張濤 曹振剛* 吳坤 寧子健 王雁 岳焱超

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司城建院，陜西西安 710043; 2.西安交通大學人居環(huán)境與建筑工程學院，陜西西安 710049)

我國城市地下空間開發(fā)利用迅速發(fā)展，地鐵發(fā)展呈明顯增長。日本阪神地震時地下結(jié)構(gòu)震害嚴重引起了工程界的重視［1］。地下結(jié)構(gòu)的研究模擬通常采取截面進行簡化的二維平面計算，計算模型和模擬很難反映真實的情況。特別是針對異形地鐵車站，其數(shù)值模擬的真實性更加難以保證，一般采用地下結(jié)構(gòu)模型的振動臺試驗進行研究。近年來很多學者進行了大量的地下結(jié)構(gòu)模型的振動臺試驗。楊林德等［2］通過振動臺試驗發(fā)現(xiàn)中柱應(yīng)變較大。吳秉林等［3］通過振動臺試驗對Y型柱地鐵車站進行了研究，得到了結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)。廣州天河公園地鐵站是一個大型的三線換乘地鐵車站，車站平面結(jié)構(gòu)形式“L形”布置，形狀特殊，構(gòu)造復(fù)雜。本文針對其交叉節(jié)點處的主體結(jié)構(gòu)進行振動臺試驗研究。

1 試驗設(shè)計

1.1 模型相似關(guān)系設(shè)計

本試驗?zāi)Ｐ拖嗨票扔葿ockingham定理［4］導(dǎo)出，如表1所示。

表1 模型相似比

1.2 模型制作

由于本項目模型尺寸過大，在選定的相似比關(guān)系下，無法考慮整體模型，因此選擇關(guān)鍵換乘節(jié)點部分進行建模。圖1為交叉節(jié)點三維模型，圖2為交叉節(jié)點試驗?zāi)Ｐ蛯嵨飯D。

圖1 交叉節(jié)點三維模型

圖2 交叉節(jié)點試驗?zāi)Ｐ蛯嵨飯D

試驗?zāi)Ｐ筒捎梦⒘；炷林谱?，結(jié)構(gòu)中的配筋采用鍍鋅鋼絲模擬。模型試驗中配筋設(shè)計兩個原則為:承載力相似原則、等面積配筋率原則。車站縮尺模型采用整體現(xiàn)澆，有利于原型結(jié)構(gòu)的受力特征。

1.3 模型箱的設(shè)計與土的制備裝箱

模型箱采用剛性固定邊界［5］。框架使用熱軋等邊角鋼和槽鋼焊接制成，底板采用鋼板，側(cè)壁采用木板。短邊箱體內(nèi)壁粘貼模塑聚苯乙烯泡沫塑料板，目的是為了減小側(cè)壁波的反射。長邊箱體內(nèi)壁粘貼聚氯乙烯薄膜，目的是為了減小土體和箱壁的摩擦力。底板采用12 mm厚鋼板，面積為1.9 m×2 m，底板上打孔為了與振動臺連接。模型箱底黏結(jié)一層碎石，目的是為了增大土體和箱底摩擦力，避免土體與箱底相對滑動。模型箱如圖3所示。

圖3 剛性模型箱

李霞等［6］的研究提出，最接近原型土的制備方法是夯實和靜壓相結(jié)合的方法。我們參考該方法制作模型土。本試驗的模型土高0.8 m，每填鋪100 mm厚虛土，人工夯實3遍。裝箱結(jié)束后，鋪10 t配重塊，靜壓3 d。

1.4 地震輸入和試驗的加載制度

本實驗振動臺的輸入波采用El-Centro波，如圖4所示。在每一級荷載加載前，采用白噪聲掃描，以觀測模型的動力特性。從0.1g 到1g逐級加載，每級差為0.1g。

1.5 試驗裝置及傳感器布置

對整個試驗?zāi)Ｐ偷目傎|(zhì)量進行估算，選擇與之匹配的振動臺。振動臺如圖5所示。本試驗所需的傳感器有加速度傳感器、應(yīng)變傳感器、土壓力計。

本次試驗設(shè)置2個觀測斷面，其中1個主觀測面，1個輔助觀測面。按照前面試驗?zāi)康募靶枰獪y量的數(shù)據(jù)類型，所需的試驗元件有:加速度計(A)、混凝土應(yīng)變片(S)、土壓力計(P)。布置如圖6～圖8所示。

2 實驗結(jié)果分析

圖4 El-Centro波地震加速度時程曲線

圖5 振動臺與土箱

圖6 振動方向布置圖

圖7 垂直于振動方向斷面?zhèn)鞲衅鞑贾脠D

圖8 斷面測試元件布置圖

2.1 破壞現(xiàn)象

加載完成后，主體仍然完好，如圖9所示。主要有兩處破壞比較嚴重:

1)墻板交界處。墻板交界處產(chǎn)生水平軸向的貫通裂縫，如圖10所示。這是由于上層的層間位移較大，墻板交界處彎矩與集中力比較大。

2)上層中柱。部分頂層的中柱上端產(chǎn)生塑性鉸，鋼筋裸露，如圖11所示。試驗現(xiàn)象與數(shù)值模擬一致，均為中柱處薄弱。

圖9 整體圖

圖10 部分側(cè)墻發(fā)生撕裂

圖11 部分中柱破壞

2.2 動應(yīng)變反應(yīng)

應(yīng)變片貼于混凝土表面，由于加工的原因貼片質(zhì)量較差，以及混凝土的應(yīng)變性能較差，大震作用下應(yīng)變片普遍失效，所以本節(jié)我們只考察了0.1g El-Centro波輸入下的應(yīng)變反應(yīng)。各應(yīng)變片應(yīng)變時程如圖12所示。其中，應(yīng)變片S2和S3加載前已損壞，故無讀數(shù)。

圖12 應(yīng)變監(jiān)測點應(yīng)變時程

圖13 結(jié)構(gòu)應(yīng)變峰值位置關(guān)系圖

表2 結(jié)構(gòu)應(yīng)變峰值位置關(guān)系表

圖13是小震時結(jié)構(gòu)應(yīng)變峰值位置關(guān)系圖，表2是結(jié)構(gòu)應(yīng)變峰值位置關(guān)系表。圖13與表2體現(xiàn)了本模型的動應(yīng)變規(guī)律:柱子的應(yīng)變與距地面的距離有關(guān)，底層柱子的應(yīng)變最小，頂層柱子的應(yīng)變最大;中柱的應(yīng)變最大。對照試驗完成后模型的破壞現(xiàn)象，也是同樣的規(guī)律，頂層中柱破壞最嚴重，底層柱子基本完好。

分析原因，認為地震波靠近地面放大程度越大，導(dǎo)致土體變形越大，被土體約束的結(jié)構(gòu)變形越大，證明地震作用下的地下結(jié)構(gòu)的破壞由位移控制。中柱變形大與試驗破壞現(xiàn)象吻合。因此，在進行地下結(jié)構(gòu)設(shè)計時，頂層中柱屬于薄弱位置。如圖13所示，分析1-8軸截面的應(yīng)變，中柱的應(yīng)變相對較大。

3 結(jié)語

本文通過研究對河公園站三線換乘地鐵車站交叉節(jié)點的振動臺試驗，得到以下規(guī)律:

1)地震作用下的地下結(jié)構(gòu)的破壞由位移控制，地震波的放大與結(jié)構(gòu)距地面的距離有關(guān);

2)最大應(yīng)變處出現(xiàn)在頂層中柱，應(yīng)加強頂層的中柱結(jié)構(gòu)設(shè)計;

3)墻板交界處彎矩和集中力較大，應(yīng)加強墻板交界處的設(shè)計;

4)試驗完畢后，地鐵車站基本完整，只有局部破壞。可見該地鐵車站換乘節(jié)點結(jié)構(gòu)具有足夠的抗震穩(wěn)定性。