權(quán)登州 王毅紅 井彥林 尹尚之 葉 丹

（長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安 710061）

黃土地區(qū)地鐵車站數(shù)值模型及測試位置研究1

權(quán)登州 王毅紅 井彥林 尹尚之 葉 丹

（長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安 710061）

介紹了黃土地區(qū)地鐵車站振動臺模型試驗(yàn)的測試設(shè)備與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；基于ABAQUS有限元分析軟件，采用有限元-無限元耦合的建模方法，對地震作用下黃土地區(qū)地鐵車站的加速度反應(yīng)、位移反應(yīng)、應(yīng)變反應(yīng)，以及土-結(jié)構(gòu)相互作用的接觸土壓力進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)構(gòu)件交叉部位的應(yīng)變反應(yīng)及接觸土壓力較大。最后，根據(jù)地鐵車站地震反應(yīng)特點(diǎn)，研究了黃土地區(qū)地鐵車站振動臺模型試驗(yàn)中傳感器的布置原則和布置方案，為試驗(yàn)獲得可靠數(shù)據(jù)提供了重要保證。同時，本文得到的黃土地區(qū)地鐵車站地震反應(yīng)特點(diǎn)和規(guī)律，可為黃土介質(zhì)模型試驗(yàn)及深度數(shù)值模型分析提供參考。

黃土地區(qū) 地鐵車站 振動臺模型試驗(yàn) 傳感器 ABAQUS 數(shù)值分析

權(quán)登州，王毅紅，井彥林，尹尚之，葉丹，2015.黃土地區(qū)地鐵車站數(shù)值模型及測試位置研究.震災(zāi)防御技術(shù)，10（1）：108—115. doi：10.11899/zzfy20150111

引言

近年來隨著我國西部地區(qū)城市地下空間開發(fā)利用的快速發(fā)展，黃土地區(qū)地鐵工程日益增多。如：西安地鐵已建成通車50.3km，遠(yuǎn)景規(guī)劃總里程將達(dá)660km；蘭州地鐵一號線已開工建設(shè)，計劃2016年建成通車，其遠(yuǎn)景規(guī)劃里程約130km。地鐵車站通常為服務(wù)型公共場所，人口密度大，服務(wù)設(shè)施多，人員緊急疏散耗時長。若在地震作用下遭受結(jié)構(gòu)破壞，造成的損失將非常慘重，另外震后修復(fù)和加固困難，費(fèi)用也將十分昂貴（秦立科，2010）。因此，黃土地區(qū)地鐵車站的抗震性能及安全性評價日益受到密切關(guān)注。然而由于缺少有針對性的強(qiáng)震記錄，對地震荷載作用下黃土地區(qū)地鐵車站的地震響應(yīng)尚缺乏足夠的認(rèn)識，因而有必要通過振動臺模型試驗(yàn)了解黃土地區(qū)地鐵車站地震反應(yīng)特性及其規(guī)律，為黃土地區(qū)地下結(jié)構(gòu)的抗震分析與設(shè)計提供可靠資料。

在黃土地區(qū)地鐵車站地震模擬振動臺模型試驗(yàn)中，傳感器的布置位置對獲得可靠的試驗(yàn)結(jié)果至關(guān)重要。本文以西安地鐵建設(shè)為例，基于有限元-無限元耦合的建模方法，分析了黃土地區(qū)地鐵車站的地震反應(yīng)規(guī)律；在西安黃土地區(qū)地鐵車站地震模擬振動臺模型試驗(yàn)中，對數(shù)據(jù)信息的采集及傳感器的布置進(jìn)行了研究，為獲得可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)提供了重要保證。同時，本文可為黃土介質(zhì)模型試驗(yàn)及深度數(shù)值模型分析提供參考。

1 測試設(shè)備與數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)采用西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)與抗震實(shí)驗(yàn)室振動臺試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由美國MTS公司生產(chǎn)的三向六自由度大型高性能模擬地震振動臺，主要包括：振動臺臺體、驅(qū)動系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和模型箱。其主要技術(shù)參數(shù)是：振動臺臺面尺寸為4m×4m；最大載重量為30T；工作頻段為0.1—120Hz；振動波形可為隨機(jī)波及各種地震波；水平向最大加速度為1.2g；豎向最大加速度為0.7g；水平向最大速度為±400mm/s ；豎向最大速度為±300mm/s；水平向最大位移為±150mm；豎向最大位移為±100mm；最大傾覆力矩為35T·m；模型最大重心高度為1m；模型最大偏心矩為1m。本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶缀蜗嗨票葹?：30，模型箱尺寸為4m×3.5m×1.8m，車站結(jié)構(gòu)模型采用微粒混凝土澆筑（陳國興等，2010），模型土采用西安地鐵5號線地下車站工點(diǎn)的黃土樣。

為了解黃土的動力特性，研究黃土介質(zhì)中地鐵車站的動力反應(yīng)特征，在振動臺激振過程中測試的數(shù)據(jù)信息為，黃土介質(zhì)與地鐵車站結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)、位移反應(yīng)、地鐵車站結(jié)構(gòu)的應(yīng)變反應(yīng)，以及土與地鐵車站結(jié)構(gòu)之間的接觸壓力（楊林德等，2003）。試驗(yàn)中采集數(shù)據(jù)信息所用的傳感器如圖1所示。加速度反應(yīng)選用型號為LC04系列的內(nèi)置IC壓電式傳感器采集；位移反應(yīng)采用電感調(diào)頻式位移傳感器采集；結(jié)構(gòu)應(yīng)變采用電阻應(yīng)變片采集，型號為BX120-5AA，柵長為5mm×3 mm；土與結(jié)構(gòu)之間的接觸壓力采用量測動態(tài)土壓力的傳感器采集，型號為XHX-460型，直徑為100mm，量程為6.0MPa。

圖1 試驗(yàn)用傳感器Fig. 1 Sensors in the test

2 黃土地區(qū)地鐵車站的有限元-無限元耦合分析

2.1 黃土介質(zhì)與典型地鐵車站

我國的黃土主要分布在西北、華北等地區(qū)。西安地鐵跨越了渭河階地、黃土臺塬及洪積臺地等地貌單元，地質(zhì)條件復(fù)雜，這是我國首次在黃土地區(qū)修建地鐵。其中，5號線有約半數(shù)工程位于黃土區(qū)域。為了解工程沿線黃土的動力特征，對5號線路17處站點(diǎn)進(jìn)行了工程地質(zhì)鉆探、取土樣并做動力學(xué)試驗(yàn)（駱亞生，2000）、測試土層波速，現(xiàn)場勘察和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果反映了黃土場地的特性。假定地鐵車站周圍黃土為彈性介質(zhì)，選取典型的黃土物理力學(xué)參數(shù)，用于黃土地區(qū)地鐵車站的有限元-無限元耦合分析，就可使計算結(jié)果反映出黃土介質(zhì)的特性。表1為黃土材性參數(shù)。

表1 黃土材性參數(shù)Table 1 The material parameters of loess

西安黃土地區(qū)地鐵車站的橫截面呈兩層雙跨矩形，如圖2所示。車站結(jié)構(gòu)寬18.7m，高13.55m，左右跨對稱布置；上、下層邊墻厚度分別為0.6m和0.7m；上、下層柱凈高分別為4.95 m和6.6m；車站頂、底板厚度均為0.8m，中板厚度為0.4m。主體結(jié)構(gòu)采用C30強(qiáng)度等級混凝土，側(cè)墻、頂板、底板的配筋率為1.2%，柱的配筋率為1.5%。

圖2 地鐵車站橫截面圖（單位：mm）Fig. 2 The cross section of subway station

2.2 地鐵車站分析模型

基于ABAQUS大型非線性有限元分析平臺，采用有限元-無限元耦合的建模方法，使用有限單元模擬車站結(jié)構(gòu)及近場黃土，使用無限元傳輸邊界模擬遠(yuǎn)場黃土介質(zhì)（Lysmer等，1969），建立二維平面應(yīng)變模型。模型尺寸為100m×50m，車站結(jié)構(gòu)按實(shí)際尺寸建模，埋深為16m；黃土介質(zhì)采用Mohr-Coulomb塑性模型，材性參數(shù)見表2；車站結(jié)構(gòu)C30混凝土采用CDP模型（混凝土塑性損傷模型），材料密度取2400kg/m3，楊氏模量取2.1× 1010Pa，泊松比取0.2，塑性損傷因子見表2（孟憲春等，2011）。土-結(jié)構(gòu)相互作用采用ABAQUS中的主從接觸面對模擬（費(fèi)康等，2010），有限元分析模型如圖3所示。

車站結(jié)構(gòu)的單元劃分如圖4所示。地震作用選用EI Centro波模擬，在模型底面輸入持時為53.5s的完整地震波，如圖5所示。

表2 C30混凝土塑性損傷因子Table 2 Plastic damage parameter of C30 concrete

圖3 土-地鐵車站抗震分析模型Fig. 3 Analitical model of soil-subway station

圖4 地鐵車站網(wǎng)格劃分Fig. 4 The mesh generation of subway station

圖5 El Centro地震動Fig. 5 El Centro seismic wave

2.3 地震響應(yīng)分析

黃土地區(qū)地鐵車站有限元仿真分析結(jié)果如圖6所示。加速度放大系數(shù)為不同深度處加速度幅值與模型底部加速度幅值之比，其沿深度的變化規(guī)律見圖6（a）；相對位移幅值沿深度的變化規(guī)律見圖6（b）；結(jié)構(gòu)最大相對土壓力為數(shù)值計算過程中結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的最大土壓力與結(jié)構(gòu)上所發(fā)生的最大土壓力的比值，其分布見圖6（c）；結(jié)構(gòu)頂板相對底板發(fā)生最大相對位移時，應(yīng)變分布如圖6（d）所示。

由上述分析結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，黃土地區(qū)地鐵車站地震反應(yīng)有以下特點(diǎn)：

（1）加速度放大系數(shù)從模型底部向頂部呈遞增變化，即加速度幅值從模型底部向上傳播的過程中逐漸被放大。

（2）相對位移幅值呈現(xiàn)出與加速度變化相似的規(guī)律，即相對位移幅值從模型底部向上傳播的過程中逐漸被放大。

（3）由土-結(jié)構(gòu)之間接觸壓力分析結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)構(gòu)件端部接觸壓力均較大，最大接觸壓力發(fā)生在結(jié)構(gòu)下角點(diǎn)；而構(gòu)件中部變形相對較大，導(dǎo)致土-結(jié)構(gòu)之間接觸壓力相對較小。

（4）結(jié)構(gòu)應(yīng)變分析結(jié)果表明，構(gòu)件相互交接處附近應(yīng)變較大。底層中柱的底端應(yīng)變最大，頂層中柱的頂端次之；頂板、底板及中板靠近中柱和側(cè)墻處應(yīng)變較大；側(cè)墻靠近頂板、底板及中板處應(yīng)變最大。

3 黃土地區(qū)地鐵車站振動臺試驗(yàn)中傳感器的布置

3.1 傳感器布置原則

根據(jù)振動臺試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽?、?shí)際試驗(yàn)條件及黃土地區(qū)地鐵車站地震響應(yīng)仿真分析結(jié)果，確定本次地震模擬振動臺模型試驗(yàn)中傳感器布置的基本原則如下：

（1）地鐵車站結(jié)構(gòu)的觀測斷面選取與中柱軸線重合的橫向斷面，使測量數(shù)據(jù)信息盡量符合二維平面應(yīng)變假設(shè)。

（2）橫向觀測斷面位置與地鐵車站結(jié)構(gòu)端部的距離大于結(jié)構(gòu)的橫向跨度，以減弱端部對觀測斷面動力反應(yīng)的影響（王國波，2007）。

（3）橫向觀測斷面的數(shù)量不少于2個，其中主觀測斷面1個，其余為輔助觀測斷面。主觀測斷面上傳感器多于輔助觀測斷面，且主觀測斷面的中柱及其他關(guān)鍵部位的兩側(cè)布置應(yīng)變片，以對構(gòu)件兩側(cè)的受力變形狀態(tài)進(jìn)行對比；輔助觀測斷面上與主觀測斷面關(guān)鍵部位相同位置處設(shè)置傳感器，可相互比較驗(yàn)證數(shù)據(jù)信息的可靠性；在地鐵車站結(jié)構(gòu)近鄰端墻位置設(shè)置少量傳感器，以對比檢驗(yàn)端墻對結(jié)構(gòu)受力變形狀態(tài)產(chǎn)生的影響。

（4）結(jié)構(gòu)中部分關(guān)鍵部位同時布置了多個傳感器，應(yīng)協(xié)調(diào)各傳感器的相對位置，保證其采集數(shù)據(jù)時互不干擾。

（5）采用的振動臺試驗(yàn)系統(tǒng)共有68個數(shù)據(jù)采集通道，充分利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各通道，對盡量多的關(guān)鍵部位進(jìn)行測量，以便更加全面地采集結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)信息。

3.2 傳感器布置方案

在黃土地區(qū)地鐵車站地震模擬振動臺模型試驗(yàn)中共設(shè)置了3個橫向觀測斷面，均與中柱軸線重合。其中，主觀測斷面和輔助觀測斷面位于車站結(jié)構(gòu)的中部，主要采集車站結(jié)構(gòu)及周圍黃土介質(zhì)的地震反應(yīng)信息；另一觀測斷面設(shè)置在距離端部較近處，其采集的數(shù)據(jù)信息可用于檢驗(yàn)縱向邊界約束對車站結(jié)構(gòu)中部地震響應(yīng)的影響（楊林德等，2004）。

模型試驗(yàn)中傳感器的布置如圖7所示。圖中A為加速度傳感器，共設(shè)23個，其中A1-A18可采集土體與結(jié)構(gòu)水平向加速度反應(yīng)，A19可檢驗(yàn)振動臺臺面地震波輸入；A23設(shè)于模型縱向端頭處端墻，可檢驗(yàn)縱向邊界對結(jié)構(gòu)加速度反映的影響。圖中S為應(yīng)變片，共設(shè)32個，主觀測斷面設(shè)置了21個，輔助觀測斷面設(shè)置了11個；P為土壓力傳感器，共設(shè)7個；L為位移傳感器，共設(shè)5個，均設(shè)置于主觀測斷面，可量測土體相對于振動臺的剪切變形。

圖7 黃土地區(qū)地鐵車站振動臺試驗(yàn)傳感器布置Fig. 7 Sensor placement of shaking table test for subway station in loess

4 結(jié)語

本文以西安地鐵建設(shè)為例，介紹了黃土地區(qū)地鐵車站地震模擬振動臺模型試驗(yàn)中的測試設(shè)備與數(shù)據(jù)采集?；贏BAQUS有限元分析軟件，采用有限元-無限元耦合的建模方法，分析了黃土地區(qū)地鐵車站的地震反應(yīng)規(guī)律。對西安黃土地區(qū)地鐵車站地震模擬振動臺模型試驗(yàn)中傳感器的布置位置進(jìn)行了研究，為試驗(yàn)順利進(jìn)行及獲得可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)提供了重要保證。同時，本文得到的黃土地區(qū)地鐵車站地震反應(yīng)特點(diǎn)和規(guī)律，可為黃土介質(zhì)模型試驗(yàn)及深度數(shù)值模型分析提供參考。

陳國興，左熹，王志華，杜修力，孫田，2010.地鐵車站結(jié)構(gòu)近遠(yuǎn)場地震反應(yīng)特性振動臺試驗(yàn).浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），44（10）：1955—1961.

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Lysmer J.，Kulemeyer R.L，1969.Finite dynamic model for infinite media.Engineering Mechanics Division ASCE，95：859—877.

Numerical Model and Measuring Position for Subway Stations in Loess Area

Quan Dengzhou， Wang Yihong， Jing Yanlin， Yin Shangzhi and Ye Dan
（School of Civil Engineering， Chang'an University， Xi'an 710061， China）

In this paper test equipment and data acquisition system of shaking table model test of subway station in loess areas was introduced. Then， based on the finite element software of ABAQUS， the acceleration response，displacement response， strain response and contact pressure of subway station under seismic action were studied in loess area by coupling finite element with infinite element. The results showed that the strain responses and contact pressure in the cross site of structures was larger than other sites. Finally， according to the seismic response characteristics of subway station， the principles and methods of sensors placement in shaking table model test of subway station in loess areas were studied to obtain reliable data in the test and provide reference for model test and numerical model analysis of loess.

Loess area；Subway station；Shaking table model test；Sensors；ABAQUS；Numerical analysis

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41472267）；西安市地下鐵道有限責(zé)任公司科研基金資助項(xiàng)目（D4-YJ-042014048）

2014-11-29

權(quán)登州，男，生于1983年。博士生。主要從事工程結(jié)構(gòu)抗震研究。E-mail：qdz0809@163.com