Y形柱双层地铁车站振动台试验研究

时间：2024-07-28

陶连金，吴秉林，李积栋，李书龙，王轲

(北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点试验室，北京 100124)

同地上结构相比，地下结构一般被认为是抗震性能较好的结构［1-2］。自1995年阪神地震对地下结构首次产生严重破坏以来，许多学者通过振动台试验等方法对典型地铁车站抗震薄弱环节、埋深的影响及多层地震响应规律进行了深入研究。对地下结构而言中柱是最薄弱的部位，地震作用下首先遭受破坏，地震作用使中柱存在很大的动力损伤［3-6］，文献［7-8］进行了地下结构振动台试验，发现浅层结构在地震中比深埋结构更易遭到破坏，多层地下结构在地震作用时顶层破坏最为严重，底层破坏最轻，以上均是针对典型地铁车站的试验研究。随着地铁施工技术的成熟，地铁车站的结构形式必将越发多样，宽柱距、大跨度与异形柱等地铁车站结构形式未来将出现在地铁车站中，但针对异形柱地铁车站的地震动响应规律的振动台试验研究却少见报道。

本文以北京地铁6号线2期新华大街站为研究对象，对大跨度浅埋Y形柱双层地铁车站进行振动台试验研究，探讨其在不同地震条件下的地震动响应规律，为未来异形柱的抗震设计提供参考。

1 模型试验设计

1.1 试验模型与模型箱

图1 模型箱

为了控制土体剪切变形及模型箱的边界效应，模型箱采用柔性剪切箱，如图1所示。模型箱沿振动方向尺寸为2.5 m，垂直振动方向为1.5 m，净高1.2 m，在箱体四周粘贴橡胶，减小波动能量在土体边界产生反射与散射［9-10］。

按车站实际情况，结构模型选取矩形断面，中柱采取Y形柱，如图2所示。采用镀锌钢丝模拟钢筋并浇筑微粒混凝土制作车站模型，Y形柱采用内部浇筑混凝土的圆钢管，根据模型几何相似比，模型结构尺寸长宽高分别为 860，820与 380 mm，Y形柱直径为30 mm，顶板厚20 mm，侧壁厚20 mm。在试验输入地震波前，将模型土在配重下充分压实。

图2 车站结构模型

1.2 相似比

由于土体的非线性，振动台试验模型完全满足相似律是不现实的［11］。考虑作业空间限制并遵循模型相似设计基本原则［12］，车站结构模型几何尺寸相似比设为1/50，采用的土体为施工现场原状土，车站结构模型采用的微粒混凝土与实际车站混凝土材料密度基本一致，质量密度相似比为1∶1，设弹性模量相似比为1/4，根据相似三定律，可推出各物理量动力相似系数，见表1。

表1 各物理量动力相似关系

1.3 测点布置

为研究土与结构相互作用加速度反应规律，土中埋设加速度计23个，结构上布置加速度计12个，在土体中距模型箱底板距离 12，42，68，83，98，107 cm 的位置分别布设6排加速度传感器，如图3所示。高向宇等［13］研究表明Y形柱分叉点处是抗震薄弱环节，宜对该区域着重进行观测，Y形柱上粘贴10片应变片，边墙粘贴4片，如图4所示。为防止传感器受潮影响数据记录，应变片上使用914胶水涂抹覆盖，加速度计表面用塑料薄膜包裹并粘贴胶布固定对其防潮处理。采集传感器编号YA表示Y形柱加速度计，JA表示边墙与板上加速度计，Y表示 Y形柱应变，S表示边墙应变。

图3 加速度传感器布置

图4 应变片布置

1.4 加载工况

试验中地震波分别采用新华大街人工波和阪神波，采用单向多次加载制度，输入地震动量级逐渐增加，加载地震波峰值分别为0.1g，0.3g，0.5g与0.8g，共4个工况，激振前输入白噪声进行土体压密，在每次工况前使用0.05g白噪声进行扫描，以检测模型动力特性变化。

2 试验结果分析

2.1 土层中地震动传播

陈国兴等［14］研究表明，地震作用下地基土表现出低频放大效应。为详细描述加速度放大效果，在此定义加速度放大系数的概念，即指土体各测点峰值加速度与振动台台面测点峰值加速度之比。台面峰值加速度见表2。

表2 各工况振动台台面峰值加速度 g

1)随着地震能量的增加，各测点峰值加速度亦增加(如表3与表4所示)。表3、表4还显示:①在输入同一地震波时，深埋测点的峰值加速度小于浅埋测点的加速度，不同峰值加速度人工波作用下，测点A23比点A3的峰值加速度大40%以上，即相同地震波下，随着埋深的减小，测点的峰值加速度增加;②输入相同峰值加速度的地震波，阪神波时测点加速度反应大于人工波时加速度反应。

2)在不同工况下，各测点加速度放大系数基本都＞1，如图5所示。图5还显示:①地震波加速度峰值为0.1g时放大系数明显大于其他输入地震动量级;②随着输入地震动量级增加，模型箱底部测点出现加速度放大系数＜1的情况，是由于地震动量级较大时，底部土体与箱底部粗糙面产生的摩擦力偏小从而产生相对位移运动所致;③与结构模型埋深一致的测点A11，A15与A19的加速度放大系数曲线并没有因为结构模型的存在而产生剧烈变化。

表3 输入新华大街人工波时各测点峰值加速度 g

表4 输入阪神波时各测点峰值加速度g

图5 土体中测点加速度放大系数

2.2 结构中地震动传播

1)各测点峰值加速度随着地震动量级的增加而增大，如表5与表6所示。表5、表6还显示:①相同地震波下，随着埋深的减小测点峰值加速度增大，相同埋深测点的峰值加速度接近;②在相同加速度峰值下，阪神波时监测点的加速度反应大于人工波时的加速度反应。

表5 输入新华大街人工波时Y形柱各测点峰值加速度 g

表6 输入阪神波时Y形柱各测点峰值加速度 g

2)以车站模型底部为基准面，距结构底板距离与测点加速度放大系数关系曲线如图6所示。可以看出:①加速度峰值较小时，加速度放大效果明显，如当输入0.1g阪神波时，各测点放大系数＞1.4;②随着地震动量级的增加，加速度放大系数逐渐减小;③Y形柱顶部加速度放大系数最大，底部放大系数最小，即随着距结构底板距离增加加速度放大系数增加。

3)边墙一侧受周围土体的限制，另一侧受限制很小，仅有板的约束作用，地震波传到车站边墙时，产生反射与折射，试验得出边墙在地震波下加速度数据，见表7与表8。可以看出:①相同地震波下，边墙顶部的峰值加速度反应最大，中部次之，底部加速度反应最小，即顶部加速度反应＞中部加速度反应＞底部加速度反应，这与周边土中测点反应规律一致;②相同地震动时，输入阪神波测点加速度反应大于人工波时加速度反应。

图6 Y形柱各测点加速度放大系数变化折线

表7 输入新华大街人工波时边墙各测点峰值加速度 g

表8 输入阪神波时边墙各测点峰值加速度 g

不同工况板上各点加速度放大系数与距结构底板距离之间的关系曲线如图7所示。可见相同地震波下，边墙顶部放大系数最大，中部次之，底部最小，与边墙加速度反应规律一致，在地震动量级较小时底部与顶部的差距比较明显;随着地震动量级的增加，加速度放大系数减小。

4)在结构的顶板、中板与底板上各布置1个加速度计，不同工况下测点峰值加速度见表9与表10。可见相同地震波作用下，顶板峰值加速度＞底板峰值加速度＞中板峰值加速度，中板与底板之间加速度反应相差不大;阪神波下板的加速度反应大于人工波时加速度反应。

图7 边墙各测点加速度放大系数变化折线

表9 输入人工波时板上各测点峰值加速度 g

表10 输入阪神波时板上各测点峰值加速度 g

2.3 应变分析

1)在测点布置图Y形柱旁边画一条竖线，对应位置标出监测点，并将应变幅值大小以水平线长短表示，画出人工波加速度峰值0.5g时应变幅值曲线，如图8(a)所示;输入阪神波不同加速度峰值时各测点应变幅值曲线，如图8(b)所示。图形显示:①双层地铁车站Y形柱应变幅值下层应变大于上层应变;②相同地震波下，随着埋深的增加Y形柱应变幅值增加;③Y形柱分叉点位置及其上部应变幅值很小，输入地震动量级较小时，Y1，Y3与Y5的应变比较接近，随着地震动量级增加，三者的应变幅值差距增大;④随着地震波加速度峰值增加，测点应变幅值增加，0.8g时应变幅值最大。

图8 Y形柱各测点应变反应规律

2)地震波相同时，边墙底部的应变幅值最大，其次为顶部应变幅值，边墙中部S6与S7应变幅值接近，应变幅值均较小，即底部应变幅值＞顶部应变幅值＞中部应变幅值;随着地震动量级的增加，边墙应变增大，如表11与表12所示。阪神波引起的边墙应变反应大于对应点人工波引起的反应。

表11 输入人工波时边墙各测点应变幅值 10－6

表12 输入阪神波时边墙各测点应变幅值 10－6