陳 慧,馬福東,郝 瑋,劉 楓
(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055; 2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司,北京 100013)
獨(dú)柱車站屬于建橋合一結(jié)構(gòu),常用形式有“T”字形和“干”字形,與傳統(tǒng)的城軌車站相比,獨(dú)柱車站的豎向落地支撐結(jié)構(gòu)設(shè)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(tǒng)影響小的優(yōu)勢,有助于發(fā)展以公共交通為主的綠色出行,近年在抗震設(shè)防低烈度地區(qū)的城市軌道交通中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1-9]。但由于該結(jié)構(gòu)體系在垂軌向?qū)儆趩沃乜箓?cè)力體系,抗震冗余度小,其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不利于結(jié)構(gòu)抗震[10-11],因此獨(dú)柱車站的抗震設(shè)計(jì)顯得格外重要。雖然針對該結(jié)構(gòu)形式在抗震設(shè)防8度以上地區(qū)如何應(yīng)用已有一些研究成果[12-16],但還沒有實(shí)際的工程實(shí)踐。
因此,為了在高烈度地區(qū)推廣這種結(jié)構(gòu)形式,本文中“干”字形獨(dú)柱車站針對高烈度區(qū)采用了抗震性能更好的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)形式,這類結(jié)構(gòu)具有整體剛度好、質(zhì)量輕等特點(diǎn)。為了研究這種新型組合結(jié)構(gòu)形式的抗震性能,首次采用細(xì)石混凝土和薄鋼板設(shè)計(jì)、制作了縮尺比例為1∶10的試驗(yàn)?zāi)P?,進(jìn)行了模擬地震振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)。振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)是研究結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)和破壞機(jī)理的最直接方法,也是研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)抗震問題的主要手段。通過相似比理論對結(jié)構(gòu)幾何尺寸、材料、荷載、邊界條件等模擬實(shí)現(xiàn)動(dòng)力相似,輸入地震波進(jìn)行動(dòng)力試驗(yàn),可以真實(shí)再現(xiàn)地震作用的動(dòng)力過程,模擬結(jié)構(gòu)在遭遇地震時(shí)的真實(shí)反映,檢驗(yàn)其整體抗震性能[17-19]。
某獨(dú)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(jié)構(gòu),上部采用鋼結(jié)構(gòu)體系。整個(gè)車站(地上部分)總質(zhì)量約9 377 t。車站承軌層之下的“干”字形結(jié)構(gòu)為內(nèi)灌混凝土的矩形鋼管組合構(gòu)件,站廳層的蓋梁截面較大,只在下側(cè)受壓區(qū)和梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)澆筑混凝土,即可有效利用組合結(jié)構(gòu)不同材料的受力特性,也可減小結(jié)構(gòu)自重。結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示。
圖1 “干”字形獨(dú)柱車站結(jié)構(gòu)布置剖面(單位:mm)
原結(jié)構(gòu)有6跨,長為90 m,受振動(dòng)臺(tái)尺寸限制,構(gòu)件縮尺后截面較小,鋼管內(nèi)空腔較小,不利于混凝土流動(dòng),無法保證澆筑密實(shí),同時(shí)受尺寸效應(yīng)影響,模型節(jié)點(diǎn)會(huì)更失真。為了更真實(shí)模擬構(gòu)件受力狀態(tài),模型的尺寸應(yīng)盡量大。獨(dú)柱車站結(jié)構(gòu)受力不利的方向是垂直于軌道方向,這個(gè)方向?yàn)閼冶劢Y(jié)構(gòu),無冗余自由度,而順軌向跨度增加,可以看成一個(gè)個(gè)基本懸臂結(jié)構(gòu)單元的串聯(lián),由于各單元質(zhì)量略有不同,會(huì)使得整體結(jié)構(gòu)有一些扭轉(zhuǎn)響應(yīng)。從6跨中選取包含結(jié)構(gòu)所有不利因素(如樓板大開洞、設(shè)備荷載分布不均勻)的4跨,既體現(xiàn)了原結(jié)構(gòu)質(zhì)量不均勻的特點(diǎn),也減小了整個(gè)結(jié)構(gòu)長度至59 m,可以進(jìn)行更大縮尺比例的模型試驗(yàn)。如圖2所示。
圖2 “干”字形獨(dú)柱車站結(jié)構(gòu)立面(單位 :m)
在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)P驮O(shè)計(jì)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(qiáng)度和彈性模量的相似關(guān)系,對和易性、流動(dòng)性也有要求,否則會(huì)影響澆筑質(zhì)量。
首先通過試配試驗(yàn)來確定細(xì)石混凝土的配合比,經(jīng)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(qiáng)度與原型材料可實(shí)現(xiàn)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?xí)r保留3個(gè)100 mm×100 mm×100 mm立方體強(qiáng)度試塊和3個(gè)100 mm×100 mm×300 mm彈模試塊,與試驗(yàn)?zāi)P屯陴B(yǎng)護(hù),在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)前進(jìn)行材性試驗(yàn),結(jié)果見表2。從結(jié)果看,混凝土材料具有一定的離散性,整體上模型獨(dú)柱及蓋梁的混凝土實(shí)測強(qiáng)度和彈性模量的平均值與目標(biāo)值基本一致。
表2 混凝土試塊材料性能試驗(yàn)結(jié)果 MPa
焊接后鋼板材料性能會(huì)發(fā)生變化,因此從經(jīng)過焊接的鋼構(gòu)件上剪裁鋼板試件,每種厚度各取3件,進(jìn)行強(qiáng)度和彈性模量的材料性能試驗(yàn),結(jié)果見表3。由于鋼材強(qiáng)度和彈性模量無法滿足相似比,在構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)構(gòu)件受力特性,按照EA或EI等效的原則進(jìn)行構(gòu)件截面設(shè)計(jì),保證模型在構(gòu)件層面與原型滿足剛度相似。
表3 鋼板材料性能試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)在中國建筑科學(xué)研究院國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行,該振動(dòng)臺(tái)尺寸6 m×6 m,標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷承載能力為600 kN。
綜合考量結(jié)構(gòu)體量、試驗(yàn)設(shè)備能力、模型及原型材料特性,確定3個(gè)量綱的相似參數(shù)(通常是長度、彈模、質(zhì)量密度或加速度放大系數(shù)),再通過量綱分析方法,確定模型其他參數(shù)的相似關(guān)系。本次試驗(yàn)的模型長度相似比(縮尺比例)為1/10,根據(jù)上節(jié)所述的模型材料性能,材料彈模相似比SE為1/1.7;實(shí)現(xiàn)重力相似,加速度相似比為1.0。通過以上確定的3個(gè)相似比,可推導(dǎo)得到模型的其他相似關(guān)系見表4。
表4 試驗(yàn)?zāi)P拖嗨脐P(guān)系(模型∶原型)
試驗(yàn)?zāi)P妥罱K平面尺寸為6 m×2.3 m,總質(zhì)量為59 t,充分利用了設(shè)備性能。
根據(jù)確定的相似比例關(guān)系以及原型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)中需要做一定的簡化,主要原則如下。
(1)本次試驗(yàn)范圍為獨(dú)墩柱以上結(jié)構(gòu),不包含基礎(chǔ)及柱墩。
(2)模型設(shè)計(jì)滿足模型與原型在材料特性、幾何特性、構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、荷載分布等方面的相似律需求。
(3)關(guān)鍵構(gòu)件:模型中的獨(dú)墩柱、橫向主梁、縱向主梁、支撐站臺(tái)層梁、軌道梁、蓋梁等均嚴(yán)格按相似關(guān)系制作。
(4)樓面次梁做適當(dāng)簡化和歸并。
(5)圍護(hù)結(jié)構(gòu)僅作為配重考慮。
(6)雨棚桿件適當(dāng)簡化和歸并,僅模擬剛度及荷載。
(7)節(jié)點(diǎn):關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)按照原型構(gòu)造做法進(jìn)行適當(dāng)簡化和加強(qiáng)、次要節(jié)點(diǎn)簡化加強(qiáng)。
(8)構(gòu)件截面等效:模型部分鋼材規(guī)格無相應(yīng)產(chǎn)品,需進(jìn)行替換,原則是承載力及剛度等效滿足試驗(yàn)要求。
(9)將樓梯簡化為洞口,對應(yīng)荷載加到周邊梁上。
振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)P偷募庸づc結(jié)構(gòu)實(shí)際施工過程相似。模型加工過程見圖3。按照基礎(chǔ)底板、獨(dú)墩柱、站廳層、承軌層、站臺(tái)層、雨棚的順序施工,型鋼構(gòu)件均采用鋼板焊接而成。每層先安裝型鋼構(gòu)件,澆筑豎向構(gòu)件混凝土,然后施工水平鋼構(gòu)件;鋼管內(nèi)混凝土采用上開洞的辦法澆筑,并設(shè)置排氣孔;站臺(tái)層以下鋼結(jié)構(gòu)及型鋼內(nèi)混凝土澆筑完成后,再一次性澆筑所有樓板,施工時(shí)采用木模板,最后整體吊裝焊接鋼結(jié)構(gòu)屋蓋。
圖3 試驗(yàn)?zāi)P图庸み^程
質(zhì)量相似需通過施加鉛塊配重作為附加質(zhì)量來實(shí)現(xiàn),本項(xiàng)目中存在荷載分布不均勻且構(gòu)件自重占比較大的特點(diǎn),試驗(yàn)加載示意見圖4~圖7,不同顏色圖例為各樓層每個(gè)跨度單元內(nèi)需加質(zhì)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(tái)層樓面配重布置
圖7 雨棚層樓面配重布置
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(jié)構(gòu)自振特性和加速度響應(yīng)。再通過對加速度進(jìn)行兩次積分,可以獲得各測點(diǎn)的位移。
圖8 加速度傳感器布置示意
試驗(yàn)從8度小震(峰值加速度100 cm/s2)開始逐漸增大地震作用,經(jīng)歷了相當(dāng)于8度中震、8度大震的地震作用,直到超設(shè)防烈度的8.5度大震(峰值加速度510 cm/s2)。試驗(yàn)所用地震波均根據(jù)規(guī)范反應(yīng)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(jì)損傷影響試驗(yàn)結(jié)果,僅采用反應(yīng)最大的一條地震波進(jìn)行試驗(yàn)。中、大震僅進(jìn)行三向輸入,小震除進(jìn)行三向輸入外,還進(jìn)行了垂軌向的單向輸入。根據(jù)汶川震害相關(guān)調(diào)研發(fā)現(xiàn)[15],地震作用的豎向分量有時(shí)與水平分量相當(dāng)。因此,在三向輸入時(shí),除了進(jìn)行規(guī)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(jìn)行了1∶0.85∶1(主方向∶次方向∶豎向)的工況。試驗(yàn)前模型如圖9所示。
8度小震共包括9次地震動(dòng)輸入(工況2~12),模型整體動(dòng)力反應(yīng)較小,可以觀察到結(jié)構(gòu)有肉眼可見振動(dòng)。輸入結(jié)束后,結(jié)構(gòu)頻率略有下降,鋼構(gòu)件未發(fā)現(xiàn)屈曲,柱腳及節(jié)點(diǎn)區(qū)域未見破壞,結(jié)構(gòu)整體完好。
老先生舊居便在這條街靠北的地方,早些年就辟成了紀(jì)念館,我去過多次。邊上緊挨著的中國美術(shù)學(xué)院,是他待了幾十年,做過兩任校長,創(chuàng)造出非凡業(yè)績的單位,也是他的傷心地。“文革”中,潘天壽就是在這里受盡折磨而不甘其辱,悲慘離世。
8度中震共包括6次地震動(dòng)輸入(工況14~20),模型整體動(dòng)力響應(yīng)較大,鋼結(jié)構(gòu)屋蓋伴隨有響聲,可以觀察到結(jié)構(gòu)存在較為明顯的繞X軸(X:縱橋向;Y:橫橋向;Z:豎向)轉(zhuǎn)動(dòng)。輸入結(jié)束后,結(jié)構(gòu)剛度有所降低,樓板與鋼梁交界面出現(xiàn)裂縫。
8度大震輸入時(shí)(工況22),模型整體動(dòng)力反應(yīng)強(qiáng)烈,振幅較大,屋蓋振幅大于下部結(jié)構(gòu),鋼結(jié)構(gòu)屋面發(fā)出較大聲響。結(jié)構(gòu)有明顯的繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng);動(dòng)力響應(yīng)仍以結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)為主,沒有出現(xiàn)局部振動(dòng)。輸入結(jié)束后,觀察到樓板在面內(nèi)出現(xiàn)開裂,其他部位未見明顯損傷。試驗(yàn)后模型狀況見圖10。
圖10 試驗(yàn)后模型狀況
8.5度大震輸入時(shí),模型整體動(dòng)力反應(yīng)劇烈,整體振幅更大,鋼結(jié)構(gòu)屋面發(fā)出劇烈聲響。結(jié)構(gòu)為整體平動(dòng),扭轉(zhuǎn)效應(yīng)不明顯,同時(shí)伴隨明顯的繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng),與其他層相比,頂部鋼結(jié)構(gòu)屋面振幅較下部結(jié)構(gòu)更大。輸入結(jié)束后,樓板裂縫進(jìn)一步發(fā)展;鋼梁和樓板脫開,交界處出現(xiàn)較大裂縫;其他部位未見明顯損傷。
模型結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從小震到大震的輸入地震動(dòng)作用,在整個(gè)過程中模型的自振特性發(fā)生了相應(yīng)變化。在每個(gè)等級(jí)地震工況完成后,隨即進(jìn)行白噪聲激勵(lì),從而得到各級(jí)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(shí)測頻率可以看出,結(jié)構(gòu)X方向的頻率大于Y向頻率,說明結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的頻率逐漸降低,表明結(jié)構(gòu)的損傷變大,剛度下降,同時(shí)結(jié)構(gòu)的阻尼增大。
與初始狀態(tài)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(jié)構(gòu)即出現(xiàn)下降,但試驗(yàn)過程中沒有觀測到損傷,剛度下降原因可能為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件不一致導(dǎo)致。在小震階段,站臺(tái)層以上按50年一遇設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)其余部分按100年一遇設(shè)計(jì),而地震輸入為100年一遇的小震,造成站臺(tái)層以上結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了輕微損傷。由于小震工況較多,累積后造成結(jié)構(gòu)整體剛度略有下降。
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(shù)對比(測點(diǎn)與底板加速度峰值之比)。整體上看,加速度放大系數(shù)隨著地震作用增強(qiáng)而減小,隨著高度增大而變大,也說明了地震作用增強(qiáng)時(shí),結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一定的損傷,剛度下降。同時(shí),由于結(jié)構(gòu)上部剛度突然減小的原因,造成結(jié)構(gòu)頂部鞭梢效應(yīng)較強(qiáng),結(jié)構(gòu)的站臺(tái)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(qiáng)度地震作用下各測點(diǎn)X向加速度放大系數(shù)對比
圖12 8度不同強(qiáng)度地震作用下各測點(diǎn)Y向加速度放大系數(shù)對比
圖13為8度小震三向輸入時(shí),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??梢钥闯?,工況10的Z向加速度峰值增大后,會(huì)引起站臺(tái)層各點(diǎn)水平加速度增大,而且同一高度各位置的加速度響應(yīng)有所不同,角點(diǎn)增大尤為突出,對其余各層影響較小。上述結(jié)果說明,結(jié)構(gòu)在地震作用下存在扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。
圖13 Z向輸入加速度峰值不同時(shí)Y向加速度響應(yīng)對比
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(jié)果。位移結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)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(diǎn)的位移差異來看,結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移不明顯,說明結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較大,質(zhì)量分布不均勻以及樓板大開洞對結(jié)構(gòu)位移的影響較小。
圖14 各級(jí)震作用下X向位移及層間位移角結(jié)果
圖15 各級(jí)震作用下Y向位移及層間位移角結(jié)果
站臺(tái)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(shí)分別為1/1 987和1/570,8度中震作用時(shí)分別為1/1 020和1/232;8度大震作用時(shí)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(shí)分別為1/1 967和1/153,8度中震作用時(shí)分別為1/1 343和1/82;8度大震作用時(shí)分別為1/920和1/70。
采用MIDAS軟件,建立原型結(jié)構(gòu)的有限元模型。用桿單元模擬梁、柱等構(gòu)件,用殼單元模擬混凝土樓板,根據(jù)模型實(shí)測材料的本構(gòu)按照相似關(guān)系換算后定義原型模型中的材料特性,同時(shí)對模型設(shè)計(jì)中的簡化措施也在原型模型做相應(yīng)修改,對修改后的模型進(jìn)行計(jì)算分析。在時(shí)程分析時(shí)所輸入地震波為試驗(yàn)?zāi)P偷装宀杉募铀俣葧r(shí)程數(shù)據(jù),并按相似關(guān)系換算至原型。將有限元計(jì)算的結(jié)果乘以表4中對應(yīng)物理量的相似關(guān)系,推算得到對應(yīng)縮尺模型的結(jié)果,并與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,以驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
結(jié)構(gòu)計(jì)算與模型試驗(yàn)的主要周期及頻率結(jié)果對比見表6。結(jié)果表明,模型動(dòng)力特性與原型計(jì)算值相合較好,試驗(yàn)?zāi)軌蚍从痴鎸?shí)結(jié)構(gòu)的抗震性能。
表6 試驗(yàn)?zāi)P团c計(jì)算模型周期及頻率對比
圖16和圖17為部分小震工況下,結(jié)構(gòu)的加速度、位移及層間位移角計(jì)算值與試驗(yàn)值的對比結(jié)果。由結(jié)果可見,加速度及樓層位移試驗(yàn)值與計(jì)算值符合較好,總體上分布規(guī)律相同。
圖16 小震作用下加速度結(jié)果比較
圖17 小震作用下位移結(jié)果比較
本文首次對8度區(qū)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)形式的“干”字形獨(dú)柱車站,按照相似關(guān)系制作了1∶10的試驗(yàn)?zāi)P?,進(jìn)行了模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)P?,根?jù)觀察的試驗(yàn)現(xiàn)象及測量的試驗(yàn)數(shù)據(jù),經(jīng)分析得到了以下結(jié)論。
(1)在彈性階段,模型的動(dòng)力特性與原型計(jì)算結(jié)果相符較好,能滿足本次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)設(shè)計(jì)相似比關(guān)系,說明試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果可靠,能夠相互印證。
(2)試驗(yàn)表明結(jié)構(gòu)具有較好的抗震承載力,經(jīng)歷了超設(shè)防烈度的8.5度大震作用后,結(jié)構(gòu)保持直立,整體剛度降低29%,主要損傷出現(xiàn)在組合樓板,梁、柱及節(jié)點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)明顯損傷,驗(yàn)證了本文的新型車站結(jié)構(gòu)具有可靠的抗震安全性,可滿足8度區(qū)的抗震要求。
(3)加速度結(jié)果表明,Y向結(jié)構(gòu)頂部鞭梢效應(yīng)較強(qiáng),結(jié)構(gòu)的站臺(tái)層和雨棚層加速度有明顯放大,加速度放大系數(shù)達(dá)到6.0左右,對圍護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)有不利影響;Z向加速度峰值增大后,還會(huì)引起站臺(tái)層水平加速度增大;站臺(tái)層及以上結(jié)構(gòu)的加速度有所差異,存在一定的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。
(4)位移結(jié)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(diǎn)的位移差異較小,結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移不明顯,說明盡管存在扭轉(zhuǎn)效應(yīng),但結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較大,質(zhì)量分布不均勻以及樓板大開洞對結(jié)構(gòu)位移的影響較小。
綜合振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果來看,在8度設(shè)防地區(qū),鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)形式的“干”字形獨(dú)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(tái)層及雨棚層剛度突變,屬于抗震不利的部位。但這部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水準(zhǔn)又低于下部“干”字形結(jié)構(gòu),因此造成結(jié)構(gòu)的薄弱部位出現(xiàn)在這兩層。建議對雨棚層也進(jìn)行性能化設(shè)計(jì),即使薄弱部位出現(xiàn)損傷后也不影響車站運(yùn)營。