紀金豹,武劍峰,李文月
(北京工業(yè)大學工程抗震與結構診治北京市重點實驗室,北京 100124)
地震模擬振動臺作為研究結構抗震性能和破壞機理的關鍵設備,被廣泛應用于建筑橋梁抗震、文物保護、隔震支座研發(fā)等工作當中,其中基礎是保障振動臺控制性能、減小振動對周圍環(huán)境和人員帶來損害的核心部件.目前,已經有許多專家學者對振動臺運行振動影響性分析進行過研究.劉必燈等[1-2]對西南交通大學和防災科技學院地震模擬振動臺進行振動影響測試及分析,闡述了基礎振動測試分析方法;Luco等[3]分析NEES-UCSD大型戶外振動臺運行對基礎的影響,試驗結果表明該振動臺基礎具有足夠的強度和穩(wěn)定性;侯興民等[4-5]、黃浩華[6]通過傳遞函數法對振動影響進行理論計算,給出一種用于動力響應分析的一般集中參數模型.本文為了系統(tǒng)總結地震模擬振動臺基礎的設計方法與施工建造工藝,主要圍繞振動臺基礎的結構選型分析、關鍵參數影響、動力計算方法和施工環(huán)節(jié)中的混凝土裂縫防護、基坑支護技術、預埋件安裝精度控制等問題進行全面的歸納與綜述.
地震模擬振動臺基礎的結構形式可分為:實體式基礎、樁基與基礎組合式基礎、帶隔震溝的實體式基礎、水平和垂直分離式基礎、反力底板與基礎組合式基礎和懸浮式基礎等[7-12].實體基礎的結構形式簡單,剛度和質量較大,可近似認為是剛體,此類基礎的應用最為廣泛,如2013年防災科技學院建造的振動臺就采用該基礎形式,通過動力特性計算和測試可知,該振動臺基礎表面三向最大振動加速度為6g,而在國際標準中認為距離基礎邊緣處10 m為測量范圍,振動加速度有效值需小于10g,故該振動臺基礎滿足實際使用需求[1].當建造振動臺的試驗大廳土質較差,天然地基無法滿足承載力和變形要求時,應考慮在實體基礎上增加樁基.樁基可以穿過處于軟塑、流塑狀態(tài)的黏性軟弱土層,將荷載傳遞到更硬、更密實或壓縮性更小的持力層上,以降低振動傳播和地基沉降.設計樁基礎時,應對其進行承載能力和變形驗算,需注意的問題包括群樁效應、持力層土體承載能力和樁的抗裂驗算等[12].河海大學三向六自由度水下振動臺基礎尺寸為15 m×16 m×6.9 m,為了增加天然地基的承載能力,采用大體積混凝土基礎與樁基組合的形式,基礎底部打入25根直徑0.9 m的混凝土樁,并將基礎主體與油源間相連接,增大反力基礎質量,進一步保證自身控制性能,如圖1[13]所示.通過測試分析可知,各個方向的振動加速度有效值均小于10g,隔振效果符合要求[12].對于大型地震模擬振動臺,為了解決其基礎振動較大的問題,可在周圍設置隔振溝,隔振效果一般與寬度無關,隨深度增加而提升,深度常取0.6倍波長[14].帶隔振溝的實體式基礎可以有效減弱低頻振動向遠處傳播的作用,降低振動對周圍人員及建筑物的影響.西南交通大學8 m×10 m地震模擬振動臺因場地條件限制,隔振溝深度無法達到預設要求,進行基礎振動影響測試及振動衰減規(guī)律分析后得出結論,振動加速度有效值不會高于6.6g,不對周圍環(huán)境造成振動污染[4].水平和垂直分離型基礎適用于主要做水平運動的振動臺,由于水平激振力作用線與基礎重心重合,減小了因偏心導致過大的傾覆力矩,從而降低基礎振動[15].當擬建振動臺所在實驗室具有擬動力、擬靜力試驗地板時,可考慮通過合理的布局,將振動臺基礎與地板相結合,這樣不僅可以達到減小基礎振動的目的,還可以一定程度減少造價.東南大學自行組裝的4 m×6 m單向地震模擬振動臺就是將實驗室的整個地板作為振動臺基礎,有成本低、性能好的優(yōu)點[16].懸浮式基礎分為內基礎和外基礎兩部分,振動臺被內基礎承托著,外基礎直接與地基相連,內外基礎之間通常采用隔震減震裝置連接,如橡膠墊、空氣彈簧等.這種基礎的優(yōu)點在于振動可被隔震裝置有效地消耗掉,但是占地面積較大,造價、維護費用較高,目前尚未被推廣[10].此外,還有一些基礎結構形式較為獨特的振動臺,如意大利建造的EU Center大型單自由度振動臺,臺面尺寸4 m×7 m,質量32.68 t[17].為了適當分布執(zhí)行機構帶來的巨大應力,在振動臺基礎內部增設若干蜂巢狀鋼隔膜板網絡,如圖2所示,所有內部鋼板均穿孔,穿孔直徑從90 mm到200 mm不等,避免由于機械噪聲而產生的同向振動[18].
圖1 河海大學水下振動臺[13]
圖2 EU Center振動臺內部結構[17-18]
振動臺基礎的幾何形狀一般為規(guī)則的對稱結構,為了避免基礎自身產生扭轉,基礎的主軸方向應與振動臺臺面主軸一致,基礎的質心應與振動臺臺面中心重合,這也稱為“形心對中原則”和“質量矩平衡原則”[7].當振動臺各方向最大負載不相同或建設場地受到限制時,可以采用較為復雜的基礎形狀.例如,受實驗室預留空間限制,同濟大學4 m×4 m地震模擬振動臺基礎采用T型的淺埋式基礎,如圖3所示.基礎外殼質量為289 t,東側為質量467 t的抗側力臺,為了防止在振動過程中出現偏心的情況,設計者在西側放置了平衡質量塊,這樣即可同時解決最大質量比和振動臺偏心的問題[19].福州大學振動臺三臺陣系統(tǒng)反力基礎的結構形式如圖4所示,為了使重心盡量與力作用線重合,設計者在基礎中部凸出了一塊7.5 m×1.0 m的矩形質量塊[20-21].
因此,在對振動臺基礎設計選型時首先應考慮場地條件,對基礎尺寸進行適當調整,防止實際施工時出現空間不足的情況;其次要滿足形心對中原則和質量矩平衡原則,不允許在振動試驗中出現偏心的情況;最后要盡可能避免振動臺試驗時對周圍建筑物和人員造成不利影響,對于大型地震模擬振動臺,需采取相應措施(如設置隔振溝、調整基礎質量比)以減小振動影響.
地震模擬振動臺在設計時應具有足夠的強度、穩(wěn)定性和耐久性.其使用性能主要受到基礎的固有屬性和外在因素的影響.基礎固有屬性主要包括基礎的質量、剛度、阻尼比和等效半徑;外在因素主要包括地基土的剛度、阻尼比、基礎埋深等.這些技術參數的合理選擇,對振動臺基礎的振動幅度和振動臺臺體的波形失真度具有關鍵性影響.
基礎質量是影響地震模擬振動臺控制性能的核心參數.有學者提出,振動臺基礎質量不應小于50倍的振動臺臺面和試件總質量,以滿足振動控制要求[22];還有學者認為基礎質量宜取振動臺系統(tǒng)可動部分質量的10~20倍[23].目前世界上尺寸最大、負載最強的地震模擬振動臺E-Defense在水平X和Y方向上的推力為2 300 t,垂直Z方向上的推力為8 200 t,為了確保其性能,基礎質量必須達到200 000 t左右[24].但是,無意義地增大基礎質量對于地震模擬振動臺的性能是沒有幫助的.
圖5 NEES-UCSD大型高性能室外振動臺基礎形式[28]
地震模擬振動臺基礎剛度和阻尼對基礎振幅有重要影響.王亞勇[29]提出當基礎處于共振前和共振時情況下,增大基礎剛度和阻尼可以有效降低基礎振幅,只有在共振反應發(fā)生后,基礎質量才起到決定性作用,地震模擬振動臺適宜采用輕而剛的基礎形式.張自平等[30]通過質量-彈簧-阻尼模型,對某振動臺基礎進行了動力分析計算,表示基礎設計應當充分提高基礎剛度,以改善振動臺低頻特性.潘景龍[23]認為基礎在共振區(qū)的振幅很大程度取決于基礎阻尼,形式淺而大的基礎將有利于增大幾何阻尼.
此外,為保證地震模擬振動臺的頻率特性,減少對周圍建筑物和設備的影響,對地基土的剛度和阻尼比等參數的設計同樣應給予足夠的重視.加州伯克利大學分校對其地震模擬振動臺基礎研究表明,振動臺20 Hz以上的較高頻激振力主要由基礎的質量起作用,地基土起到抵抗低頻段激振力的主要作用[31].即振動臺在高頻段工作時,基礎質量對于振動影響起決定性作用;在低頻段工作時,地基剛度和阻尼比是降低振動幅值的關鍵[30].我國研究人員通過對不同地震模擬振動臺基礎進行模擬仿真后得出結論,隨著地基土的剛度和阻尼比的增大,基礎振幅迅速減小[24],并且振動臺基礎動力響應與地基剪切模量呈線性關系[10].
在對日本國立防災中心15 m×15 m地震模擬振動臺研究中,日本學者田治見宏表示基礎振幅與臺面振幅之比大于臺面負載與基礎質量之比時,基礎振動將影響振動臺性能[29,32].我國研究者根據理論研究和實測結果,提出距離動力基礎中心rj(m)處地面的豎向(水平)振幅[33]計算公式
(1)
表1 工作人員的容許振動值[31]
典型的地震模擬振動臺動力分析理論有2種,分別為質量-彈簧-阻尼理論和彈性半空間理論.二者均采用集總參數體系[35].集總參數體系的核心思想是將阻礙基礎振動的地基土反力等效為基礎6個自由度上的彈簧-阻尼器系統(tǒng)[9],其目標在于確定等效彈簧-阻尼器系統(tǒng)中的剛度、阻尼等參數.基于這2個理論發(fā)展了若干種動力基礎計算方法,其中包括我國《動力機器基礎設計規(guī)范》(GB50040—96)(以下簡稱《動規(guī)》)[31]中提到的方法、美國《基礎工程手冊》(以下簡稱《手冊》)[36]中的方法以及Lysmer比擬法[37].
質量-彈簧-阻尼模式又稱為理想集總參數模式,以振動理論為基礎,基于質量-彈簧模式發(fā)展而來的.日本清水建筑研究所山原浩首先提出質量-彈簧-阻尼模式,假定基礎視為有質量的剛體,地基視為空間6個自由度上的無質量的彈簧,并且忽略參土的質量,地基土的阻滯作用視為阻尼器的阻尼[9].在該模式下,地基土的剛度和阻尼均可以看成通過經驗或試驗來確定的常數.質量-彈簧-阻尼模式具有方便、簡單、直觀及實用等特點,目前《動規(guī)》方法[33]就是采用此計算模式.
彈性半空間模式又稱為等效集總參數模式,最初由Lamb提出[38].它假定地基土體為勻質、各向同性、線性變形的彈性半無限體[39],剛性基礎放置在彈性板空間體的表面,通過彈性波動理論進行分析.該理論認為:在所有情況下基礎的剛度和阻尼均可通過地基土的剪切模量、泊松比和剪切波速進行計算[40].彈性半空間理論在數理上是嚴密的,精度上高于質彈阻理論,可適用于各種類型的地基和各種形狀的基礎,且該理論所提出的“質量附加系數”以及“慣性阻抗”的概念澄清了關于“同位相質量”和“參振質量”的爭論[40].《手冊》方法[36]以及Lysmer比擬法[37]均采用彈性半空間理論為基礎.
《動規(guī)》中規(guī)定了明置基礎地基剛度和阻尼比計算方法[30].對于埋置基礎,地基承載力標準值小于350 kPa,且基礎四周回填土與地基土的密度比不小于0.85時,其豎向靜剛度可乘以提高系數?z,水平向、搖擺向和扭轉向靜剛度可分別乘以提高系數?xφ[33],計算公式分別為
?z=(1+0.4δb)2
(2)
?xφ=(1+1.2δb)2
(3)
(4)
式中:δb為基礎埋深比,當δb>0.6時,取0.6;ht為基礎埋置深度.埋置基礎的天然地基阻尼比,為明置基礎的阻尼比分別乘以基礎埋深作用對于豎向阻尼比的提高系數βz、地基水平搖擺向和扭轉向阻尼比提高系數βxφ[33],計算公式分別為
βz=1+δb
(5)
βxφ=1+2δb
(6)
《手冊》中給出不同情況下地基剛度和阻尼系數隨無因次頻率項a0的變化曲線,可讓動力基礎設計者根據不同基礎形式、不同地基土層剖面以及不同的埋置情況合理選擇和設計.該方法將阻尼分成了2個部分,分別為內部阻尼和輻射阻尼.內部阻尼用來描述土介質在發(fā)生振動變形時的內摩擦損失,輻射阻尼系數用于描述向無限地基域中能量的消散[40].
Lysmer比擬法實際上是一種參數抽換法,將復雜的半空間問題轉化為簡單的質量-彈簧-阻尼問題來計算.對變參數等效集總方法的3個主參數m(或I)、C和K采用“兩定一選”原則,即通過定m(或I)和K以選C,得到的最終動力反應曲線與真實反應大體相吻合[37].與變參數等效集總法不同,定參數等效集總體系對理想集總的一切方法全部適用,從這個意義上來說,它是一種實用性的近似方法[37].但是由于比擬法采用“兩定一選”,因此僅有一個C可供調節(jié),沒有充分的回旋余地,所以在與半空間理論的擬合效果上不免要差一些,文獻[36]提供了明置、埋置基礎不同形式地基的剛度、阻尼比計算方法.
以上3種均為動力機器基礎設計方法,但是對于大尺寸、大推力、高頻寬的地震模擬振動臺基礎是否依舊適用,一些學者做了相關研究.尹謙鈞等[35]以某6 m×6 m地震模擬振動臺作為實例,運用上述3種方法進行了基礎動力分析,并表示如果按照共振區(qū)最大動力反應設計振動臺基礎,《動規(guī)》方法計算結果比實測值偏大,比擬法偏小,《手冊》方法中提出的變參數剛度和阻尼曲線,可以更加理想地描述真實動力反應;方子明[20]同樣利用3種方法對福州大學地震模擬振動臺三臺陣系統(tǒng)進行動力反應計算,并利用有限元模擬和試驗測試進行結果驗證,研究表明:1)《動規(guī)》方法計算的固有頻率和水平位移最小,Lysmer比擬法最大,《手冊》方法處于兩者之間;2)《動規(guī)》方法所得結果與有限元分析模擬和試驗測試結果最接近.王磊[10]對蘇州科技學院6 m×8 m振動臺基礎分別采用《動規(guī)》方法和Lysmer比擬法進行動力響應分析,結果顯示《動規(guī)》方法計算出的地基剛度值偏大,阻尼比偏小,加速度幅值偏大.
結合3種振動臺基礎動力計算方法的比較以及前人研究成果的分析,可以得知這些方法均適用于地震模擬振動臺基礎的動力分析與設計.Lysmer比擬法安全系數相對較低,《手冊》方法比較接近真實動力反應,《動規(guī)》方法更加保守和安全,設計時,可按實際情況進行方案選擇.
一些地震模擬振動臺基礎基坑的深度可達4~10 m,應屬于深基坑的范疇,其支護結構對整個施工過程的安全性起著重要作用[41].基坑支護可以平衡地基土的側壓力,使基坑周邊邊坡保持穩(wěn)定,達到保證基坑開挖及基礎施工過程安全的目的[1].在進行基坑工程設計時,應遵循“安全可靠、經濟合理、技術可行”的原則[42].目前常見的基坑支護形式主要有放坡開挖及簡易支護、加固邊坡土體形成自立式支護結構(如土釘墻)、擋墻式支護結構(如地下連續(xù)墻支護)以及其他一些支護結構(如門架式支護)等[42].
放坡是指在一定的地址、場地條件下,采用合理的基坑邊坡坡度,使基坑開挖后的土體在沒有支擋的情況下,依靠自身強度,在新的平衡狀態(tài)下保持基坑邊坡的溫度.它涉及到的主要施工措施為土方開挖,通常易于組織實施.放坡開挖工程施工首先應確定開挖的坡度,并對基坑開挖各階段的土坡穩(wěn)定性進行驗算,確定地面及基坑的排水組織,確定土坡面的防護方法及土方開挖程序等工作[42].鄒榮[43]針對某4 m×4 m單向地震模擬振動臺進行深基坑支護結構設計,該振動臺基礎為實體式基礎,基礎底面積125 m2,高度5.13 m,因此基坑深度至少為5.13 m.由于環(huán)境的限制,基坑坡面為垂直坡面,結合地下水文特性和場地的因素,最終選擇采用放坡開挖為主,輔以噴錨網加固的支護形式,噴錨網主要用于提高邊坡表層土體的穩(wěn)定性.基坑開挖后,要特別注意集水井中的積水,防止造成坑外土體的流變.
土釘墻由被加固土體、土釘和混凝土面板組成,形成一個類似重力式擋土墻的實體,以抵抗墻厚傳來的土壓力,從而使開挖坡面穩(wěn)定.土釘墻支護結構適用于地下水位以上或經人工降水后的人工填土、弱膠結砂和黏性土的基坑或邊坡支護.具有柔性大、抗震性好、施工設備簡單及不占用場地等優(yōu)點[42].
地下連續(xù)墻支護結構造價昂貴,一般運用在深度大、土質差、場地空間有限、對防水抗?jié)B有一定要求的基坑類型.張德武[7]對某4 m×4 m三維六自由度振動臺支護結構進行選型設計,該振動臺基坑占地面積162.5 m2,高度7.55 m,場地狹隘,且地面到持力層頂之間經過黃土層,該層具有中等濕陷性.綜上情況考慮,選擇了地下連續(xù)墻的支護形式,該支護形式具有剛度大、強度高、耐久性和抗?jié)B性能好等優(yōu)點.馬平舟[44]對蘇州科技大學振動臺基礎深基坑工程進行了研究,該振動臺基坑同樣采用地下連續(xù)墻支護結構.使用支護結構設計軟件進行了設計及對比選型,并通過有限元數值模擬分析,研究了不同設計參數對支護結構的影響.得出結論:1)基坑開挖過程中,為了減少地下連續(xù)墻的水平位移,改變連續(xù)墻體的受彎形式,可加入水平支撐;2)增加支撐個數可減小支護結構的最大水平位移、最大彎矩值和地表沉降量;3)墻體剛度隨地下連續(xù)墻厚度的減小而降低,最大水平位移和地表沉降量隨連續(xù)墻厚度的減小而提升.
為了減輕基礎動力響應和保證振動臺系統(tǒng)的波形控制性能,地震模擬振動臺的基礎往往采用的是大體積重質量的混凝土基礎.大體積混凝土施工階段由于存在溫度梯度產生溫度內應力的問題[45],容易產生裂縫影響基礎實際剛度,因此裂縫控制技術在振動臺基礎建造過程中尤為重要.
防裂縫首先要從混凝土原材料選擇上把關,一方面可以通過選用低水化熱水泥和摻合料降低絕熱溫升,另一方面可以通過采用良好的顆粒級配提高混凝土強度[46-47].日本E-Defense大型三向六自由度地震模擬振動臺為了控制溫度裂縫,保證基礎的整體性,采用低熱硅酸鹽水泥、低含水量的骨料,并添加石灰石粉以補償由于單位水泥含量降低造成和易性的損失.在夏季施工時,由于溫度常常達到40 ℃左右,施工人員使用了幾種不同類型的減水劑和引氣劑以保證混凝土塊間接縫的完整性[24,48-49].位于北京通州區(qū)由中國科學研究院新工程抗震試驗室引進的6 m×6 m三向六自由度振動臺,采用了PS32.5礦渣水泥,并摻入一定比例的外加劑和粉煤灰,以降低水化熱并提高和易性.同時減少10%左右的拌和水,節(jié)約水泥用量,推遲水化熱釋放的速度[50].
此外,合理的施工措施,也是保證大體積混凝裂縫開展的重要因素.西安建筑科技大學三向六自由度振動臺基礎底面積19 m×17 m,厚度6 m.根據振動臺的實際情況,采用分層澆筑、分層搗實的施工工藝.為了提高混凝土的整體性,對上下層混凝土澆筑時應進行如下處理:1)放置豎向鋼筋于正在澆筑的下層混凝土中,使得上下層混凝土銜接更牢固;2)下層混凝土澆筑完成時,在初凝前進行搓毛處理,增大接觸面粗糙程度,利于上下層混凝土緊密結合.溫度控制措施主要包括:1)采用地下水拌制混凝土,降低混凝土拌和物的溫度;2)在基礎突變和轉折處、空洞轉角及周邊增加斜向構造鋼筋,以改變應力集中,增強抵抗溫度應力的能力;3)采用表面隔熱保護的方法,以防表面失水,降溫過大,起到了減少內外溫差并防止混凝土出現裂縫的作用;4)在基礎混凝土內部布置循環(huán)冷卻水管[51-52].蘇州科技學院三向六自由度地震模擬振動臺,利用ANSYS有限元軟件進行仿真分析,研究增加冷卻水管、分層澆筑及配置鋼筋作用等情況下振動臺基礎的溫度場與應力場的分布和變化情況,得到如下結論:1)冷卻水管應不至于振動臺基礎的不同位置處,可減小基礎內部的溫度峰值,使內部溫度的分布比較趨近;在基礎合適位置增加冷卻水管可以有效降低內部的溫度的峰值,并均勻分布混凝土內部溫度.2)采用分層澆筑的施工方法可以降低基礎內部溫度峰值以及結構的最高溫度.3)降溫期間,結構的溫度應力隨基礎的配筋率增加而減小,抗裂性能隨配筋率的增加而提升[53].
預埋件即結構澆筑時預先安裝在隱蔽工程內的構件,用來連接上部結構.預埋件的構造應根據其受力性能和施工條件確定,盡量做到構造簡單、傳力直接、易于施工和保證質量.在地震模擬振動臺基礎施工過程中,由于混凝土截面大,配筋基礎內預埋件眾多,功能各異,并且對精度要求很高,因此需要對其安裝方法進行研究分析.
同濟大學4 m×4 m地震模擬振動臺基礎中有12個預埋件,每個預埋件由面板、底板和螺桿構成,安裝誤差精度要求小于1 mm.為了多次測設它們的位置,需要建立高程控制網.施工人員在工地上設置了一個水準點,該水準點位于所有預埋件所在的軸線上,從它出發(fā)放樣所有預埋件的高程.放樣過程中用到了一種可以精確微調的強制對中裝置,用于精密測量.最后提出幾個施工過程中的關鍵點:1)要避免望遠鏡調焦誤差對側角結果的影響;2)精密側角時宜采用圓柱形目標而不是覘牌,因為覘牌很難保證對中精度[54].福州大學的地震模擬振動臺三臺陣系統(tǒng),基礎的長×寬×高分別為30 m×9.8 m×5.3 m,該振動臺基礎具有很高預埋件加工、安裝及定位精度要求.振動臺基礎內部的預埋件主要可分成2類:第1類主要負責支承和定位,需要完全埋入混凝土內部;第2類上部連接設備底座,下部同樣埋入混凝土內部,并與第1類預埋件相連接.為了防止混凝土澆筑過程中預埋件的變形或變位,對于第1類的預埋件,設置了精度較高的找平鋼板并按實際位置精確定位,再將預埋支架等構件定位安裝在找平底板上.對于第2類的預埋件,因為是直接與振動臺執(zhí)行器等設備連接的,精度要求更高,故設計了一種三維調節(jié)裝置,根據螺栓方向的改變,完成對預埋件的三維微調[20-21].
通過對地震模擬振動臺設計與建造技術的歸納總結和分析,得出主要結論如下:
1)振動臺基礎結構選型應充分考慮場地條件和基礎尺寸的影響,滿足形心對中原則和質量矩平衡原則,對于大型地震模擬振動臺,應適當增加基礎質量以盡可能避免振動臺試驗時對周圍建筑物和人員造成不利影響.
2)單純增大振動臺基礎質量可能無法達到理想的減振效果,應綜合考慮基礎的幾何形狀、基礎和地基的剛度和阻尼等因參數確定振動臺基礎的合理尺寸.
3)《動規(guī)》《手冊》中給出的方法以及Lysmer比擬法均適用于常規(guī)振動臺基礎動力分析,《手冊》方法比較接近真實動力反應,《動規(guī)》方法更加保守和安全.
4)振動臺基礎施工過程中,應采取合適的原材料和合理的施工措施防控混凝土溫度裂縫;此外,需根據工程特點和不同支護方式的適用性選擇合適的基坑支護方式;對于振動臺預埋件的定位精度,應通過科學的測量和合理的微調裝置予以控制.