g，0.5g與0.8g，共4個(gè)工況，激振前輸入白噪聲進(jìn)行土體壓密，在每次工況前使用0.05g白噪聲進(jìn)行掃描，以檢測(cè)模型動(dòng)力特性變化。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 土層中地震動(dòng)傳播

陳國(guó)興等［14］研究表明，地震作用下地基土表現(xiàn)出低頻放大效應(yīng)。為詳細(xì)描述加速度放大效果，在此定義加速度放大系數(shù)的概念，即指土體各測(cè)點(diǎn)峰值加速度與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面測(cè)點(diǎn)峰值加速度之比。臺(tái)面峰值加速度見(jiàn)表2。

表2 各工況振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面峰值加速度 g

1)隨著地震能量的增加，各測(cè)點(diǎn)峰值加速度亦增加(如表3與表4所示)。表3、表4還顯示:①在輸入同一地震波時(shí)，深埋測(cè)點(diǎn)的峰值加速度小于淺埋測(cè)點(diǎn)的加速度，不同峰值加速度人工波作用下，測(cè)點(diǎn)A23比點(diǎn)A3的峰值加速度大40%以上，即相同地震波下，隨著埋深的減小，測(cè)點(diǎn)的峰值加速度增加;②輸入相同峰值加速度的地震波，阪神波時(shí)測(cè)點(diǎn)加速度反應(yīng)大于人工波時(shí)加速度反應(yīng)。

2)在不同工況下，各測(cè)點(diǎn)加速度放大系數(shù)基本都＞1，如圖5所示。圖5還顯示:①地震波加速度峰值為0.1g時(shí)放大系數(shù)明顯大于其他輸入地震動(dòng)量級(jí);②隨著輸入地震動(dòng)量級(jí)增加，模型箱底部測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)加速度放大系數(shù)＜1的情況，是由于地震動(dòng)量級(jí)較大時(shí)，底部土體與箱底部粗糙面產(chǎn)生的摩擦力偏小從而產(chǎn)生相對(duì)位移運(yùn)動(dòng)所致;③與結(jié)構(gòu)模型埋深一致的測(cè)點(diǎn)A11，A15與A19的加速度放大系數(shù)曲線并沒(méi)有因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)模型的存在而產(chǎn)生劇烈變化。

表3 輸入新華大街人工波時(shí)各測(cè)點(diǎn)峰值加速度 g

表4 輸入阪神波時(shí)各測(cè)點(diǎn)峰值加速度g

圖5 土體中測(cè)點(diǎn)加速度放大系數(shù)

2.2 結(jié)構(gòu)中地震動(dòng)傳播

1)各測(cè)點(diǎn)峰值加速度隨著地震動(dòng)量級(jí)的增加而增大，如表5與表6所示。表5、表6還顯示:①相同地震波下，隨著埋深的減小測(cè)點(diǎn)峰值加速度增大，相同埋深測(cè)點(diǎn)的峰值加速度接近;②在相同加速度峰值下，阪神波時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度反應(yīng)大于人工波時(shí)的加速度反應(yīng)。

表5 輸入新華大街人工波時(shí)Y形柱各測(cè)點(diǎn)峰值加速度 g

表6 輸入阪神波時(shí)Y形柱各測(cè)點(diǎn)峰值加速度 g

2)以車站模型底部為基準(zhǔn)面，距結(jié)構(gòu)底板距離與測(cè)點(diǎn)加速度放大系數(shù)關(guān)系曲線如圖6所示?？梢钥闯?①加速度峰值較小時(shí)，加速度放大效果明顯，如當(dāng)輸入0.1g阪神波時(shí)，各測(cè)點(diǎn)放大系數(shù)＞1.4;②隨著地震動(dòng)量級(jí)的增加，加速度放大系數(shù)逐漸減小;③Y形柱頂部加速度放大系數(shù)最大，底部放大系數(shù)最小，即隨著距結(jié)構(gòu)底板距離增加加速度放大系數(shù)增加。

3)邊墻一側(cè)受周圍土體的限制，另一側(cè)受限制很小，僅有板的約束作用，地震波傳到車站邊墻時(shí)，產(chǎn)生反射與折射，試驗(yàn)得出邊墻在地震波下加速度數(shù)據(jù)，見(jiàn)表7與表8?？梢钥闯?①相同地震波下，邊墻頂部的峰值加速度反應(yīng)最大，中部次之，底部加速度反應(yīng)最小，即頂部加速度反應(yīng)＞中部加速度反應(yīng)＞底部加速度反應(yīng)，這與周邊土中測(cè)點(diǎn)反應(yīng)規(guī)律一致;②相同地震動(dòng)時(shí)，輸入阪神波測(cè)點(diǎn)加速度反應(yīng)大于人工波時(shí)加速度反應(yīng)。

圖6 Y形柱各測(cè)點(diǎn)加速度放大系數(shù)變化折線

表7 輸入新華大街人工波時(shí)邊墻各測(cè)點(diǎn)峰值加速度 g

表8 輸入阪神波時(shí)邊墻各測(cè)點(diǎn)峰值加速度 g

不同工況板上各點(diǎn)加速度放大系數(shù)與距結(jié)構(gòu)底板距離之間的關(guān)系曲線如圖7所示?？梢?jiàn)相同地震波下，邊墻頂部放大系數(shù)最大，中部次之，底部最小，與邊墻加速度反應(yīng)規(guī)律一致，在地震動(dòng)量級(jí)較小時(shí)底部與頂部的差距比較明顯;隨著地震動(dòng)量級(jí)的增加，加速度放大系數(shù)減小。

4)在結(jié)構(gòu)的頂板、中板與底板上各布置1個(gè)加速度計(jì)，不同工況下測(cè)點(diǎn)峰值加速度見(jiàn)表9與表10?？梢?jiàn)相同地震波作用下，頂板峰值加速度＞底板峰值加速度＞中板峰值加速度，中板與底板之間加速度反應(yīng)相差不大;阪神波下板的加速度反應(yīng)大于人工波時(shí)加速度反應(yīng)。

圖7 邊墻各測(cè)點(diǎn)加速度放大系數(shù)變化折線

表9 輸入人工波時(shí)板上各測(cè)點(diǎn)峰值加速度 g

表10 輸入阪神波時(shí)板上各測(cè)點(diǎn)峰值加速度 g

2.3 應(yīng)變分析

1)在測(cè)點(diǎn)布置圖Y形柱旁邊畫(huà)一條豎線，對(duì)應(yīng)位置標(biāo)出監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并將應(yīng)變幅值大小以水平線長(zhǎng)短表示，畫(huà)出人工波加速度峰值0.5g時(shí)應(yīng)變幅值曲線，如圖8(a)所示;輸入阪神波不同加速度峰值時(shí)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變幅值曲線，如圖8(b)所示。圖形顯示:①雙層地鐵車站Y形柱應(yīng)變幅值下層應(yīng)變大于上層應(yīng)變;②相同地震波下，隨著埋深的增加Y形柱應(yīng)變幅值增加;③Y形柱分叉點(diǎn)位置及其上部應(yīng)變幅值很小，輸入地震動(dòng)量級(jí)較小時(shí)，Y1，Y3與Y5的應(yīng)變比較接近，隨著地震動(dòng)量級(jí)增加，三者的應(yīng)變幅值差距增大;④隨著地震波加速度峰值增加，測(cè)點(diǎn)應(yīng)變幅值增加，0.8g時(shí)應(yīng)變幅值最大。

圖8 Y形柱各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變反應(yīng)規(guī)律

2)地震波相同時(shí)，邊墻底部的應(yīng)變幅值最大，其次為頂部應(yīng)變幅值，邊墻中部S6與S7應(yīng)變幅值接近，應(yīng)變幅值均較小，即底部應(yīng)變幅值＞頂部應(yīng)變幅值＞中部應(yīng)變幅值;隨著地震動(dòng)量級(jí)的增加，邊墻應(yīng)變?cè)龃?，如?1與表12所示。阪神波引起的邊墻應(yīng)變反應(yīng)大于對(duì)應(yīng)點(diǎn)人工波引起的反應(yīng)。

表11 輸入人工波時(shí)邊墻各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變幅值 10－6

表12 輸入阪神波時(shí)邊墻各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變幅值 10－6

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，主要得出以下結(jié)論:

1)隨著輸入地震波加速度峰值增加，土體測(cè)點(diǎn)峰值加速度增大，加速度放大系數(shù)減小。

2)相同地震波下，Y形柱頂部加速度反應(yīng)大于底部，即隨著埋深減小，加速度反應(yīng)增大;相同地震波作用下，頂板峰值加速度＞底板峰值加速度＞中板峰值加速度，中板與底板之間加速度反應(yīng)相差不大。

3)模型測(cè)點(diǎn)應(yīng)變幅值隨著輸入地震波加速度峰值增加而變大;相同地震波作用下，Y形柱底部應(yīng)變幅值＞中部應(yīng)變幅值＞頂部應(yīng)變幅值，同一埋深條件下，Y形柱應(yīng)變幅值接近;邊墻應(yīng)變幅值在相同地震波作用下，底部應(yīng)變幅值＞頂部應(yīng)變幅值＞中部應(yīng)變幅值。

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