豎向地震動對大跨度高斷面Y形柱地鐵車站地震響應分析研究①

通信作者： 李積棟(1987-)，博士研究生，主要從事地下結構抗震方面的研究。E-mail:ljd0911@emails.bjut.edu.cn。

陶連金1， 李積棟1，2， 吳秉林1， 安軍海1， 郭飛1

(1.北京工業(yè)大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室，北京 100124； 2.中國建筑總公司技術中心，北京 101300)

摘要：以北京地鐵6號線新華大街站公共區(qū)Y型柱地鐵車站為工程背景，利用 FLAC3D有限差分程序數(shù)值模擬分析，研究超淺埋大跨度、高斷面、Y形柱地鐵車站結構分別在僅輸入水平向地震動和同時輸入水平向與豎向地震動情況下的地震響應特性。結果表明：(1)與僅輸入單向地震動相比，雙向地震動耦合作用下車站各測點的峰值加速度和應力值均增大，而相對水平位移減小，且隨著輸入地震動強度的增加，豎向地震動影響率呈遞減趨勢；(2)雙向地震動作用下，同一工況Y形柱叉支處各測點的豎向位移明顯增大，且各測點的豎向位移值較為均勻，而單向水平地震動作用下各測點豎向位移差異較大；(3)與單向水平地震動相比，豎向地震動的輸入對各測點間的水平方向地震動特性規(guī)律影響較小。

關鍵詞：大跨度； 高斷面； Y形柱； 豎向地震動； 地震動特性

收稿日期：①2014-08-20

基金項目：國家自然科學基金重點項目(51038009)；國家自然科學基金面上項目(40972189)

作者簡介：陶連金(1964-)，教授，主要從事巖土工程與地下工程方面的研究工作。E-mail：ljtao@bjut.edu.cn。

中圖分類號:TU311.3； TU93+1文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0648

Influence of the Vertical Seismic Wave on the Seismic Response of an

Large-span High-section Y-shaped Column Subway Station

TAO Lian-jin1, LI Ji-dong1,2, WU Bing-lin1, AN Jun-hai1, GUO Fei1

(1.KeyLaboratoryofUrbanSecurityandDisasterEngineering,MinistryofEducation,BeijingUniversityofTechnology,

Beijing100124,China; 2.ChinaNationalConstructionCorporationTechnologyCenter,Beijing101300,China)

Abstract：In this study, the Y-column subway station of the Xinhua Street Station in public areas of the Beijing Metro Line 6 was used as an engineering background to develop a numerical model with the FLAC3D finite difference program. The model was used to analyze and research the seismic response characteristics of the large-span high-section Y-shaped column subway station under only ground horizontal vibrations as well as under a combination of both horizontal and vertical seismic waves. The results showed that compared with inputting only one-way seismic waves, the peak acceleration and stress value of the station increased and the relative horizontal displacement decreased under the two-way seismic coupling. When the strength of the seismic wave input increased, the impact rate of vertical ground motion showed a decreasing trend. Under the combined action of the two-way seismic waves, the vertical displacement of the Y-shaped column fork branch was significantly increased under the same conditions and the vertical displacement of the measuring point was more uniform, whereas the vertical displacement of the measuring point in the one-way horizontal motions was quite different. Compared with the one-way horizontal motion, the vertical seismic wave input was less affected by the horizontal-direction vibration characteristics law among each measuring point.

Key words： large-span; high-section; Y-shaped column; vertical ground motion; ground motion characteristics

0引言

水平地震動是造成地下結構破壞的主要原因[1-3]。有人認為，在水平向地震動作用下底層發(fā)生水平振動，由于地層的不均勻性等因素，不同深度處的振幅不同，從而導致地下結構頂板與地板間產生相對水平位移，進而在結構中產生很大的彎矩和剪應力，致使結構破壞。但這種觀點具有一定的局限性，結構的實際破壞形式并非典型的剪切破壞，而是與較大豎向地震動有關[4-5]。

強震數(shù)據(jù)表明，某些地震震中區(qū)的豎向地面運動分量與水平地面運動分量的大小具有相同的量級，甚至在個別情況下前者大于后者[6-7]。例如1979年Imperial Valley發(fā)生的6.4級地震，在距離斷層1 km處的埃爾森特羅6號觀測臺測取的豎向最大加速度為1.74 g，是該處記錄最大水平加速度的2.4倍。再如Meishin高速公路橋墩的破壞、Shinkansen隧道線橋墩的破壞、1995阪神地震多層建筑結構中間層的坍塌以及地下結構中柱的破壞等均與豎向地震動有關。豎向地震波由土層進入結構內部時，結構在豎向地震力作用下受到上下反復振動，結構上下發(fā)生相互沖擊，致使結構中產生較大的拉應力，可導致鋼筋混凝土拉伸破壞[8-9]。因此豎向地震動對結構破壞的影響不容忽視[10-13]。

歷史地震調查顯示高斷面的地下結構對水平向地震動非常敏感，而大跨度地下結構對豎向地震動特別敏感，同時普遍認為中柱的破壞是導致整個地下結構破壞的主要原因，然而對于具有異形柱地下結構的抗震性能及地震響應規(guī)律的研究少之又少。因此對于大跨度、高斷面、異形柱地下結構的抗震性能及地震響應規(guī)律的研究具有重大意義。

本文基于FLAC3D有限差分軟件，以北京地鐵6號線的新華大街站為研究對象，利用日本阪神地震波對大跨度、高斷面、Y形柱地鐵車站進行動力時程分析，探討其在不同地震動條件下的抗震性能及地震動響應規(guī)律。

1三維數(shù)值模型

1.1模型建立

新華大街站為北京地鐵6號線快慢線中轉換乘站，周邊為通州核心區(qū)重點開發(fā)地帶，遠期與S6線換乘，車站為雙島四線車站，采用明挖法施工，兩端區(qū)間采用盾構法施工。車站公共區(qū)采用Y形柱受力體系，局部中板打開形成中庭效果；Y形柱上部采用鑄鋼形式，下部采用鋼管形式，鋼管及鑄鋼件內部采用C50微膨脹混凝土填充。車站頂板覆土厚度不足3 m，斷面寬41.9 m、高19.4 m，柱高18.4 m，分叉跨度8.4 m；頂板厚1.0 m，底板厚1.6 m，邊墻厚1.0 m；中柱直徑為1.2 m，分叉處直徑由1.1 m漸變到0.75 m。模型尺寸為200 m×60 m×50 m。車站結構周邊網格加密，土體和車站結構均采用實體單元(圖1)，參數(shù)詳見表1、表2。同時為了便于分析Y形柱地鐵車站地震動響應，在車站結構上布置了相應監(jiān)測點，如圖2所示。

圖1　FLAC 3D計算模型 Fig.1　Computational model of FLAC 3D

圖2　監(jiān)測點布置圖 Fig.2　Layout of monitoring points

編號名稱厚度/m重度/(kN·m-3)泊松比壓縮模量/MPa摩擦角/(°)黏聚力/kPa1人工填土516.50.35238102粉土319.540.3653432143粉質黏土319.900.372517264粉細砂1.520.200.34763205細中砂720.200.3381323406粉質黏土419.440.3379118317細中砂剩余20.200.33169330

表 2　結構參數(shù)

1.2模型動力參數(shù)

模型在靜力計算結束后得到初始應力場，即可進行動力計算。在模型底部輸入水平振動地震波，模型頂面采用自由面，底部采用由Lysmer和Kuhlemeyer提出的靜態(tài)邊界條件(即黏性邊界、吸收邊界)，同時模型周邊采用自由場邊界，使之產生與無限自由場地相同的效果，以達到吸收入射波的目的。

1.3地震波輸入

選用日本阪神地震波進行動力分析。地震波加速度時程曲線和傅里葉譜值如圖3所示?，F(xiàn)將阪神地震波加速度峰值分別調至0.1 g(工況一)、0.2 g(工況二)、0.4 g(工況三)和0.6 g(工況四)作為水平向的輸入加速度。四種工況分別采用單向水平地震動輸入和水平向地震動與豎向地震動同時輸入的方式，其中豎向地震動輸入加速度峰值均為對應水平向加速度峰值的2/3。

圖3　輸入地震動加速度時程曲線及傅氏譜 Fig.3　Acceleration time-histories and Fourier 　　　 spectra of input ground motion

2動力分析

為了便于分析不同地震動條件下車站結構的地震動響應規(guī)律，現(xiàn)將雙向地震動作用下與單向水平地震動作用下車站結構產生的地震動特性值的差值再除以后者所得的絕對值定義為豎向地震動影響率；將車站結構各部位與底板的水平位移差值定義為相對水平位移。

2.1位移分析

(1) 圖4、圖5分別為Y形柱頂端相對水平位移-時程曲線和車站邊墻各測點相對水平位移。從圖中可以看出，隨著輸入加速度強度的增大，各測點的相對水平位移依次增加，但各工況均在結構上部出現(xiàn)了最大相對水平位移；輸入單向水平地震動時Y形柱頂端的水平位移略大于雙向地震動輸入情況，且隨著輸入加速度強度的增大，豎向地震動影響率越來越小?？赡苁怯捎谠谳^大量級激振條件下，輸入豎向地震動在一定程度增大了對結構的約束作用，進而制約了車站結構的相對水平運動，這也說明水平激勵與豎向激勵的耦合反而會對水平激勵引起的相對水平位移起到一定的消弱作用。

(2)雙向地震動作用下同一工況Y形柱叉支處各測點的豎向位移明顯增大，且較為均勻，而單向水平地震動作用下各測點豎向位移差異較大。Y形柱叉支豎向位移，如圖6所示。

2.2應力分析

僅輸入單向水平地震動和同時輸入水平向和豎向地震動條件下，車站結構各部位應力值如表3所示。計算數(shù)據(jù)表明：

(1) 輸入雙向地震動引起的最大應力值大于輸入單向水平地震動引起的最大應力值，但前者與后者相比，豎向地震動并未較大程度上改變Y形柱車站結構應力大小分布情況，即車站結構抗震薄弱部位依舊是Y形柱叉支、Y形柱支撐柱兩端、及邊墻頂部與底部，其中Y形柱叉支處應力值最大。

表 3　車站各測點應力值

圖4　相對水平位移-時程曲線 Fig.4　Relative horizontal displacement-time history curve

圖5　邊墻測點相對水平位移關系圖 Fig.5　Relationship between relative horizontal displacement 　　　 in sidewall measurement points

圖6　Y形柱叉支豎向位移 Fig.6　Vertical displacement of Y-shaped column 　　　 fork-branch

(2) 隨著輸入地震動強度的增加，車站結構同一部位的豎向地震動影響率依次降低。

(3) 輸入相同強度的地震動，車站結構不同部位的豎向地震動影響率變化均較大，其中Y形柱中部與邊墻中部的豎向影響率最大，Y形柱叉支與柱底端也較大。①前者豎向應力影響率較大的主要原因是水平單向地震動作用下產生的應力值與輸入雙向地震動相比基數(shù)較小，致使其豎向影響率較大，但兩種情況下應力值均較小，并非抗震薄弱點，因此可不做太多考慮。②后者豎向影響率較大，是因為結構擺動所產生的彎矩主要由立柱來承擔，在立柱兩端產生較大彎矩，所以在兩端產生較大的內力；同時豎向地震動作用下車站結構在側向變形下產生附加彎矩，過大的側向變形使結構產生了附加內力，加之Y形柱上端叉支存在一定角度，使其在豎地震動作用下產生更大的附加應力，也這是Y形柱叉支處應力值大于根部的主要原因。

2.3加速度分析

(1) 隨著輸入加速度強度的增加，各測點的加速度放大系數(shù)呈現(xiàn)遞增趨勢；雙向地震動作用下加速度放大系數(shù)大于單向水平地震動輸入情況，其中Y形柱加速度放大系數(shù)受豎向地震動影響最大倍數(shù)為1.23，發(fā)生在Y-Z7(柱底)，邊墻為1.21，發(fā)生在Y-B4(邊墻中下部)；雙向地震動作用并未改變各測點間加速度放大系數(shù)間的大小關系(圖7)。

圖7　車站結構各測點峰值加速度 Fig.7　Peak acceleration of each measuring point at station

(2) 雙向地震動作用下水平向加速度峰值大于單向水平地震動輸入情況，且對于輸入雙向地震動情況而言，在加速度較大時間段會出現(xiàn)加速度值的劇增(圖8)，在工況二5.2 s和工況三7.3 s附近均出現(xiàn)了加速度值劇增現(xiàn)象，這是豎向激勵與水平激勵的耦合對車站結構加速度值會產生較大影響。但豎向地震作用對車站結構各測點的自振周期影響很小，工況二與工況三在單向水平和雙向地震動作用下的頻譜曲線如圖9所示。

圖8　加速度時程曲線 Fig.8　Acceleration time history curves under different conditions

3結論

針對北京地鐵6號線新華大街Y型柱地鐵車站建立計算模型，運用FLAC3D有限差分程序進行動力時程分析，研究超淺埋大跨度、高斷面、Y形柱雙層地鐵車站結構分別在僅輸入水平向地震動和同時輸入水平向與豎向地震動情況下的地震響應特性。由計算分析可以得出如下結論：

(1) 輸入單向水平地震動時車站各測點的水平位移略大于雙向地震動輸入情況，且隨著輸入加速度強度的增大，豎向地震動影響率越來越小?？赡苁怯捎谠谳^大量級激振條件下，輸入豎向地震動在一定程度上增大了對結構的約束作用，進而制約了車站結構的相對水平運動，也說明水平激勵與豎向激勵的耦合反而會對水平激勵引起的相對水平位移起到一定的消弱作用。

圖9　車站結構傅氏譜 Fig.9　Fourier spectrum of station structure

(2) 雙向地震動作用下，同一工況Y形柱叉支處各測點的豎向位移明顯增大，且位移值較為均勻，而單向水平地震動作用下各測點豎向位移值差異較大。

(3) 輸入雙向地震動引起的最大應力值大于輸入單向水平地震動引起的最大應力值，但前者與后者相比，豎向地震動并未較大程度上改變Y形柱車站結構應力值大小分布情況；隨著輸入地震動強度的增加，車站結構同一部位的豎向地震動影響率依次降低。

(4) 輸入相同強度的地震動，車站結構不同部位的豎向地震動影響率變化較大；雙向地震動作用下水平向加速度放大系數(shù)大于單向水平地震動輸入情況，且對于輸入雙向地震動情況而言，在加速度較大時間段會出現(xiàn)加速度值的劇增；豎向地震作用對車站結構各測點的自振周期影響很小。

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