李浩彬+扶曉康

摘 要：隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，城市規(guī)模日益擴(kuò)大，地面空間和交通問(wèn)題是影響城市發(fā)展的一個(gè)重要因素，建立地下交通體系已成為解決城市空間問(wèn)題的一個(gè)十分有效的途徑。近年來(lái)的地震災(zāi)害現(xiàn)象表明，地下結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震作用下可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的震害及次生災(zāi)害，城市大型地下工程的抗震安全性已成為倍受關(guān)注的社會(huì)問(wèn)題之一。為此，本文主要對(duì)地鐵地下車(chē)站結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特性振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)進(jìn)行了分析與探討。

關(guān)鍵詞：地鐵地下車(chē)站結(jié)構(gòu)；地震反應(yīng)特性；振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

一、土-結(jié)構(gòu)相互作用的地鐵地下車(chē)站結(jié)構(gòu)模型

將地基土-地鐵地下車(chē)站結(jié)構(gòu)體系作為二維平面問(wèn)題來(lái)分析，采用等效剛度法將圓形中柱等效成厚度為0.8m的連續(xù)墻.三層三跨地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)寬度為21.1 m，高度為17.4 m，結(jié)構(gòu)上覆土層厚度為3.6 m.地基的計(jì)算寬度為200 m ，基巖面為地震波輸入邊界，地基土的邊界采用黏彈性人工邊界，土體網(wǎng)格的大小從邊界到結(jié)構(gòu)逐步加密，劃分體系的有限元網(wǎng)格?；炷恋膭?dòng)力本構(gòu)模型采用動(dòng)塑性損傷模型，選取有代表性的場(chǎng)地作為研究車(chē)站結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特性的場(chǎng)地條件，土的動(dòng)力本構(gòu)模型采用基于Davidenkov 骨架曲線的動(dòng)力黏彈性模型。以近斷層地震動(dòng)Northridge 波、Chichi波和中遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)Taft 波作為整個(gè)體系的水平向輸入地震動(dòng)，在計(jì)算時(shí)將地震動(dòng)的峰值加速度分別調(diào)整為0.1g 和0.2g.

1、加速度時(shí)程分析

隨埋深的增加，土體內(nèi)各點(diǎn)的峰值加速度越來(lái)越小，峰值加速度減小的幅度越來(lái)越大；隨著埋深的增加，頻率的振幅與加速度峰值變化趨勢(shì)相似。側(cè)墻各點(diǎn)的正負(fù)極值出現(xiàn)的時(shí)刻相同，這說(shuō)明各點(diǎn)會(huì)一起運(yùn)動(dòng)：頻率的振幅也有與加速度相同的規(guī)律。中柱的加速度變化規(guī)律與側(cè)墻的相似。土體中加速度峰值要比結(jié)構(gòu)上的加速度峰值大：隨著埋深的增加，兩者的差值也逐漸變大；頻率的振幅也有相同的規(guī)律。這說(shuō)明結(jié)構(gòu)與土存在相互作用，即土?xí)?duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的推力。隨著輸入地震波的強(qiáng)度增加，峰值加速度的放大倍數(shù)基本不變，頻率的振幅則增加。頻率隨著輸入地震波強(qiáng)度的增加而減小，這說(shuō)明模型產(chǎn)生了細(xì)小的損傷，而使其剛度減小，頻率振幅大于結(jié)構(gòu)上頻率振幅。

2、應(yīng)變分析

中柱底端的應(yīng)變時(shí)程曲線與輸入波形非常相似，而在中柱頂端的應(yīng)變與輸入波形有區(qū)別。中柱頂端的應(yīng)變峰值要大于底端的應(yīng)變峰值，但在頂端的應(yīng)變基本上一直保持在一個(gè)方向，而底端的應(yīng)變則隨地震波波形的變化而在正負(fù)方向來(lái)回變化。在發(fā)生反復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，混凝土材料更容易發(fā)生破壞。

二、振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)技術(shù)

振動(dòng)模型試驗(yàn)是研究地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)與抗震性能的重要途徑，主要包括普通振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。普通振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是目前應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)方法，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)地鐵等地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)進(jìn)行過(guò)多次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，取得了一定的研究成果。但普通振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)是在1g的重力加速度環(huán)境下進(jìn)行的，由于模型與原型相比幾何尺寸縮小到幾分之一，因此在正常重力條件下，模型的應(yīng)力水平尤其是自重應(yīng)力水平與原型有一定差距。對(duì)于土-結(jié)構(gòu)相互作用系統(tǒng)，由于土體為強(qiáng)非線性材料，其剪切模量為剪應(yīng)變的函數(shù)，應(yīng)力應(yīng)變水平對(duì)土體承載力和變形有較大影響，因此振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況相比可能會(huì)有一定差距。但是振動(dòng)臺(tái)設(shè)備在國(guó)內(nèi)數(shù)目相對(duì)較多，這為普通振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的開(kāi)展創(chuàng)造了有利的條件，因此，普通振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)今后仍將在研究地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)與抗震性能方面發(fā)揮巨大的作用。對(duì)于普通振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，如何能夠更好地模擬原型結(jié)構(gòu)與原型地基土體的應(yīng)力水平尤其是自重應(yīng)力水平，需要在模型相似設(shè)計(jì)、試驗(yàn)材料選取、配重施加等方面進(jìn)行深入研究。

離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)通過(guò)增加模型的場(chǎng)加速度，可以模擬出與原型相等或相近的應(yīng)力水平，逼真重現(xiàn)原型的物理特性，在再現(xiàn)動(dòng)力反應(yīng)、觀測(cè)物理機(jī)制、檢驗(yàn)評(píng)價(jià)方法以及對(duì)比設(shè)計(jì)方案等方面具有突出的優(yōu)越性，在歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家得到了廣泛的應(yīng)用。目前，動(dòng)力離心模型試驗(yàn)技術(shù)已在國(guó)內(nèi)巖土工程地震問(wèn)題的研究中得到應(yīng)用，并取得了良好的效果。

三、振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)相關(guān)實(shí)例

振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)由于尺寸的不足而必然涉及到模型與原型的相似問(wèn)題，在地鐵地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中相似問(wèn)題包括：模型結(jié)構(gòu)的相似、土的相似以及土與結(jié)構(gòu)相互作用的相似。進(jìn)行一般工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)，模型完全相似就難以滿(mǎn)足，再加上土以及地鐵結(jié)構(gòu)與土相互作用相似問(wèn)題，做到完全滿(mǎn)足相似率的要求就更加困難了，但通常可以根據(jù)研究目的的不同，保證主要參數(shù)滿(mǎn)足相似關(guān)系，或采取相關(guān)技術(shù)措施（采用配重來(lái)增加重力加速度）等途徑近似滿(mǎn)足，而次要參數(shù)相似比盡量與主要因素接近。在動(dòng)力相似方面，以Harris為代表的學(xué)者對(duì)振動(dòng)臺(tái)上的動(dòng)力相似理論進(jìn)行了一系列的研究和探討，發(fā)展了結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型試驗(yàn)技術(shù)，但國(guó)內(nèi)外對(duì)于結(jié)構(gòu)-地基相互作用體系的動(dòng)力相似研究還相對(duì)較少，僅呂西林通過(guò)對(duì)兩種不同縮尺的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)比分析，對(duì)其進(jìn)行了初步探討。

通過(guò)對(duì)地鐵車(chē)站進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)模擬實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中遇到的技術(shù)難題包括對(duì)地鐵車(chē)站縱向長(zhǎng)度的模擬，場(chǎng)地土的動(dòng)力特性與地震響應(yīng)的模擬，模型箱的構(gòu)造與邊界效應(yīng)的模擬，以及量測(cè)元件設(shè)置位置的優(yōu)選等。

1、模型設(shè)計(jì)的相似關(guān)系：

在模型設(shè)計(jì)中據(jù)以確定相似關(guān)系的原則選為：

（1） 采用重力失真模型，將主要構(gòu)件的幾何相似比及主要材料的彈性模量相似比和質(zhì)量密度相似比作為模型設(shè)計(jì)的獨(dú)立參數(shù)。

（2） 土和結(jié)構(gòu)遵循相同的相似比例關(guān)系，使模型系統(tǒng)可在一定程度上反應(yīng)原型系統(tǒng)中土與結(jié)構(gòu)相互作用的特性。

（3） 確定模型相似關(guān)系時(shí)同時(shí)考慮振動(dòng)臺(tái)的性能、制作模型的條件、試驗(yàn)室起吊設(shè)備的能力和模型安裝工藝要求等因素對(duì)試驗(yàn)實(shí)施的制約。

2、模型土的配制

根據(jù)某地鐵車(chē)站穿越的主要土層特性，本次試驗(yàn)將淤泥質(zhì)粘土選為原型土，據(jù)此配制模型土。試驗(yàn)開(kāi)始前，對(duì)獲得模型土優(yōu)化配比的途徑進(jìn)行了研究，結(jié)論主要包括：

（1） 應(yīng)力求在最大動(dòng)剪切模量值和動(dòng)剪切模量與動(dòng)剪應(yīng)變間關(guān)系曲線的變化規(guī)律兩方面使模型土與原狀土盡量相似。

（2） 鑒于塑性指數(shù)是關(guān)鍵影響因素，試驗(yàn)過(guò)程擬主要注意塑性指數(shù)的變化對(duì)土動(dòng)力特性產(chǎn)生影響的規(guī)律。

（3） 針對(duì)褐黃色粉質(zhì)粘土的特性，探索通過(guò)控制摻水量及其密實(shí)度調(diào)整最大動(dòng)剪切模量值的途徑。

3、結(jié)構(gòu)模型的制作

試驗(yàn)分自由場(chǎng)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)、典型地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)和地鐵車(chē)站接頭結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)3 種。試驗(yàn)過(guò)程中，首先進(jìn)行了自由場(chǎng)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，用以模擬自由場(chǎng)地土層的地震反應(yīng)，據(jù)此獲得模型箱內(nèi)不同位置處的土的加速度響應(yīng)，確定“邊界效應(yīng)”的影響程度和鑒別模型箱構(gòu)造的合理性；然后通過(guò)典型地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)了解地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)與土共同作用時(shí)地震動(dòng)反應(yīng)的規(guī)律與特征，為建立地鐵車(chē)站地震響應(yīng)的分析理論和計(jì)算方法提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4、實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)記錄了在不同荷載級(jí)別的EI-Centro波、人工波和正弦波激振下，加速度測(cè)點(diǎn)傳感器的反應(yīng)，依據(jù)記錄結(jié)果繪出了各加載工況下的加速度反應(yīng)時(shí)程圖，并通過(guò)對(duì)其做富氏譜變換（ FFT） 得到了與之相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)的富氏譜；由動(dòng)土壓力傳感器，得到了各測(cè)點(diǎn)在不同加載工況下的動(dòng)土壓力反應(yīng)時(shí)程圖；根據(jù)結(jié)構(gòu)模型構(gòu)件上布置的應(yīng)變片，測(cè)得了構(gòu)件應(yīng)變的變化。實(shí)驗(yàn)計(jì)算方法采用反應(yīng)位移法，在此不再贅述。

模擬實(shí)驗(yàn)證明：計(jì)算模型可較好地模擬模型土的動(dòng)力特性、地鐵車(chē)站與土體的動(dòng)力相互作用，及地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)模型的動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn). 該方法較好地模擬了地鐵車(chē)站的地震響應(yīng)，可供工程設(shè)計(jì)實(shí)踐參考。

四、結(jié)束語(yǔ)

總之，近幾年來(lái)隨著城市人口的迅速增長(zhǎng)，城市交通擁擠問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，地鐵是解決城市交通問(wèn)題的重要途徑之一。然而，大量的震害表明：地鐵等地下結(jié)構(gòu)并非如人們想象的那么安全可靠，也會(huì)在地震等動(dòng)荷載下遭受破壞和坍塌。因此，研究土-地下結(jié)構(gòu)的動(dòng)接觸問(wèn)題、粘彈性動(dòng)力人工邊界與基線漂移及其在有限元中的實(shí)現(xiàn)，并結(jié)合具體地鐵車(chē)站區(qū)間隧道進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)地震數(shù)值模擬，分析地下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，對(duì)地鐵等地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

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