地铁地下车站结构的地震反应特性振动台试验研究

李浩彬+扶晓康

摘 要：随着城市建设的不断发展，城市规模日益扩大，地面空间和交通问题是影响城市发展的一个重要因素，建立地下交通体系已成为解决城市空间问题的一个十分有效的途径。近年来的地震灾害现象表明，地下结构在强地震作用下可能会出现严重的震害及次生灾害，城市大型地下工程的抗震安全性已成为倍受关注的社会问题之一。为此，本文主要对地铁地下车站结构的地震反应特性振动台试验进行了分析与探讨。

关键词：地铁地下车站结构；地震反应特性；振动台试验

一、土-结构相互作用的地铁地下车站结构模型

将地基土-地铁地下车站结构体系作为二维平面问题来分析，采用等效刚度法将圆形中柱等效成厚度为0.8m的连续墙.三层三跨地铁車站结构宽度为21.1 m，高度为17.4 m，结构上覆土层厚度为3.6 m.地基的计算宽度为200 m ，基岩面为地震波输入边界，地基土的边界采用黏弹性人工边界，土体网格的大小从边界到结构逐步加密，划分体系的有限元网格。混凝土的动力本构模型采用动塑性损伤模型，选取有代表性的场地作为研究车站结构地震反应特性的场地条件，土的动力本构模型采用基于Davidenkov 骨架曲线的动力黏弹性模型。以近断层地震动Northridge 波、Chichi波和中远场地震动Taft 波作为整个体系的水平向输入地震动，在计算时将地震动的峰值加速度分别调整为0.1g 和0.2g.

1、加速度时程分析

随埋深的增加，土体内各点的峰值加速度越来越小，峰值加速度减小的幅度越来越大；随着埋深的增加，频率的振幅与加速度峰值变化趋势相似。侧墙各点的正负极值出现的时刻相同，这说明各点会一起运动：频率的振幅也有与加速度相同的规律。中柱的加速度变化规律与侧墙的相似。土体中加速度峰值要比结构上的加速度峰值大：随着埋深的增加，两者的差值也逐渐变大；频率的振幅也有相同的规律。这说明结构与土存在相互作用，即土会对结构产生很大的推力。随着输入地震波的强度增加，峰值加速度的放大倍数基本不变，频率的振幅则增加。频率随着输入地震波强度的增加而减小，这说明模型产生了细小的损伤，而使其刚度减小，频率振幅大于结构上频率振幅。

2、应变分析

中柱底端的应变时程曲线与输入波形非常相似，而在中柱顶端的应变与输入波形有区别。中柱顶端的应变峰值要大于底端的应变峰值，但在顶端的应变基本上一直保持在一个方向，而底端的应变则随地震波波形的变化而在正负方向来回变化。在发生反复运动时，混凝土材料更容易发生破坏。

二、振动台实验技术

振动模型试验是研究地下结构地震反应与抗震性能的重要途径，主要包括普通振动台试验和离心机振动台试验。普通振动台试验是目前应用最为广泛的结构抗震试验方法，近年来，国内学者对地铁等地下结构的地震反应进行过多次振动台试验研究，取得了一定的研究成果。但普通振动台模型试验是在1g的重力加速度环境下进行的，由于模型与原型相比几何尺寸缩小到几分之一，因此在正常重力条件下，模型的应力水平尤其是自重应力水平与原型有一定差距。对于土-结构相互作用系统，由于土体为强非线性材料，其剪切模量为剪应变的函数，应力应变水平对土体承载力和变形有较大影响，因此振动台试验结果与实际情况相比可能会有一定差距。但是振动台设备在国内数目相对较多，这为普通振动台试验的开展创造了有利的条件，因此，普通振动台试验今后仍将在研究地下结构地震反应与抗震性能方面发挥巨大的作用。对于普通振动台试验，如何能够更好地模拟原型结构与原型地基土体的应力水平尤其是自重应力水平，需要在模型相似设计、试验材料选取、配重施加等方面进行深入研究。

离心机振动台试验通过增加模型的场加速度，可以模拟出与原型相等或相近的应力水平，逼真重现原型的物理特性，在再现动力反应、观测物理机制、检验评价方法以及对比设计方案等方面具有突出的优越性，在欧美、日本等发达国家得到了广泛的应用。目前，动力离心模型试验技术已在国内岩土工程地震问题的研究中得到应用，并取得了良好的效果。

三、振动台实验相关实例

振动台模型试验由于尺寸的不足而必然涉及到模型与原型的相似问题，在地铁地下结构振动台试验中相似问题包括：模型结构的相似、土的相似以及土与结构相互作用的相似。进行一般工程结构振动台试验时，模型完全相似就难以满足，再加上土以及地铁结构与土相互作用相似问题，做到完全满足相似率的要求就更加困难了，但通常可以根据研究目的的不同，保证主要参数满足相似关系，或采取相关技术措施（采用配重来增加重力加速度）等途径近似满足，而次要参数相似比尽量与主要因素接近。在动力相似方面，以Harris为代表的学者对振动台上的动力相似理论进行了一系列的研究和探讨，发展了结构动力模型试验技术，但国内外对于结构-地基相互作用体系的动力相似研究还相对较少，仅吕西林通过对两种不同缩尺的振动台试验对比分析，对其进行了初步探讨。

通过对地铁车站进行振动台模拟实验，试验过程中遇到的技术难题包括对地铁车站纵向长度的模拟，场地土的动力特性与地震响应的模拟，模型箱的构造与边界效应的模拟，以及量测元件设置位置的优选等。

1、模型设计的相似关系：

在模型设计中据以确定相似关系的原则选为：

（1） 采用重力失真模型，将主要构件的几何相似比及主要材料的弹性模量相似比和质量密度相似比作为模型设计的独立参数。

（2） 土和结构遵循相同的相似比例关系，使模型系统可在一定程度上反应原型系统中土与结构相互作用的特性。

（3） 确定模型相似关系时同时考虑振动台的性能、制作模型的条件、试验室起吊设备的能力和模型安装工艺要求等因素对试验实施的制约。

2、模型土的配制

根据某地铁车站穿越的主要土层特性，本次试验将淤泥质粘土选为原型土，据此配制模型土。试验开始前，对获得模型土优化配比的途径进行了研究，结论主要包括：

（1） 应力求在最大动剪切模量值和动剪切模量与动剪应变间关系曲线的变化规律两方面使模型土与原状土尽量相似。

（2） 鉴于塑性指数是关键影响因素，试验过程拟主要注意塑性指数的变化对土动力特性产生影响的规律。

（3） 针对褐黄色粉质粘土的特性，探索通過控制掺水量及其密实度调整最大动剪切模量值的途径。

3、结构模型的制作

试验分自由场振动台模型试验、典型地铁车站结构和地铁车站接头结构振动台模型试验3 种。试验过程中，首先进行了自由场振动台模型试验，用以模拟自由场地土层的地震反应，据此获得模型箱内不同位置处的土的加速度响应，确定“边界效应”的影响程度和鉴别模型箱构造的合理性；然后通过典型地铁车站结构振动台模型试验了解地铁车站结构与土共同作用时地震动反应的规律与特征，为建立地铁车站地震响应的分析理论和计算方法提供试验数据。

4、实验过程及结果

振动台模型试验记录了在不同荷载级别的EI-Centro波、人工波和正弦波激振下，加速度测点传感器的反应，依据记录结果绘出了各加载工况下的加速度反应时程图，并通过对其做富氏谱变换（ FFT） 得到了与之相应的测点的富氏谱；由动土压力传感器，得到了各测点在不同加载工况下的动土压力反应时程图；根据结构模型构件上布置的应变片，测得了构件应变的变化。实验计算方法采用反应位移法，在此不再赘述。

模拟实验证明：计算模型可较好地模拟模型土的动力特性、地铁车站与土体的动力相互作用，及地铁车站结构模型的动力响应特点. 该方法较好地模拟了地铁车站的地震响应，可供工程设计实践参考。

四、结束语

总之，近几年来随着城市人口的迅速增长，城市交通拥挤问题越来越严重，地铁是解决城市交通问题的重要途径之一。然而，大量的震害表明：地铁等地下结构并非如人们想象的那么安全可靠，也会在地震等动荷载下遭受破坏和坍塌。因此，研究土-地下结构的动接触问题、粘弹性动力人工边界与基线漂移及其在有限元中的实现，并结合具体地铁车站区间隧道进行地下结构地震数值模拟，分析地下结构的地震响应，对地铁等地下结构的抗震设计具有重要的意义。

参考文献

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