陶連金，吳秉林，李積棟，李書龍，王 軻

(北京工業(yè)大學城市與工程安全減災教育部重點試驗室，北京 100124)

同地上結(jié)構(gòu)相比，地下結(jié)構(gòu)一般被認為是抗震性能較好的結(jié)構(gòu)［1-2］。自1995年阪神地震對地下結(jié)構(gòu)首次產(chǎn)生嚴重破壞以來，許多學者通過振動臺試驗等方法對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規(guī)律進行了深入研究。對地下結(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力損傷［3-6］，文獻［7-8］進行了地下結(jié)構(gòu)振動臺試驗，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)在地震作用時頂層破壞最為嚴重，底層破壞最輕，以上均是針對典型地鐵車站的試驗研究。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)形式未來將出現(xiàn)在地鐵車站中，但針對異形柱地鐵車站的地震動響應規(guī)律的振動臺試驗研究卻少見報道。

本文以北京地鐵6號線2期新華大街站為研究對象，對大跨度淺埋Y形柱雙層地鐵車站進行振動臺試驗研究，探討其在不同地震條件下的地震動響應規(guī)律，為未來異形柱的抗震設(shè)計提供參考。

1 模型試驗設(shè)計

1.1 試驗模型與模型箱

圖1 模型箱

為了控制土體剪切變形及模型箱的邊界效應，模型箱采用柔性剪切箱，如圖1所示。模型箱沿振動方向尺寸為2.5 m，垂直振動方向為1.5 m，凈高1.2 m，在箱體四周粘貼橡膠，減小波動能量在土體邊界產(chǎn)生反射與散射［9-10］。

按車站實際情況，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?，Y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。在試驗輸入地震波前，將模型土在配重下充分壓實。

圖2 車站結(jié)構(gòu)模型

1.2 相似比

由于土體的非線性，振動臺試驗模型完全滿足相似律是不現(xiàn)實的［11］?？紤]作業(yè)空間限制并遵循模型相似設(shè)計基本原則［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)場原狀土，車站結(jié)構(gòu)模型采用的微?；炷僚c實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，可推出各物理量動力相似系數(shù)，見表1。

表1 各物理量動力相似關(guān)系

1.3 測點布置

為研究土與結(jié)構(gòu)相互作用加速度反應規(guī)律，土中埋設(shè)加速度計23個，結(jié)構(gòu)上布置加速度計12個，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形柱分叉點處是抗震薄弱環(huán)節(jié)，宜對該區(qū)域著重進行觀測，Y形柱上粘貼10片應變片，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，應變片上使用914膠水涂抹覆蓋，加速度計表面用塑料薄膜包裹并粘貼膠布固定對其防潮處理。采集傳感器編號YA表示Y形柱加速度計，JA表示邊墻與板上加速度計，Y表示 Y形柱應變，S表示邊墻應變。

圖3 加速度傳感器布置

圖4 應變片布置

1.4 加載工況

試驗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，輸入地震動量級逐漸增加，加載地震波峰值分別為0.1g，0.3g，0.5g與0.8g，共4個工況，激振前輸入白噪聲進行土體壓密，在每次工況前使用0.05g白噪聲進行掃描，以檢測模型動力特性變化。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 土層中地震動傳播

陳國興等［14］研究表明，地震作用下地基土表現(xiàn)出低頻放大效應。為詳細描述加速度放大效果，在此定義加速度放大系數(shù)的概念，即指土體各測點峰值加速度與振動臺臺面測點峰值加速度之比。臺面峰值加速度見表2。

表2 各工況振動臺臺面峰值加速度 g

1)隨著地震能量的增加，各測點峰值加速度亦增加(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，深埋測點的峰值加速度小于淺埋測點的加速度，不同峰值加速度人工波作用下，測點A23比點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，測點的峰值加速度增加;②輸入相同峰值加速度的地震波，阪神波時測點加速度反應大于人工波時加速度反應。

2)在不同工況下，各測點加速度放大系數(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時放大系數(shù)明顯大于其他輸入地震動量級;②隨著輸入地震動量級增加，模型箱底部測點出現(xiàn)加速度放大系數(shù)＜1的情況，是由于地震動量級較大時，底部土體與箱底部粗糙面產(chǎn)生的摩擦力偏小從而產(chǎn)生相對位移運動所致;③與結(jié)構(gòu)模型埋深一致的測點A11，A15與A19的加速度放大系數(shù)曲線并沒有因為結(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各測點峰值加速度 g

表4 輸入阪神波時各測點峰值加速度g

圖5 土體中測點加速度放大系數(shù)

2.2 結(jié)構(gòu)中地震動傳播

1)各測點峰值加速度隨著地震動量級的增加而增大，如表5與表6所示。表5、表6還顯示:①相同地震波下，隨著埋深的減小測點峰值加速度增大，相同埋深測點的峰值加速度接近;②在相同加速度峰值下，阪神波時監(jiān)測點的加速度反應大于人工波時的加速度反應。

表5 輸入新華大街人工波時Y形柱各測點峰值加速度 g

表6 輸入阪神波時Y形柱各測點峰值加速度 g

2)以車站模型底部為基準面，距結(jié)構(gòu)底板距離與測點加速度放大系數(shù)關(guān)系曲線如圖6所示?？梢钥闯?①加速度峰值較小時，加速度放大效果明顯，如當輸入0.1g阪神波時，各測點放大系數(shù)＞1.4;②隨著地震動量級的增加，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，產(chǎn)生反射與折射，試驗得出邊墻在地震波下加速度數(shù)據(jù)，見表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最大，中部次之，底部加速度反應最小，即頂部加速度反應＞中部加速度反應＞底部加速度反應，這與周邊土中測點反應規(guī)律一致;②相同地震動時，輸入阪神波測點加速度反應大于人工波時加速度反應。

圖6 Y形柱各測點加速度放大系數(shù)變化折線

表7 輸入新華大街人工波時邊墻各測點峰值加速度 g

表8 輸入阪神波時邊墻各測點峰值加速度 g

不同工況板上各點加速度放大系數(shù)與距結(jié)構(gòu)底板距離之間的關(guān)系曲線如圖7所示。可見相同地震波下，邊墻頂部放大系數(shù)最大，中部次之，底部最小，與邊墻加速度反應規(guī)律一致，在地震動量級較小時底部與頂部的差距比較明顯;隨著地震動量級的增加，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個加速度計，不同工況下測點峰值加速度見表9與表10?？梢娤嗤卣鸩ㄗ饔孟?，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相差不大;阪神波下板的加速度反應大于人工波時加速度反應。

圖7 邊墻各測點加速度放大系數(shù)變化折線

表9 輸入人工波時板上各測點峰值加速度 g

表10 輸入阪神波時板上各測點峰值加速度 g

2.3 應變分析

1)在測點布置圖Y形柱旁邊畫一條豎線，對應位置標出監(jiān)測點，并將應變幅值大小以水平線長短表示，畫出人工波加速度峰值0.5g時應變幅值曲線，如圖8(a)所示;輸入阪神波不同加速度峰值時各測點應變幅值曲線，如圖8(b)所示。圖形顯示:①雙層地鐵車站Y形柱應變幅值下層應變大于上層應變;②相同地震波下，隨著埋深的增加Y形柱應變幅值增加;③Y形柱分叉點位置及其上部應變幅值很小，輸入地震動量級較小時，Y1，Y3與Y5的應變比較接近，隨著地震動量級增加，三者的應變幅值差距增大;④隨著地震波加速度峰值增加，測點應變幅值增加，0.8g時應變幅值最大。

圖8 Y形柱各測點應變反應規(guī)律

2)地震波相同時，邊墻底部的應變幅值最大，其次為頂部應變幅值，邊墻中部S6與S7應變幅值接近，應變幅值均較小，即底部應變幅值＞頂部應變幅值＞中部應變幅值;隨著地震動量級的增加，邊墻應變增大，如表11與表12所示。阪神波引起的邊墻應變反應大于對應點人工波引起的反應。

表11 輸入人工波時邊墻各測點應變幅值 10－6

表12 輸入阪神波時邊墻各測點應變幅值 10－6

3 結(jié)語

通過振動臺試驗設(shè)計，對試驗數(shù)據(jù)進行處理分析，主要得出以下結(jié)論:

1)隨著輸入地震波加速度峰值增加，土體測點峰值加速度增大，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大于底部，即隨著埋深減小，加速度反應增大;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相差不大。

3)模型測點應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形柱底部應變幅值＞中部應變幅值＞頂部應變幅值，同一埋深條件下，Y形柱應變幅值接近;邊墻應變幅值在相同地震波作用下，底部應變幅值＞頂部應變幅值＞中部應變幅值。

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